电力科学与工程Vol127,No15May.,2011
ElectricPowerScienceandEngineering
5
电抗型超导故障限流器对两机系统暂态稳定影响
杨智龙,李爱华
1
2
(1河北邯郸供电公司,河北邯郸056035;2石家庄军械工程学院,河北石家庄050003)
摘要:针对两机系统,提出了在输电线路不同位置发生三相短路故障时,超导故障限流器(SFCL)投入电抗后对暂态稳定性影响的分析方法。基于功角特性曲线分别详细分析了在三相短路故障下电抗型SFCL对暂态稳定的影响情况。通过对接入电抗型SFCL的电力系统进行故障下的暂态稳定时域仿真研究,验证了分析结论。
关键词:超导故障限流器SFCL;暂态稳定;功角;电力系统中图分类号:TP273 文献标识码:A
应用中对暂态稳定影响方面的研究还比较少。文
0 引 言
电网容量的逐年增加,短路电流水平不断变化,给电力系统中的电气设备带来越来越大的危害。为了有效地抑制短路故障给电力系统及其用户带来的危害,保证电网安全运行,在输电网上采取有效限流措施很有必要。
近年来,随着高压大电流电力电子技术、以及FACTS技术在电力系统中的研究与应用,给新
型故障限流器在电网中的应用带来了可靠物质基础和理论支撑
[1,2]
献[5]和[6]仅从故障限流器对系统功角曲线的影响方面做了一些基本分析。文献[7]分析了输电线路一端装有晶闸管控制的限流器时,在三相故障情况下限流器对暂态稳定性影响的规律。文献[8]分析了固态限流器对暂态稳定性的影响情况。文献[9]仿真研究了氧化锌避雷器式故障限流器对暂态稳定性的影响,给出了非对称故障情况下的仿真波形。文献[10]分析了在输电线
路的不同位置发生三相短路故障时,SFCL对暂态稳定性的影响情况。以往对限流器影响的分析基本上是基于单机对无穷大系统发生短路故障情况,而在多机系统发生故障情况下,SFCL对暂态稳定的影响尚待深入研究。本文详细分析了两机系统的输电线路不同位置发生三相接地短路故障时,电抗型SFCL投入不同电抗时对暂态稳定性的影响情况,并用暂态稳定的时域仿真结果对分析结论进行了验证。
。随着20世纪80年代后期高温
超导材料的发展,用高温超导体做成超导限流器具有其特有的优越性,能够集检测、触发和限流于一身,是电力系统的理想限流装置
[1]
。应用超
导故障限流器(SFCL)的系统在正常运行时,超导体不表现任何阻抗,还具有完全的抗磁性,装置对电网的影响几乎为零;当电力系统发生短路故障时,由于短路电流超过超导体的临界电流,使超导体迅速失超而表现一个很大的阻抗,从而将短路电流限制在一个很低的水平。SFCL按照不同的原理、结构和特性,可进行多种分类
[3,4]
1 系统模型
以一个两机系统为例,分析SFCL安装在输电线路时对电力系统的暂态稳定影响情况。其中一发电机经升压变压器和双回线路向负荷送电,并在其中
一回线上加装超导故障限流器。系统正常运行时,SFCL不投入电抗;安装SFCL的线路发生故障时,三相SFCL立刻投入电抗,在一定时间后保护动作,切
,但按
其失超后表现出的阻抗特性可分为电阻型和电抗型两大类。当这两类超导限流器应用于输电线路时,对电力系统的暂态稳定性会有不同的影响。
目前,超导故障限流器在电力系统中应用的研究大都集中在限制短路电流效果上,在输电网
收稿日期:
2011-02-23。
作者简介:杨智龙(1982),男,工程师,研究方向为电力系统分析、运行与控制,E-mai:lyyzllong@163.com。
6电力科学与工程2011年
除故障线路。系统结构如图1所示。恒定的经典二阶模型。所SFCL投入的电抗值按标么值进行计算。相关参数为:发电机G1:300MW,1015kV,
cosW,xd11=0185
=118,xG1(2)=0123,xc13,Tj1=8s;d1=0
发电机G2:1200MW,1015kV,cosW18,xd22=0
=117,xG2(2)=0122,xc128,Tj2=9s;d2=0
图1 具有SFCL的两机系统Fig.1 TwomachinesystemwithSFCL
变压器T1:360MVA,1015/242kV,Uk1(%)=14;变压器T2:360MVA,220/121kV,Uk2(%)=14;变压器T3:1500MVA,121/1015kV,Uk3(%)=1215;线路L:xl=01418/km,rl=01058/km,L=250km;
负荷D:P0=250MW,
cosW。0=0198
其中发电机1的正序电抗为xG1(1),负序电抗为xG1(2);发电机2的正序电抗为xG2(1),负序电抗为xG2(2);变压器电抗分别为xT1,xT2,xT3;输电线路阻抗为zl=rl+jxl,线路长度为L,加装超导
故障限流器的输电线路在距离A母线kL处发生短路故障(其中0[k[1)。计算时,忽略线路电容及变压器的励磁导纳,负荷用恒定阻抗代替,其等效阻抗设为zL=rL+jxL。
本文采用的系统参数为:图中发电机采用E
取SB=250MVA,UB=209kV求得负荷阻抗:ZZL=011505+j010931,SL=418-j21976;其他等值阻抗参数如表1所示。
表1 各元件标么值参数
Tab.1 Per-unitvalueofeverycomponents
发电机G1
xG1(1)01287
xG1(2)0122
Tj11113s
xG2(1)010517
发电机G2
xG2(2)010406
Tj254s
xT1011305
变压器xT201108
xT3010231
线路L015(rl+jxl)0105+j01293
从而两机系统正常运行时,其系统参数为:
S1=1-j012,S2=318-j2178;E1=1147,E2=1124,D,10=3413bD,P10=11052,P20=318,20=1312b
D。120=D10-D20=2111b
其中:x1=jxG1(1)+jxT1;x2=jxG2(1)+jxT3;
x3=jxT2;x4=rl+jxl;x5=rL+jxL;x6=jx+kx4;x7=jx+(1-k)x4;
两机系统故障时的等值电路如图3所示。从
而可以计算出发电机1,2间的等效阻抗:Z11,Z22,Z12,相应可求出故障时两发电机的输出功率:
2 带有SFCL的两机系统暂态稳定分析
方法
分析两机系统的暂态稳定可通过两发电机的相对加速度曲线特性进行分析。故障时三相SFCL同时投入电抗,投入的电抗值为x。
根据图1可知,故障时的两机系统等效电路图如图2所示。
[11]
图3 故障时系统等值电路Fig.3 Equivalentcircuitoffaultsystem
P1=P2=
E1Z11E2
2
2
sinB11+
E1E2Z12E1E2
sin(D12-B12)(1)(2)
图2 SFCL投入电抗后等效电路图
Fig.2 EquivalentcircuitwithreactancetypeSFCL
sinBsin(D22-12+B12)
Z22Z12
短路时的过剩功率为:
$P1=P10-P1$P2=P20-P2
(3)
(4)
第5期杨智龙,等电抗型超导故障限流器对两机系统暂态稳定影响 7
短路时每个发电机转子的绝对加速度为:
A1=18000A1=18000
$P1Tj1$P2
(5)
以SFCL投入的电抗值x为自变量的函数,通过分析这个函数,就可以了解故障时加入超导限流器
对两机电力系统暂态稳定性的影响情况。
(6)
Tj2
从而可求出短路时两发电机转子的相对加速度为:
A12=A1-A2
(7)
3 电抗型SFCL对两机系统暂态稳定的影
响情况
311 不同情况下的相对加速度最小值
在线路不同位置发生三相短路故障和SFCL投入不同电抗值x时,两机系统相对加速度的最小值A12min的变化曲线如图5所示。
同理可求出故障线路切除后的两发电机转子
的相对加速度。本文切除故障线路后相对加速度表达式为:
A(8)12=11505-2131sinD12-01284cosD12
根据相对加速度特性曲线可以分析两机系统的暂态稳定情况,如图4所示。故障时相对加速度曲线为正值,只有加速面积。故障线路切除后,工作点迅速由a点移动到b点,这时相对角受到制动而开始减速,曲线bDcD12k所包的面积为最大可能的减速面积。根据等面积定则,当这一面积大于加速面积时,系统能够维持暂态稳定;如果小于加速面积,电力系统就失去稳定。
图4 两机系统的相对加速度特性曲线
Fig.4 Relativeaccelerationperformancecurveoftwo
machines
图5 投入电抗后的相对加速度最小值曲线Fig.5 Relativeaccelerationminimumvalue
curvewithreactance
由图4可知,分析加入超导故障限流器后对电力系统暂态稳定性的影响情况,只需求出故障时加入超导限流器后两发电机转子相对加速度的最小值,与未加入时的最小值进行比较即可。若最小值向下移动,则加速面积减小会导致极限切除角增大而有利于电力系统的暂态稳定;反之,则不利于电力系统的暂态稳定。
通过求两发电机转子的相对加速度A12的导数,让其等于零即可找到相对加速度最小值所对应的转子运行角度,从而可以求出相对加速度最小值A12min。然后把相对加速度最小值A12min看作是 由图5(a)可知,不管在线路的何处发生故障,只要SFCL投入电抗,都能使两机系统相对加速度的最小值A12min向下移动,且随着投入电抗值的逐渐增大,A12min逐渐减小。还可以看出,当电
抗值增大到某一值后,A12min会小于零。由图5(b)可知,当投入电抗值很小时,随着故障位置向后移动,A12min会先减小再增大;当投入电抗值大过某一值时,随着故障位置向后移动,A12min会逐渐减小,最小值出现在线路末端。
在线路四分之一处发生三相短路时限流器投 8电力科学与工程2011年
入电抗后的相对加速度特性曲线如图6所示。其中:Ñ为故障时相对加速度曲线,Ò为投入小的电抗值时相对加速度曲线,Ó为故障线路切除后的相对加速度曲线,Ô为投入大的电抗值时相对加速度曲线。
图7 投入电抗后的功角摇摆曲线Fig.7 Functionalrockingcurvewithreactance
暂态稳定性的影响规律。
当输电线故障的位置不同和SFCL的电抗值变化时,SFCL投入电抗都能对电力系统的暂态稳定产生有利影响。当输电线路的故障位置一定,SF-CL投入的电抗值越大,越有利于两机系统的暂态稳定。当SFCL投入的电抗值一定,电抗值很小时,随着故障位置向后移动,对两机系统暂态稳定的有利程度会先减小再增大;电抗值大过某一值时,随着故障位置的向后移动,会越来越有利于系统稳定,且最稳定点出现在线路末端。
本文只分析了两机系统在线路不同位置上发
图6 投入电抗后的相对加速度特性曲线Fig.6 Relativeaccelerationcurvewithreactance
生三相短路故障时电抗型SFCL对电力系统暂态稳定性的影响情况,而对于不对称故障时SFCL的应
用情况,以及SFCL在多机系统中的应用情况有待进一步研究。
参考文献:
由图6(a)可知,SFCL投入电抗时,减小了加速面积S,可以延长极限切除时间,有利于电力系统的暂态稳定。由图6(b)可知,SFCL投入大的电抗值时会出现制动面积,当投入电抗值足够大时,不切除故障也能满足电力系统的暂态稳定。312 时域仿真摇摆曲线
仿真参数设置:k=015处发生故障,阻尼系数为2,011s切除故障。功角摇摆曲线如图7所示。当切除时间一定时,对投入SFCL的摇摆曲线的第一摇摆幅值明显小于无SFCL的情况。从而可以看出加入电抗器型超导故障限流器有利于系统的暂态稳定,且投入的电抗值越大,越有利于暂态稳定。
[1]杨勇.超导技术的发展及其在电力系统中的应用
[J].电网技术,2001,
25(9):
4850,60.
YangYong.Developmentofsuperconductingtechniqueanditsapplicationinpowersystem[J].Powersystemtechnology,2001,25(9):[J].华北电力技术,2005,ZhaoZhongyuan.
4850,60.(7):
2225.
[2]赵中原.固态限流器对电力系统暂态特性的影响
Influenceofsolid-statecurrentlimiter
(7):22
25.
upontransientperformanceinelectricpowersystem[J].NorthChinaElectricPower,2005,
4 结 论
本文以两机系统为例,详细分析了装有电抗型SFCL的电力系统,在发生短路故障时SFCL对[3]叶林,林良真.超导故障限流器的电力应用研究进展
[J].电力系统自动化,1999,
23(7):
5357.
YeLin,LinLiangzhen.Researchandprogressinsuper-conductingfaultcurrentlimiterforelectricpowerapplica-tion[J].AutomationofElectricPowerSystems.1999,
第5期杨智龙,等电抗型超导故障限流器对两机系统暂态稳定影响 9
23(7):5357.
(5):
5456.
(5):
力系统暂态稳定性的影响[J].电力系统自动化,2004,28(8):
5056.
HaoZhijie,JiangDaozhuo,CaiYonghua.Effectofnovelfaultcurrentlimitersonpowersystemtransientstability[J].AutomationofElectricPowerSystems,2004,(8):
eta1.Principleandchar-1996,
11
50
56.
28
[4]李明,何海昉,张小青.几种在电力系统中应用的故
障限流器[J].吉林电力,2005,powersystem[J].54
56.
Liming,HeHaifang,ZhangXiaoqing.FCLappliedto
JilinElectricPower,2005,
[5]SugimotoS,KidaJ,AritaH,
tion[J],(2):
[9]刘洪顺,李庆民,徐亮,等.氧化锌避雷器式故障限
流器对电力系统暂态稳定的影响[J].电力自动化设备,
2007,27(8):
5154.
LiuHongshun,LiQingmin,Xuliang,eta.lInfluenceofMOA-basedFCLonpowersystemtransientstability[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2007,27(8):51
54.
2007,
[10]顾雪平,杨智龙.超导故障限流器对电力系统暂态稳
定性的影响分析[J].湖南工业大学学报,21(4):
2228.
acteristicsofafaultcurrentlimiterwithseriescompensa-IEEETrans.0nPowerDelivery,842847.
[6]MartenSjostrom,RachidCherkaou,iBertrandDutoit.En-hancementofpowersystemtransientstabilityusingsuper-conductingfaultcurrentlimiters[J].pliedSuperconductivity,
[7]赵彩宏,田立军,邹贵彬,等.
备,2001,21(2):
14
17.
IEEETransonAp-1330.
1999,9(2):1328
FCL对电力系统暂态
稳定性影响的机理分析与仿真[J].电力自动化设ZhaoCaihong,TianLijun,ZouGuibin,eta.lMechanismanalysisandsimulationofFCLpsinfluenceonpowersystem[J].
ElectricPowerAutomaionEquipment,2001,
21
(2):1417.
[8]郝志杰,江道灼,蔡永华.新型固态故障限流器对电
GuXueping,YangZhilong.Influenceanalysisoftrans-ientstabilityforsuperconductingfaultcurrentlimiteronpowersystem[J].JournalofHunanUniversityofTech-nology,2007,21(4):2228.
[11]韩祯祥.电力系统稳定[M].北京:中国电力出版
社,1995.
InfluencesonReactance-typeSuperconductingFault
CurrentLimiteronPowerSystemTransientStabilitywith
TwoMachineSystem
YangZhilong,LiAihua
1
2
(1.HebeiHandanPowerSupplyCompany,Handan056053,China;2.OrdanceEngineeringCollege,Shijiazhuang050003,China)
Abstract:TransientstabilityoftwomachinesystemswithSuperconductingfaultcurrentlimiter(SFCL)isanalyzedunderthree-phasecircuits.TheSFCLisconsideredtointroduceareactanceintothethree-phasecircuitswhenfaultsoccur.Basedonthepower-anglecurvesforthree-phasecircuits,theinfluencesoftheReactance-TypeSFCLtotransientstabilityisanalyzedindetails.Thetime-domainsimulationoftransientstabilityiscarriedouttoverifytheanalyticalresults.
Keywords:superconductingfaultcurrentlimiter;
transientstability;
powerangle;
powersystems
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