大區域聯網條件下山東電網低頻振蕩分析

董 霜，朱子釗，牛遠方

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

1 山東電網規劃概況

山東省是一個水資源匱乏、煤炭供不應求、環保空間有限、土地相對偏少的省份，資源條件成為制約山東省電源發展的重要因素。山東省煤炭資源探明地質儲量331億t，約占全國的3%，人均儲量不足全國平均水平的一半。山東省的資源和自然條件決定了在今后相當長的一個時期內，以煤電為主的能源格局不會改變。這就對山東轉變電力發展方式提出了迫切要求，積極接納省外電力將成為今后山東電力發展的戰略選擇。

2010年，山東電網通過兩個500kV雙回線路(辛安-聊城雙回線路和黃驊-濱州雙回線路)與華北電網聯網，寧東－山東±660kV直流輸電工程單極投運，全年共接納省外來電207.6億kWh，同比增長195%，山東電網接納華北來電最高負荷3500MW，11～12月份寧夏來電最高負荷2000MW。2011年建成寧東－山東±660kV直流輸電工程雙極投運后，將山東接受省外電能力提高到7500MW；根據國家特高壓電網建設和電源基地開發情況，2012年山東電網建成濟南和濰坊2個特高壓交流工程， 屆時，山東電網將通過交流特高壓與華北、華中和華東實現直接同步聯網。電網互聯帶來了可觀的經濟效益，促進了電力工業進一步發展。但如此龐大的電網形成以后，也將使弱阻尼甚至負阻尼低頻振蕩問題更加突出，原來網架結構薄弱的小干擾穩定問題也將日趨嚴重。在這一形勢下，開展山東電網與交流特高壓聯網后低頻振蕩的研究，發現系統運行中可能存在的安全穩定問題并提出相應的應對方案，對于提高山東電網的規劃和運行水平、保證山東電網的健康發展具有重要意義。

2 低頻振蕩的分析方法

分析低頻振蕩問題，在理論上有成熟的線性化特征分析法，但系統大了以后(超過1000節)計算系統特征根就成為特征分析方法應用的最大瓶頸。對狀態變量為幾萬以上的大區域聯網系統，即使要僅求出為數不多的系統弱阻尼低頻振蕩模式、區域間低頻振蕩模式也是相當困難的事。文獻[1-3]采用對系統進行降階簡化的方法，完成了對規劃中的大區域聯網系統的小干擾穩定分析；文獻[4]采用追蹤聯網前系統主要低頻振蕩模式的方法，研究了山東電網低頻振蕩問題；文獻[5]在2階經典模型的基礎上求出了大區域互聯系統的主導低頻振蕩模式；文獻[6]在保持系統潮流不變、網架結構不變、發電機總數不變的基礎上采用特殊方法求出了與四川電網相關的系統主導低頻振蕩模式。本文采用中國電力科學研究院PSD-SSAP電力系統小干擾穩定性分析程序進行山東電網小干擾穩定計算和分析。該分析程序采用了QR算法和能夠利用稀疏矩陣特性的隱式重啟動Arnoldi算法。其中：QR算法只能適合于中小規模電力系統的小干擾穩定性分析，而隱式重啟動Arnoldi算法適合大規模電力系統的小干擾穩定性分析。由于計算的網絡方式為全國聯網，發電機數量眾多，計算數據中的狀態變量位數大大超過QR算法要求系統維數的限制，所以采用Arnoldi算法來進行山東電網小干擾穩定分析。

電力系統小擾動穩定性相當于一般動力學系統在Lyaponov意義下的漸進穩定性。通過計算線性化系統狀態矩陣的特征值、左右特征向量以及阻尼比、機電回路相關比、參與因子和特征值對參數的靈敏度等，從而分析判斷系統在小擾動下的行為特征。參與因子反映了系統中各機組對同一振蕩模式的參與程度。參與因子大，相關程度就強。在系統小干擾穩定研究中，參與因子常常用來確定PSS的配置地點，在參與因子大的電廠的發電機組配置PSS，一般可以得到良好的效果。特征向量的模值反映了系統中各機組對同一振蕩模式的影響程度，表現為振蕩的強弱程度。特征向量的相位反映了系統中各機組對同一振蕩模式的同調程度。

在大型電力系統中，小擾動穩定性問題實質分為局部振蕩模式和全局振蕩模式：局部振蕩模式的頻率范圍一般在0.7～2.5Hz之間；全局振蕩模式或區域振蕩模式頻率范圍一般在0.1～0.7Hz，地區局部振蕩模式又可有單機對系統的振蕩和少數幾臺機組(或機群)間的振蕩。

3 山東電網小干擾穩定分析

3.1 小干擾分析邊界條件

計算采用的軟件為電力科學研究院PSD—SSAP“小干擾穩定性分析程序”(2.2版)。發電機組模型采用詳細模型；已完成PSS參數測試機組加入PSS模型；考慮山東電網大容量機組均配置了PSS，未投產機組采用典型參數；負荷模型為華北、山東、東北電網采用恒阻抗負荷模型；華中(含四川、重慶)和華東電網采用60%恒功率+40%恒阻抗的靜態電壓負荷模型。計算數據采用規劃的大區聯網數據，聯網方式為2012年全國聯網方式，電網振蕩模式計算采用完全全國聯網規模，所有區外電網采用詳細的電網模型與參數。分析與山東電網相關的振蕩模式、模態圖和相關因子。

3.2 山東電網內部振蕩模式

該模式特征根為-0.2710+j9.8757，頻率：1.5718HZ，阻尼比：0.0274，特征向量見表1(僅列出參與因子最大的前十臺機組)。該振蕩模式為山東電網內部的局部廠站模式，表現為太陽紙業電廠、科澳廠、里彥廠對山東西南部電網的振蕩模式，為弱阻尼模式，會對電網穩定造成一定影響，應該在主要相關電廠，如太陽紙業電廠、里彥電廠、科澳電廠加裝PSS裝置。

圖1 山東電網內部振蕩模式模態圖

表1 山東電網內部振蕩模式特征向量

3.3 山東電網—華北電網振蕩模式

該模式特征根為-0.5886+j4.0751，頻率：0.6486；阻尼比：0.1358，屬于強阻尼振蕩模式。2012年山東電網通過辛安—聊城，濱州—黃驊500kV聯絡線與華北電網相連，由于多數大容量機組均考慮了PSS的配置，因此該振蕩模式阻尼較高。相關因子大于0.15的機組共有35臺，見圖2和表2。

圖2 山東-華北低頻振蕩的模態圖

表2 山東-華北低頻振蕩模式的強相關機組

續表2

3.4 其它與山東省內發電機相關的振蕩模式

由于電網互聯，華北電網等發生低頻振蕩時，相關機組也包含山東省內發電機。表3列出了與山東省內發電機相關的弱阻尼(阻尼比小于0.0(3)振蕩模式。

表3 與山東省內發電機相關的弱阻尼振蕩模式

經過分析，上述弱阻尼振蕩模式相關發電廠均包含聊城地區的華宇熱電廠、茌平電廠、信源電廠以及希望電廠，這四個發電廠的發電機組均沒有安裝PSS裝置，建議合理配置PSS。

4 結論

通過以上對山東2012年規劃電網進行小擾動安全穩定分析可以得到以下結論：由于山東大容量機組大部分考慮了PSS的配置，2012年山東電網與華北電網之間的區域振蕩模式阻尼特性較好，阻尼比為0.1358；山東電網內部局部振蕩模式為弱阻尼模式，阻尼比低于0.03，建議在強相關發電廠機組加裝PSS裝置。

小擾動振蕩模式阻尼特性與網架結構、實時潮流大小、負荷水平、開機狀況、設備檢修的情況有關，除正常方式外，對每個特定的運行方式，可能存在特有的振蕩模式，其它運行方式的振蕩模式，需要在以后的工作中進一步研究。

[1]朱方，趙紅光.大區電網互聯對電力系統動態穩定性的影響[J].中國電機工程學報，2007，27(1).

[2]湯涌，等.華北-東北聯網工程系統調整試驗[J].電網技術，2001，25(11).

[3]朱方，等.我國交流互聯電網動態穩定性的研究及解決策略[J].電網技術，2004，28(15).

[4]王洪濤，等.電網互聯對山東電網內部低頻振蕩模式的影響[J].中國電力，2004，37(6).

[5]黃瑩，徐政，盤武略.基于PSS/E的華東電網低頻振蕩分析方法[J].電網技術，2005，29(23).

[6]鄧集祥，等.大區域聯網條件下四川電網低頻振蕩分析[J].電網技術，2008，32(17).