基于靈敏度分析的孤立電網(wǎng)頻率控制方法

吳云亮，肖崢，廖思陽(yáng)

(1.中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東廣州510000；2.武漢供電設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢430000；3.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430000)

基于靈敏度分析的孤立電網(wǎng)頻率控制方法

吳云亮1，肖崢2，廖思陽(yáng)3

(1.中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東廣州510000；2.武漢供電設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢430000；3.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430000)

利用實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)對(duì)某地區(qū)含高耗能電解鋁負(fù)荷的孤立電網(wǎng)進(jìn)行仿真研究，分析不同運(yùn)行方式下系統(tǒng)的安穩(wěn)控制策略，指出在極端情況下安穩(wěn)控制策略動(dòng)作后系統(tǒng)仍會(huì)存在不平衡功率，提出一種基于電壓靈敏度分析的孤立電網(wǎng)頻率控制方法，仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制方法的有效性。

電壓靈敏度；不平衡功率；孤立電網(wǎng)；頻率控制

我國(guó)幅員遼闊，負(fù)荷中心和能源中心呈現(xiàn)明顯的逆向分布特點(diǎn)。其中絕大部分能源集中在西部地區(qū)，而負(fù)荷中心主要在長(zhǎng)三角，珠三角和京津唐地區(qū)，這種能源和負(fù)荷中心逆向分布的特點(diǎn)導(dǎo)致能源不能高效利用，目前主要通過特高壓和超高壓遠(yuǎn)距離輸電解決這一問題，但實(shí)際上將負(fù)荷建立在能源中心同樣可以緩解這一問題。

文中研究的孤立電網(wǎng)不同于傳統(tǒng)意義上的孤立電網(wǎng)，是一個(gè)含大規(guī)模可再生能源的容量在百兆瓦級(jí)以上的企業(yè)級(jí)孤島型電網(wǎng)。該孤立電網(wǎng)全年運(yùn)行在孤島模式下，與大電網(wǎng)沒有電氣聯(lián)系。由于沒有大電網(wǎng)提供穩(wěn)定支撐，孤立電網(wǎng)系統(tǒng)本身的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，一旦發(fā)生功率擾動(dòng)或者發(fā)生故障安穩(wěn)裝置動(dòng)作后系統(tǒng)可能存在大量不平衡功率，如果系統(tǒng)的備用容量小于不平衡功率，那么孤立電網(wǎng)系統(tǒng)將不能穩(wěn)定運(yùn)行，甚至可能發(fā)生系統(tǒng)崩潰。

文中利用RTDS實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)對(duì)一個(gè)含1 800 MW火電、800 MW風(fēng)電和1 400 MW電解鋁負(fù)荷的孤立電網(wǎng)進(jìn)行仿真研究，分析孤立電網(wǎng)系統(tǒng)在不同運(yùn)行方式下的安穩(wěn)控制策略，指出在極端情況下安穩(wěn)控制策略動(dòng)作后系統(tǒng)存在不平衡功率，并提出一種基于電壓靈敏度分析的孤立電網(wǎng)頻率控制方法。

1 靈敏度分析方法

1.1 靈敏度的定義

靈敏度表示所要研究網(wǎng)絡(luò)中的因變量對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的自變量的敏感程度，一般指在線性時(shí)不變的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)函數(shù)T對(duì)網(wǎng)絡(luò)中元器件參數(shù)X的敏感程度，用符號(hào)來表示，定義式〔1〕如下:

靈敏度數(shù)值的大小反映了網(wǎng)絡(luò)函數(shù)受參數(shù)變量影響的大小，靈敏度值越大，網(wǎng)絡(luò)函數(shù)受參數(shù)變量的影響越大，靈敏度值越小，網(wǎng)絡(luò)函數(shù)受參數(shù)變量的影響越小。

靈敏度分析方法是一種重要的電力系統(tǒng)分析方法，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個(gè)方面，主要用來研究電力系統(tǒng)的可控變量和狀態(tài)變量之間的關(guān)系，獲得因變量對(duì)自變量敏感度大小〔1－6〕。根據(jù)相應(yīng)的靈敏度指標(biāo)結(jié)果，可以為自變量的輸入提供指導(dǎo)，進(jìn)而能夠控制因變量得到想要的輸出結(jié)果，根據(jù)計(jì)算所得的靈敏度指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)采取相應(yīng)的控制策略可以顯著的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)〔6〕。

1.2 靈敏度矩陣的定義

靈敏度矩陣是在電力系統(tǒng)潮流方程的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的，并不是系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)靈敏度的簡(jiǎn)單組合，是雅克比矩陣的改進(jìn)和變形。靈敏度矩陣的性質(zhì)可以用來研究電力系統(tǒng)領(lǐng)域的許多實(shí)際問題〔6〕。通常，電力系統(tǒng)的潮流方程可以簡(jiǎn)單地表示為:

式中 x是狀態(tài)變量，u是控制變量，對(duì)式 (2)進(jìn)行全微分可得:

式 (3)為系統(tǒng)靈敏度方程的基本表達(dá)式，式中的矩陣?f/?x和?f/?u稱為雅克比矩陣，當(dāng)?f/?x非奇異時(shí)，狀態(tài)變量偏差和控制變量偏差的線性關(guān)系式為:

1.3 電壓靈敏度分析的數(shù)學(xué)模型

電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行中，在較小的時(shí)間尺度上，各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓幅值變化是成比例的〔7－9〕，即:

式 (5)中，S為系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的集合，aij為ΔUi與ΔUj的靈敏度關(guān)系，其定義式如下:

系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電氣距離大小可以反映節(jié)點(diǎn)之間的電氣聯(lián)系的強(qiáng)弱。當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間開路時(shí)，電氣距離為無窮遠(yuǎn)，當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)短路時(shí)，電氣距離為0。節(jié)點(diǎn)之間的電氣距離可以表示為:

2 極端情況下的安穩(wěn)控制策略及不平衡功率分析

文中的孤立電網(wǎng)與傳統(tǒng)大電網(wǎng)和微電網(wǎng)有很大的不同，微小的擾動(dòng)產(chǎn)生的不平衡功率可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此需要提前制定相應(yīng)的安穩(wěn)控制策略表。下面分析400 MW風(fēng)電接入情況下 (不考慮風(fēng)功率波動(dòng))系統(tǒng)N－1，N－2故障的安穩(wěn)控制策略及產(chǎn)生的不平衡功率。

2.1 N－1故障不平衡功率分析

系統(tǒng)N－1故障后的安穩(wěn)控制策略及不平衡功率如表1所示。根據(jù)表1可知，安穩(wěn)控制策略動(dòng)作后系統(tǒng)仍然存在不平衡功率，N－1故障后系統(tǒng)最大的功率缺額為150 MW，最小的功率缺額為－30 MW，因此最大不平衡功率為150 MW。

表1 系統(tǒng)N－1故障后的安穩(wěn)控制策略及不平衡功率

2.2 考慮安穩(wěn)控制策略的N－2故障不平衡功率分析

系統(tǒng)N－2故障后的安穩(wěn)控制策略及不平衡功率如表2所示。

表2 孤立電網(wǎng)N－2故障后的安穩(wěn)控制策略及產(chǎn)生的不平衡功率

圖1 系統(tǒng)的頻率變化曲線

圖2 系統(tǒng)的電壓變化曲線

從圖1和圖2可以看出系統(tǒng)頻率崩潰過程中，系統(tǒng)電壓還能維持一段時(shí)間。因此系統(tǒng)出現(xiàn)不平衡功率的情況下首先考慮頻率穩(wěn)定控制。

3 基于電壓靈敏度分析的孤立電網(wǎng)頻率控制方法研究

根據(jù)表2知，N－2故障后系統(tǒng)最大的功率缺額為80 MW，最小的功率缺額為－130 MW，由于只考慮功率缺額為正值的情況，因此安穩(wěn)控制策略后的N－2故障后的系統(tǒng)最大不平衡功率為80 MW。

2.3 極端情況下的不平衡功率的仿真分析

正常運(yùn)行情況下，當(dāng)火電機(jī)組出現(xiàn)故障停運(yùn)后安穩(wěn)控制策略動(dòng)作的瞬間最大不平衡功率為150 MW，如果此時(shí)系統(tǒng)還有備用容量，那么孤立電網(wǎng)系統(tǒng)最終能夠恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。但是考慮特殊情況下，比如說有火電機(jī)組檢修或者風(fēng)電場(chǎng)輸出風(fēng)功率突減，再發(fā)生火電機(jī)組故障停運(yùn)的話，此時(shí)產(chǎn)生的不平衡功率由于剩余所有火電機(jī)組可能都達(dá)到其機(jī)械功率輸出極限，不能夠參與一次調(diào)頻，系統(tǒng)將發(fā)生崩潰事故，仿真結(jié)果如圖1和圖2所示。

3.1 不平衡功率的計(jì)算方法及分配方案

文中的孤立電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模較小，在系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)同步相角測(cè)量單元 (PMU)裝置，可以建成廣域測(cè)量系統(tǒng) (WAMS)。PMU可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)同步相角和系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)高速采集，采集的數(shù)據(jù)通過PMU和快速通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絎AMS主站，從而能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的正常運(yùn)行情況和事故擾動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)算分析，并且能夠及時(shí)掌握和獲得電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程〔10－11〕。通過PMU可以實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)的功率擾動(dòng)大小和系統(tǒng)的有功調(diào)節(jié)容量，計(jì)算單元計(jì)算二者差值可得到系統(tǒng)的不平衡功率。

當(dāng)系統(tǒng)的不平衡功率為正，即系統(tǒng)存在功率缺額的時(shí)候，系統(tǒng)的頻率可能瞬間崩潰，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。鑒于孤立電網(wǎng)系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)能力較弱，考慮電解鋁負(fù)荷具有一定的電壓調(diào)節(jié)特性，因此系統(tǒng)通過降低電解鋁負(fù)荷的電壓來降低系統(tǒng)消耗的無功功率。在系統(tǒng)的不平衡功率ΔP已計(jì)算出來的情況下，可以按照三期電解鋁負(fù)荷的權(quán)重計(jì)算每期電解鋁負(fù)荷需要分別降低多少負(fù)荷，具體計(jì)算方案為，假設(shè)每期電解鋁負(fù)荷消耗的有功功率為Pi(i＝1，2，3)需要降低的每期電解鋁負(fù)荷的負(fù)荷權(quán)重為Ci，則每期電解鋁負(fù)荷需要降低的有功功率ΔPi(i＝1，2，3)為

式中 C1＋C2＋C3＝1。

3.2 電解鋁負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓的調(diào)整方法

研究電解鋁負(fù)荷特性時(shí)，只考慮了整流負(fù)荷，4%的動(dòng)力負(fù)荷忽略不計(jì)，根據(jù)IEEE負(fù)荷建模工作組推薦的參數(shù)〔12〕，整流負(fù)荷的冪函數(shù)形式的負(fù)荷特性關(guān)系式如下:

3.3 基于電壓靈敏度的發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電壓的調(diào)整方法

電壓靈敏度分析方法在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用一般采取離線決策、在線匹配的原則，即在某種穩(wěn)定運(yùn)行方式下可以計(jì)算出孤立電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓的靈敏度矩陣和電氣距離矩陣。當(dāng)出現(xiàn)事故后，可以根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，查找最接近的運(yùn)行方式的電壓靈敏度矩陣和電氣距離矩陣作為控制方案的依據(jù)。利用計(jì)算出的孤立電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓靈敏度矩陣和電解鋁負(fù)荷的電壓調(diào)整量可以計(jì)算出發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的電壓調(diào)整量。需要說明的是，系統(tǒng)在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，其靈敏度參數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。對(duì)于文中的孤立電網(wǎng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化有限，因此可以在離線方式下對(duì)有限拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靈敏度矩陣進(jìn)行計(jì)算，然后再在實(shí)際運(yùn)行中予以匹配。

根據(jù)廣域測(cè)量系統(tǒng)WAMS檢測(cè)到的不平衡功率可以計(jì)算出三期電解鋁負(fù)荷分別需要降低的電壓ΔULi(i＝1，2，3)，即三期電解鋁負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓變化量 ΔUL1，ΔUL2，ΔUL3為已知量，利用系統(tǒng)的電壓靈敏度矩陣可以計(jì)算出發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的電壓變化量，如式 (11)所示，其中aij為節(jié)點(diǎn)i的電壓變化量對(duì)節(jié)點(diǎn)j的電壓變化量的靈敏度值。

通過式 (9)可以得知電解鋁負(fù)荷具有較強(qiáng)的電壓調(diào)節(jié)特性，具有負(fù)的頻率調(diào)節(jié)特性，但是調(diào)節(jié)能力較弱，忽略不計(jì)。

假設(shè)電解鋁負(fù)荷母線的初始電壓為ULi，電解鋁負(fù)荷母線需要降低的電壓為ΔULi(i＝1，2，3)，電解鋁負(fù)荷調(diào)整前的負(fù)荷大小為P0，電壓為U0，調(diào)整后的負(fù)荷大小為P，電壓為U，那么電解鋁負(fù)荷節(jié)點(diǎn)需要調(diào)整的電壓為:

4 仿真研究

不考慮風(fēng)電場(chǎng)接入孤立電網(wǎng)的運(yùn)行方式下，風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率為0，8臺(tái)火電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行，在此種運(yùn)行方式下系統(tǒng)的總有功功率為1 800 MW，系統(tǒng)備用容量為135 MW。假設(shè)4.0 s發(fā)生一個(gè)發(fā)電機(jī)切機(jī)事故，切除額定功率為300 MW的6號(hào)火電機(jī)組，6號(hào)火電機(jī)組事故前有功出力為278 MW，事故后系統(tǒng)損失了278 MW有功功率，與此同時(shí)，系統(tǒng)的備用容量也損失了22 MW，此時(shí)孤立電網(wǎng)系統(tǒng)的不平衡功率為165 MW，系統(tǒng)備用不足，出現(xiàn)頻率崩潰和電壓崩潰事故，考慮事故后0.1 s加入基于靈敏度的控制方法，下面進(jìn)行控制方法有效性的仿真驗(yàn)證:

1)利用電壓靈敏度計(jì)算方法計(jì)算出此種運(yùn)行工況下的系統(tǒng)的靈敏度矩陣，其中鋁廠一期負(fù)荷母線電壓對(duì)1號(hào)火電機(jī)組機(jī)端電壓的電壓靈敏度計(jì)算結(jié)果為1.137，對(duì)2號(hào)火電機(jī)組機(jī)端電壓的電壓靈敏度計(jì)算結(jié)果為1.137，對(duì)3號(hào)火電機(jī)組機(jī)端電壓的電壓靈敏度計(jì)算結(jié)果為1.089 7；鋁廠二期負(fù)荷母線電壓對(duì)4號(hào)火電機(jī)組機(jī)端電壓的電壓靈敏度計(jì)算結(jié)果為1.128，對(duì)5號(hào)火電機(jī)組機(jī)端電壓的電壓靈敏度計(jì)算結(jié)果為1.070 2，對(duì)6號(hào)火電機(jī)組機(jī)端電壓的電壓靈敏度計(jì)算結(jié)果為1.070 2；鋁廠三期負(fù)荷母線電壓對(duì)7號(hào)火電機(jī)組機(jī)端電壓的電壓靈敏度計(jì)算結(jié)果為1.063 9，對(duì)8號(hào)火電機(jī)組機(jī)端電壓的電壓靈敏度計(jì)算結(jié)果為1.063 9。

2)計(jì)算出當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)165 MW不平衡功率時(shí)，三期電解鋁廠需要降低的有功負(fù)荷及三期電解鋁廠的負(fù)荷母線電壓調(diào)整值。根據(jù)3.1節(jié)和3.2節(jié)的計(jì)算方法，得到三期電解鋁廠需要降低的有功負(fù)荷和電解鋁負(fù)荷母線電壓調(diào)整量，結(jié)果見表3。

表3 鋁廠負(fù)荷調(diào)整量和電壓調(diào)整量

3)計(jì)算出發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的電壓調(diào)整量，根據(jù)3.3節(jié)的計(jì)算方法和步驟1計(jì)算出的靈敏度矩陣及步驟2計(jì)算出的電解鋁負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)整量，得到火電機(jī)組的機(jī)端電壓調(diào)整量，結(jié)果見表4。

表4 火電機(jī)組的機(jī)端電壓調(diào)整量

4)對(duì)比未采取控制和采取文中所提方法后孤立電網(wǎng)系統(tǒng)的響應(yīng)，驗(yàn)證控制方法的有效性。圖1和圖2是未采取控制措施時(shí)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和電壓響應(yīng)曲線。采用控制方法后系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和電壓響應(yīng)如圖3和圖4所示。

圖3 系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線

圖4 系統(tǒng)的電壓響應(yīng)曲線

未采取控制措施時(shí)，4.0 s系統(tǒng)發(fā)生切除300 MW火電機(jī)組事故后，系統(tǒng)的備用不足，僅為135 MW，存在165 MW的不平衡功率，未采取任何控制措施時(shí)系統(tǒng)的頻率和電壓迅速崩潰。采取基于靈敏度分析的控制方法后，孤立電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率和電壓都能恢復(fù)到正常的運(yùn)行范圍內(nèi)，其中系統(tǒng)的頻率降低到49.815 Hz，降低了0.185 Hz，三期電解鋁負(fù)荷的電壓標(biāo)幺值分別降低了 0.068，0.07和0.065 4。

5 結(jié)論

采取基于電壓靈敏度分析的控制方法可以有效的消除系統(tǒng)的不平衡功率，有利于維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的孤立電網(wǎng)具有較普遍的適用價(jià)值。

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Frequency control method of isolated grids based on sensitivity analysis

WU Yunliang1，XIAO Zheng2，LIAO Siyang3
(1.China Southern Power Grid Power Operation and Control Center，Guangzhou 510000，China；2.Wuhan Electric Power Design Institute，Wuhan 430000，China；3.Wuhan University，Wuhan 430000，China)

Based on the actual isolated power grid with high energy consumption load in a certain area，the simulation studies are conducted in the real-time digital simulation platform.The security and stability control strategy is analyzed under different operation mode.The analysis results point out that power imbalance still exists in the isolated power system after the security and stability control device acts successfully under the extreme conditions.A control method to eliminate the power imbalance based on the voltage sensitivity analysis is proposed.The simulation results verify the effectiveness of the proposed control method.

voltage sensitivity；unbalanced power；isolated grids；frequency control

TM732

A

1008－0198(2016)06－0013－05

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.004

吳云亮(1984)，男，湖北丹江口人，工學(xué)博士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制。

2016－09－26 改回日期:2016－10－13