海洋平臺微電網電壓穩定性評估*

張安安 黃維維 杜振華 李紅偉 吳華兵

(1. 西南石油大學電氣信息學院 四川成都 610500； 2. 中海油節能環保服務有限公司 天津 300457)

海洋平臺微電網電壓穩定性評估*

張安安1黃維維1杜振華2李紅偉1吳華兵1

(1. 西南石油大學電氣信息學院 四川成都 610500； 2. 中海油節能環保服務有限公司 天津 300457)

針對海洋平臺微電網的特點，設計了海洋平臺微電網電壓穩定性評估方案，對海洋平臺微電網電壓穩定性問題進行了分析研究。以渤海地區某海洋平臺微電網為例，綜合應用特征值法和L指標法識別出了海洋平臺微電網的電壓薄弱節點，進而對系統的電壓薄弱節點進行了靜態電壓穩定裕度的評估，分析了該系統的電壓運行水平；最后根據該平臺微電網搭建仿真模型，在考慮典型故障場景下進行了暫態電壓穩定性分析，比較其時域仿真結果與靜態評估結果，驗證了方案的有效性。本文研究可為有效監測海洋平臺微電網電壓運行情況，提高電壓的運行質量等方面提供一定的借鑒意義。

海洋平臺；微電網；電壓穩定性；L指標法；特征值法；PV曲線法；QV曲線法

海洋平臺微電網[1]作為海上工作平臺的主要供電系統，其供電的穩定性直接關系到海上大型設備的正常運轉乃至整個海洋平臺的正常運行[2-3]。海洋平臺微電網除了一般陸地微電網所具有的供電靈活、能源利用率高、傳輸費用低和系統線損小等特點[4-5]外，還因處于海洋這一特殊的環境而具有自身的特殊性：系統容量相對有限，一般由容量相同的幾臺燃氣輪機機組并聯運行供電；負載工況的變化比較劇烈，大型負載的啟動會對電網造成很大沖擊；系統傳輸線為長距離海底電纜，其電容效應較大，對電網影響明顯；系統的工作環境復雜惡劣，對電氣設備的性能造成嚴重影響，系統維護成本很高；系統主要使用燃氣輪機作為分布式電源，不是傳統意義的無污染能源等[6-7]因此，海洋平臺微電網電壓穩定性問題較為突出[8]。

目前國內外學者研究重點多在陸地微電網上，雖有部分學者正在研究海上風電的并網運行情況，但對海洋平臺微電網的關注還比較少。本文研究正是基于海洋平臺微電網的特殊性，提出了一套針對海洋平臺微電網電壓穩定性分析的具體方案，主要分為靜態和暫態2個部分：首先在對電容效應較大的長距離海底電纜進行參數等值計算的基礎上編寫潮流算例，對渤海地區某實際海洋平臺微電網的靜態電壓穩定性進行評估；再考慮燃氣輪機機組并聯運行情況，結合該電網的實際情況在PSCAD/EMTDC軟件中搭建仿真模型進行暫態電壓穩定性分析。本文研究可為有效監測海洋平臺微電網電壓運行情況，提高電壓的運行質量等方面提供一定借鑒意義。

1 評估方案設計

1.1 渤海地區某海洋平臺微電網概況

根據我國渤海某海洋平臺微電網建立仿真模型(圖1)，按照各部分結構和功能的不同，可劃分為11個平臺(P1～P11，其中P11平臺包括7個井口平臺和1個脫水平臺，這里作為一個負荷平臺)。該模型共包含25個母線節點，其中節點22～25為發電機節點，其余均為負荷節點。

1.2 評估方案設計

本文設計的海洋平臺微電網電壓穩定性評估方案分為靜態和暫態2個部分，其中靜態部分又分為系統電壓薄弱節點的識別和電壓穩定裕度評估2個部分。由于使用靜態方法不能實時跟蹤系統的運行情況，在靠近電壓穩定臨界點處可能會出現不穩定解，并考慮到靜態電壓穩定性指標不一定適用于海洋平臺微電網，因此選用3種方法進行對比分析。特征值法是基于潮流法中的雅克比矩陣式，當計算出的負荷節點的最小特征值λ大于0時系統穩定，等于0時系統電壓臨界穩定，小于0時系統處于電壓崩潰狀態[9-10]；L指標法也是基于潮流算法中的某些基本參量，根據負荷節點計算出的L值小于1時系統電壓穩定，等于1時系統電壓臨界穩定，大于1時系統電壓崩潰[11-13]。應用上述2種方法得到系統的電壓薄弱節點，然后對薄弱節點進行加載再重復計算負荷節點的特征值和L值，直到系統電壓崩潰，繪制出系統最小特征值曲線和L值曲線圖，找到系統的電壓穩定裕度所對應的薄弱節點的負載最大值。最后利用PV曲線法和QV曲線法對薄弱節點的電壓穩定裕度進行評估比較[14]，對特征值法和L指標法評估結果進行檢驗,通過時域仿真驗證母線的電壓變化情況，并針對系統的代表性故障進行分析。本文設計的海洋平臺微電網電壓穩定性評估方案流程如圖2所示。

圖1 渤海地區某海洋平臺微電網模型

在對微電網進行潮流計算時，涉及到輸電線路的電阻、電感、電容等參數，因為海洋平臺微電網的輸電過程是采用長距離海底電纜進行，其電容效應較大，與陸地電網輸電電纜有很大區別，不能簡單根據一般輸電線進行等值計算，計算時需要根據海底電纜實際情況分別給出各條海底電纜參數[15]，因此在編寫潮流算例時應根據長距離海底電纜的特性選擇相應的電纜參數，并在搭建仿真模型中使用該電纜參數。

圖2 本文設計的海洋平臺微電網電壓穩定性評估方案流程

2 仿真分析

2.1 靜態電壓穩定性分析

在圖1所示的海洋平臺微電網模型中，計算出系統潮流以及縮減型系統雅克比矩陣后，可得到系統中各負荷節點的特征值，如表1所示。從表1可以看出，負荷節點14的特征值最小，因此可判定節點14為該系統的電壓薄弱節點。

當節點14的負載逐漸增大時，該節點的特征值的變化情況如圖3所示。當節點14的負載增大至額定負載的5.2倍，即有功功率和無功功率分別約為9.6 MW和7.2 Mvar時，該節點的特征值發生跳變，表明系統已達電壓崩潰點。

表1 渤海地區某海洋平臺微電網負荷節點的特征值

圖3 渤海地區某海洋平臺微電網節點14處特征值曲線

同理，根據得到的系統潮流，計算出圖1所示的海洋平臺微電網中各負荷節點的L指標值，如表2所示。從表2可以看出，節點14的L指標值最大，因此可判定節點14為系統中電壓薄弱節點，這與上述最小特征值法的分析結果一致。

表2 渤海地區某海洋平臺微電網負荷節點的L指標值

當節點14的負荷增加時，該節點處L值的變化情況如圖4所示。當節點14的負載增大至5.25倍額定負載，即有功功率和無功功率分別約為9.6 MW和7.2 Mvar時，該節點的L指標值接近1，表明系統電壓臨界崩潰。

圖4 渤海地區某海洋平臺微電網節點14 處L指標值曲線

根據L指標法和特征值法可判定圖1所示微電網中節點14為系統的電壓薄弱節點，因此，增加薄弱節點處的負載，并計算相應電壓值，繪制出圖5所示的PV曲線和QV曲線，其中綠色點和紅色點分別表示節點14電壓運行點和電壓臨界崩潰點，紅色雙箭頭所示的距離即為電壓穩定裕度，黑色虛線所示的距離為該算例系統的薄弱節點電壓可運行范圍。

圖5 渤海地區某海洋平臺微電網節點14處PV和QV曲線

根據圖5，節點14負載分別約為9.6 MW(有功功率)和7.2 Mvar(無功功率)，若負載再進一步增加則會引起整個系統電壓崩潰，這與前面的特征值法和L指標法電壓穩定裕度的評估結果一致，此時該節點電壓已降至約0.57 pu。

比較前面3種靜態電壓穩定性分析方法，認為L指標法在對海洋平臺微電網電壓穩定評估中更穩定、簡單、有效，不會出現特征值法對薄弱節點識別不明和PV曲線、QV曲線法工作量大的情況。

2.2 暫態電壓穩定性時域仿真分析

2.2.1 薄弱節點加載仿真驗證

從圖5所示的節點14處PV曲線和QV曲線可以看出：當負荷節點處負載低于最大限制值有功功率9.6 MW、無功功率7.2 Mvar時，測試系統可保持穩定狀態；當節點負荷超過這個限制值后，則會引起整個系統的電壓崩潰。使用PSCAD軟件對算例海洋平臺微電網模型進行模擬，將其中薄弱節點14的負載逐漸增大到最大限制值，得到該節點的電壓變化情況，如圖6所示。

圖6 渤海地區某海洋平臺微電網節點14處電壓隨負載變化

從圖6可以看出，當節點14處負載增大時，它的運行電壓逐漸下降，當負載增大至5倍實際系統自帶負載比例時，電壓已經下降到臨界穩定值0.57 pu，這與前面靜態電壓分析結果基本一致。

2.2.2 負載的接入、切除對暫態電壓穩定性的影響

以系統薄弱節點14為研究對象，在第5 s時分別模擬其接入負載、切除負載以及負載故障切除后再過10 s重新接入的情況，以探究系統的電壓穩定特性，仿真結果如圖7所示。 從圖7a、b可以看出，節點14在接入負載或切除負載時，其電壓能迅速恢復穩定，系統能在較短時間內達到穩定狀態，但2個穩定狀態間的電壓值變化較大；從圖7c可以看出，當節點14的負載發生故障并被切除后，若能盡快清除故障并接入負載，則對系統電壓穩定性的影響較小，這說明海洋平臺上主要負載發生故障后，若能快速恢復故障，則對系統電壓穩定性沒有太大影響。

圖7 渤海地區某海洋平臺微電網薄弱節點14負載啟動、切除、切除再次接入時電壓的變化情況

2.2.3 發電機故障對暫態電壓穩定性的影響

模擬P3平臺上某臺發電機故障，以研究發電機故障對系統電壓穩定性的影響，仿真結果如圖8所示。從圖8a可以看出，當P3平臺上某發電機發生故障后，系統薄弱節點14的電壓不斷下降；從圖8b可以看出，若發電機故障后能及時接入平臺上的備用發電機，可使系統薄弱節點14的電壓快速恢復穩定。

圖8 渤海地區某海洋平臺微電網平臺P3上某發電機故障對系統電壓穩定性的影響

2.2.4 平臺線路故障對暫態電壓穩定性的影響

當系統發電平臺P3(容量43.5 MW，32.6 Mvar)發生短路故障或海底電纜短路時，系統薄弱節點14的電壓變化情況如圖9所示。從圖9a可以看出，發電平臺P3發生短路故障時，節點14的電壓不斷下降，經過較長時間后重新到達穩定狀態，但此時該節點電壓較低，對系統電壓穩定性影響較大。在這種故障情況下，考慮15 s后快速切除故障或讓該平臺退出微電網，其電壓變化情況如圖9b、c所示。從圖9b、c中可以看出，快速切除故障或讓故障平臺退出微電網都能使薄弱節點14的電壓快速恢復到新的穩定狀態，但后者在30 s時由于系統發電容量不能支撐系統恢復到原來的平衡狀態而產生電壓下降突變，對系統電壓穩定性產生較大影響。因此，如果發電平臺故障比較復雜，且不能在短時間解決，那么解列部分平臺也能夠勉強滿足系統電壓穩定性要求。

圖9 渤海地區某海洋平臺微電網平臺P3線路故障對系統電壓穩定性的影響

3 結論

1) 綜合應用靜態和暫態電壓穩定評價方法設計了海洋平臺微電網電壓穩定性評估方案，靜態、暫態仿真結果都驗證了方案的有效性，為海洋平臺微電網的設計和校驗等方案提供了參考。

2) 研究發現最小特征值法在判定系統薄弱節點時針對性不夠，而L指標法能有效應用到海洋平臺微電網電壓穩定性評估和分析中，且指向明確，應用更加簡單，因此可以將L指標作為海洋平臺微電網運行情況的監測指標之一。

3) 薄弱節點(平臺)負載的變化對系統影響較大，因此設計時應考慮預留足夠的功率裕度。

4) 發電平臺故障對系統電壓穩定性影響較大，若能在較短時間內使該平臺重新應用或接人另一個平臺電網，則系統能快速恢復到新的穩定狀態，因此應考慮將網絡結構設計為環網狀，以提高其可靠性。

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(編輯：呂歡歡)

Assessment of voltage stability for offshore platform micro-grids

Zhang An’an1Huang Weiwei1Du Zhenhua2Li Hongwei1Wu Huabing1

(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China;2.CNOOCEnergySavingandEnvironmentalProtectionServicesCo.,Ltd.,Tianjin300457,China)

According to the characteristics of offshore platform micro-grids, an assessment program of offshore platform micro-grid voltage stability was developed to study the voltage stability. Taking the micro-grid in a Bohai offshore platform as an example, the eigenvalue computation and theLindex method were combined to identify the voltage weak nodes. Then the static voltage stability margin of such nodes was evaluated, and the level of voltage stability of the system was obtained. Finally, transient voltage stability was analyzed in typical fault scenarios. Time domain simulation results and static assessment results were compared to verify the effectiveness of the program. The research here could provide some reference for the effective monitoring of micro grid operation of offshore platforms to improve the quality of voltage operation.

offshore platform; micro-grid; voltage stability;Lindex method; eigenvalue method; PV curve method; QV curve method

*國家自然科學基金青年基金“自律分散的電壓/無功協調控制機理與方法研究(編號：51107107)”、中國博士后基金“源-荷協同的離岸電氣系統混合博弈發電機理及方法研究(編號：2014M562335)”、四川省教育廳科研創新團隊(自然科學)資助項目“海上電氣系統智能監測與安全控制(編號：15TD0005)”部分研究成果。

張安安，男，副教授，2010年畢業于四川大學電力系統及其自動化專業，獲工學博士學位，主要從事電壓無功優化、海上電氣系統控制等研究工作。地址：四川省成都市新都區西南石油大學(郵編：610500)。E-mail:ananzhang@swpu.edu.cn。

黃維維，女，西南石油大學控制科學與工程專業在讀碩士研究生，主要從事電氣傳動與控制研究。地址：四川省成都市新都區西南石油大學(郵編：610500)。 E-mail:851294567@qq.com。

1673-1506(2016)04-0143-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.04.023

TM761

A

2015-07-20 改回日期：2015-11-13

張安安，黃維維，杜振華，等.海洋平臺微電網電壓穩定性評估[J].中國海上油氣，2016,28(4)：143-148.

Zhang An’an，Huang Weiwei，Du Zhenhua,et al.Assessment of voltage stability for offshore platform micro-grids[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(4):143-148.