甘肅河西電網(wǎng)小干擾分析

姚 巽，宋建光

(國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司調(diào)度控制中心，甘肅 蘭州 730030)

甘肅河西電網(wǎng)小干擾分析

姚 巽，宋建光

(國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司調(diào)度控制中心，甘肅 蘭州 730030)

介紹了甘肅河西電網(wǎng)低頻振蕩的產(chǎn)生原因和抑制辦法，闡述了配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器所帶來的優(yōu)勢(shì)，對(duì)河西電網(wǎng)在幾種不同的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器配置方式下進(jìn)行了小干擾分析，研究了其系統(tǒng)振蕩模式和模態(tài)，對(duì)甘肅河西電網(wǎng)的振蕩分析及控制策略研究有一定指導(dǎo)作用。

甘肅河西電網(wǎng)；低頻振蕩；小干擾分析

0 引 言

甘肅電網(wǎng)處于西北電網(wǎng)的中部，是西北電網(wǎng)的主要組成部分，目前主網(wǎng)電壓等級(jí)為750kV、330kV[1]。目前，甘肅電網(wǎng)總裝機(jī)量約為30 000 MW，地區(qū)負(fù)荷約為15 000 MW，外送需求迫切。尤其是河西地區(qū)，此處有大量光伏接入，而這些地區(qū)負(fù)荷不大無法就地消納，使得新能源外送需求迫切[2]。但此處的低頻振蕩問題由來已久，自2008年11月至2009年6月，甘肅河西電網(wǎng)330kV輸電線上，酒泉、嘉峪關(guān)、張掖、山丹、金昌、涼州、古浪、海石灣站多次監(jiān)測(cè)到振蕩頻率為0.6 Hz左右，最大峰谷值達(dá)135 MW，持續(xù)最長(zhǎng)時(shí)間為80 s的低頻振蕩現(xiàn)象。酒鋼第三熱電廠2號(hào)機(jī)(酒鋼第三熱電廠共有2臺(tái)300 MW機(jī)組)于2008年元月投運(yùn)，而后河西電網(wǎng)330kV輸電線路表現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)[3-4]。

文獻(xiàn)[5]采用對(duì)降階簡(jiǎn)化系統(tǒng)的方法，證明了規(guī)劃中大區(qū)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定分析具備可行性；文獻(xiàn)[6]采用追蹤聯(lián)網(wǎng)成功研究了山東電網(wǎng)低頻振蕩問題；文獻(xiàn)[7]中保持網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)潮流和發(fā)電機(jī)總數(shù)不變，求出了與四川電網(wǎng)相關(guān)的系統(tǒng)主導(dǎo)低頻振蕩模式。下面介紹了低頻振蕩的產(chǎn)生和抑制問題，闡述了配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器所帶來的優(yōu)勢(shì)，對(duì)河西電網(wǎng)在幾種不同的PSS配置方式下進(jìn)行小干擾分析，研究了其系統(tǒng)振蕩模式和模態(tài)，對(duì)甘肅河西電網(wǎng)的振蕩分析及控制策略研究有一定指導(dǎo)作用。

1 低頻振蕩的產(chǎn)生和抑制

低頻功率振蕩主要發(fā)生在經(jīng)長(zhǎng)距離、重負(fù)荷、弱聯(lián)系的區(qū)域之間，主要表現(xiàn)為區(qū)域間一個(gè)發(fā)電機(jī)群對(duì)另一個(gè)發(fā)電機(jī)群的弱阻尼或負(fù)阻尼振蕩問題。

系統(tǒng)發(fā)生低頻功率振蕩可能的原因和現(xiàn)象如下：

1)系統(tǒng)弱阻尼時(shí)，系統(tǒng)受到擾動(dòng)后功率發(fā)生振蕩且長(zhǎng)時(shí)間才能平息；

2)系統(tǒng)負(fù)阻尼時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生自激振蕩。這種振蕩幅度逐漸增大，造成系統(tǒng)失步，或由于控制系統(tǒng)的飽和成為等幅振蕩，長(zhǎng)時(shí)間不能平息；

3)系統(tǒng)振蕩模的固有振蕩頻率與某種功率波動(dòng)的頻率相同而引起強(qiáng)迫振蕩，這種振蕩隨功率波動(dòng)源的消除而消除；

4)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化引起的電磁力矩變化與電氣回路耦合產(chǎn)生的機(jī)電振蕩。

發(fā)生低頻功率振蕩可能會(huì)引起聯(lián)絡(luò)線過流跳閘或造成系統(tǒng)與系統(tǒng)、機(jī)組與系統(tǒng)之間的失步而解列，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

影響電力系統(tǒng)阻尼的因素，主要有參與互聯(lián)的各區(qū)域電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和潮流方式、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器及各種自動(dòng)控制裝置、電網(wǎng)互聯(lián)的強(qiáng)弱和聯(lián)絡(luò)線輸送的潮流和方向及負(fù)荷特性等參數(shù)。目前，提高電力系統(tǒng)阻尼和穩(wěn)定性最經(jīng)濟(jì)、最有效的措施仍然是在相關(guān)機(jī)組上配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，即PSS(power system stabilizer)。同時(shí)，應(yīng)研究充分利用已有的各種控制裝置的作用，例如直流調(diào)制、可控串補(bǔ)和靜補(bǔ)等。

2 配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的優(yōu)勢(shì)

配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器可以從源頭上消除產(chǎn)生負(fù)阻尼的根源。自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的最重要組成部分，對(duì)提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定水平和暫態(tài)穩(wěn)定水平有重要的作用。但是，一定條件下它也是互聯(lián)系統(tǒng)中“地區(qū)振蕩模式”和“區(qū)域間振蕩模式”產(chǎn)生負(fù)阻尼的最重要的根源。如果在產(chǎn)生負(fù)阻尼的發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)中配上電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，并合理選擇其參數(shù)，使PSS提供的正阻尼等于或大于電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的負(fù)阻尼，這樣就從源頭上消除了電力系統(tǒng)中產(chǎn)生負(fù)阻尼的根源。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器使用效率很高。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器都是勵(lì)磁控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它們有相同的可使用率和可靠性。尤其是在使用微機(jī)型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的情況下，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的功能是由軟件實(shí)現(xiàn)的。可以做到發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)器在投入運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器也同時(shí)在投入運(yùn)行狀態(tài)。這樣的同步關(guān)系在電力系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生改變時(shí)也不會(huì)改變。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的參數(shù)有良好的適應(yīng)性。在進(jìn)行電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的參數(shù)整定時(shí)，要根據(jù)所在電網(wǎng)的特點(diǎn)以及配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性，確定電力系統(tǒng)穩(wěn)定器運(yùn)行的合理參數(shù)及其應(yīng)當(dāng)滿足的頻率范圍。這樣就能保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定器有很好的適應(yīng)性，在各種可能出現(xiàn)的運(yùn)行方式下，每一臺(tái)發(fā)電機(jī)組的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器對(duì)于與該發(fā)電機(jī)有強(qiáng)相關(guān)的各個(gè)振蕩模式都能提供正阻尼。

廣泛的配置PSS可以適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化。特別是對(duì)那些聯(lián)絡(luò)線模式，與它相關(guān)的機(jī)組可能有多個(gè)，從全局協(xié)調(diào)控制的角度出發(fā)，是將所需的阻尼分配給所有有作用的機(jī)組共同承擔(dān)，并不是只依靠一臺(tái)機(jī)(雖然在對(duì)于許多地區(qū)振蕩模式，一臺(tái)強(qiáng)相關(guān)的機(jī)組有可能提供足夠的阻尼)，這樣當(dāng)那臺(tái)機(jī)停運(yùn)，不致失去對(duì)該模式全部阻尼，或當(dāng)部分網(wǎng)解列成為獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行方式出現(xiàn)時(shí)，這個(gè)獨(dú)立電網(wǎng)因沒有電力系統(tǒng)穩(wěn)定器或電力系統(tǒng)穩(wěn)定器太少而引起振蕩。這是一種基于備用或分擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的策略。

3 河西電網(wǎng)主力機(jī)組小干擾分析

3.1 計(jì)算條件

根據(jù)甘肅電網(wǎng)特點(diǎn)及發(fā)生低頻振蕩時(shí)的電網(wǎng)運(yùn)行方式，選擇甘肅電網(wǎng)2009年典型方式進(jìn)行分析，西北電網(wǎng)及分區(qū)發(fā)電量摘要如表1所示。

對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行了低頻振蕩分析，主要是針對(duì)振蕩頻率0.1～2.5 Hz范圍內(nèi)的特征根進(jìn)行掃描。振蕩模式強(qiáng)弱的判定條件是：阻尼比ξ≥0.05時(shí)稱為強(qiáng)阻尼，0.05>ξ≥0.03時(shí)稱為中等阻尼，0.03>ξ>0時(shí)統(tǒng)稱為弱阻尼(0.01>ξ>0時(shí)稱為極弱阻尼)，ξ=0時(shí)稱為零阻尼或臨界阻尼，ξ<0時(shí)稱為負(fù)阻尼。

3.2 河西電網(wǎng)主力機(jī)組均不配置PSS時(shí)小干擾分析

河西主力機(jī)組全部退出PSS情況下進(jìn)行小干擾分析，發(fā)現(xiàn)河西走廊機(jī)群對(duì)系統(tǒng)間存在明顯的振蕩模式，振蕩頻率為0.59 Hz，阻尼比為0.257 6%，屬于極弱阻尼情況，并且與PMU裝置監(jiān)測(cè)到的河西電網(wǎng)低頻振蕩頻率相符。

表1 甘肅2009年典型方式下西北電網(wǎng)及分區(qū)發(fā)電量

表2 河西電網(wǎng)主力機(jī)組均不配置PSS時(shí)河西-系統(tǒng)振蕩模式特征值

圖1 河西電網(wǎng)主力機(jī)組均不配置PSS時(shí)河西-系統(tǒng)振蕩模式模態(tài)圖

表3 對(duì)酒鋼自備電廠大機(jī)組配置PSS

編號(hào)母線編號(hào)機(jī)組功率/MW勵(lì)磁參數(shù)PSS參數(shù)模型編號(hào)參數(shù)組號(hào)模型編號(hào)參數(shù)組號(hào)1酒鋼1～4J7212無無2酒鋼5J5012903無無3酒鋼6J5012903無無4酒新1J1351290229035酒新2J1351290229036酒熱1J30012514807酒熱2J3001251481

該振蕩模式與酒鋼內(nèi)部3個(gè)自備電廠、酒泉地區(qū)大量風(fēng)電場(chǎng)、張掖電廠及一些小水電廠密切相關(guān)，具體情況見表2和圖1。

3.3 河西電網(wǎng)主力機(jī)組按實(shí)際情況配置PSS后小干擾分析

根據(jù)2009年典型數(shù)據(jù)，河西電網(wǎng)主力機(jī)組中實(shí)際上只有金川2號(hào)機(jī)配置了PSS，對(duì)此進(jìn)行小干擾分析的結(jié)果與3.2節(jié)幾乎完全相同，不再贅述。

3.4 酒鋼內(nèi)部大機(jī)組配置PSS后小干擾分析

對(duì)酒鋼內(nèi)部大機(jī)組配置PSS，如表3所示。

按表3配置酒鋼內(nèi)部大機(jī)組PSS后，重新進(jìn)行小干擾分析，結(jié)果表明河西電網(wǎng)內(nèi)部仍存在該典型振蕩模式，振蕩頻率仍為0.59 Hz，但是阻尼比由原來的0.257 6%提高到3.011 9%，由極弱阻尼振蕩變?yōu)橹械茸枘嵴袷帲f明酒鋼的自備電廠確實(shí)對(duì)該振蕩模式起到了主導(dǎo)作用，對(duì)其PSS進(jìn)行整定和投運(yùn)，能夠很大程度上提高系統(tǒng)阻尼，有利于抑制河西電網(wǎng)低頻振蕩的發(fā)生。有關(guān)該振蕩模式的詳細(xì)信息如表4和圖2所示。

表4 酒鋼內(nèi)部大機(jī)組配置PSS后河西-系統(tǒng)振蕩模式特征值

圖2 酒鋼內(nèi)部大機(jī)組配置PSS后河西-系統(tǒng)振蕩模式模態(tài)圖

表5 河西電網(wǎng)全部主力機(jī)組配置PSS后河西-系統(tǒng)振蕩模式特征值

實(shí)部虛部頻率/Hz衰減阻尼比/%機(jī)電回路相關(guān)比-0．1920013．7235100．5926155．14961．87817

圖3 河西電網(wǎng)全部主力機(jī)組配置PSS后河西-系統(tǒng)振蕩模式模態(tài)圖

表6 河西電網(wǎng)低頻振蕩小干擾分析結(jié)果

河西電網(wǎng)配置PSS情況實(shí)部虛部頻率/Hz衰減阻尼比/%機(jī)電回路相關(guān)比均不配置-0．0094983．6865320．5867300．25763．85055實(shí)際情況配置-0．0094983．6865320．5867300．25763．85055酒鋼大機(jī)組全部配置-0．1117023．7069840．5899853．01192．41500河西主力機(jī)組全部配置-0．1920013．7235100．5926155．14961．87817

3.5 河西電網(wǎng)全部主力機(jī)組配置PSS后小干擾分析

對(duì)河西電網(wǎng)全部主力機(jī)組配置PSS后，在原潮流情況下重新進(jìn)行小干擾分析，結(jié)果表明河西電網(wǎng)與系統(tǒng)間存在一個(gè)強(qiáng)阻尼振蕩模式，振蕩頻率仍為0.59 Hz，但是阻尼比已經(jīng)提高到5.149 6%，由最初的極弱阻尼振蕩變?yōu)閺?qiáng)阻尼振蕩，說明對(duì)河西電網(wǎng)全部主力機(jī)組配置并投運(yùn)PSS，能夠更有效地提高系統(tǒng)阻尼，可以顯著抑制河西電網(wǎng)低頻振蕩的發(fā)生。有關(guān)該振蕩模式的詳細(xì)信息如表5和圖3所示。

4 小 結(jié)

各次小干擾分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

根據(jù)前面計(jì)算分析可以得到如下結(jié)論：

1)河西電網(wǎng)主力機(jī)組均不配置PSS或按照甘肅2009年典型方式配置PSS，河西機(jī)群對(duì)系統(tǒng)間存在明顯的振蕩模式，振蕩頻率為0.59 Hz，阻尼比為0.257 6%，屬于極弱阻尼情況，并且與PMU裝置監(jiān)測(cè)到的河西電網(wǎng)低頻振蕩頻率相符。

2)酒鋼的自備電廠對(duì)該振蕩模式起到了主導(dǎo)作用，對(duì)其大機(jī)組PSS進(jìn)行整定和投入，能夠在很大程度上提高系統(tǒng)阻尼，有利于抑制河西電網(wǎng)低頻振蕩的發(fā)生。酒鋼大機(jī)組PSS投入后，河西機(jī)組對(duì)系統(tǒng)間振蕩頻率仍為0.59 Hz，但是阻尼比由原來的0.257 6%提高到3.011 9%，由極弱阻尼振蕩變?yōu)橹械茸枘嵴袷帯?/p>

3)對(duì)河西電網(wǎng)全部主力機(jī)組配置并投入PSS，能夠更有效地提高系統(tǒng)阻尼，可以顯著抑制河西電網(wǎng)低頻振蕩的發(fā)生。河西電網(wǎng)全部主力機(jī)組投入PSS后，河西機(jī)群與系統(tǒng)間存在一個(gè)強(qiáng)阻尼振蕩模式，振蕩頻率仍為0.59 Hz，但是阻尼比已經(jīng)大幅提高到5.149 6%，由最初的極弱阻尼振蕩變?yōu)閺?qiáng)阻尼振蕩。

[1] 梁才,劉文穎,周喜超,等. 750kV電網(wǎng)在甘肅電網(wǎng)中的降損作用分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2012,36(2):100-103.

[2] 董立娟. 大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)甘肅電網(wǎng)安全運(yùn)行影響的研究[D].北京：華北電力大學(xué),2012.

[3] 王官宏 肖洋. 甘肅電網(wǎng)2009年動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性研究技術(shù)報(bào)告[C].北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，HXT2009.

[4] 翁利民，張莉，舒立平，等．電弧爐對(duì)電網(wǎng)的不利影響及其抑制措施 [J]．供用電，2000，17(3)：45-46.

[5] 朱方，趙紅光，劉增煌，等.大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(1)：1-7.

[6] 王洪濤, 劉玉田, 雷鳴，等. 電網(wǎng)互聯(lián)對(duì)山東電網(wǎng)內(nèi)部低頻振蕩模式的影響[J]. 中國(guó)電力, 2004, 37(6): 12-15.

[7] 鄧集祥，賀建明，姚天亮，等. 大區(qū)聯(lián)網(wǎng)條件下四川電網(wǎng)低頻振蕩分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(17)：78-83.

The causes and suppression methods of low frequency oscillation in Gansu Hexi power grid are introduced, and the advantages brought by power system stabilizer are described. Small-signal analysis is carried out for the different power system stabilizer configuration in Hexi power grid. The oscillation modes of the system are studied, and the research plays some guiding roles to low frequency oscillation and its control strategy of Gansu Hexi power grid.

Gansu Hexi power grid; low frequency oscillation; small-signal analysis

TM711

A

1003-6954(2017)02-0079-05

2016-11-04)

姚 巽(1984)，工程師，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)調(diào)度、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性；

宋建光(1980)，工程師，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)調(diào)度、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。