基于加權等值法的含小水電群電網小干擾穩定性分析

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(國網咸寧供電公司，湖北 咸寧 437000)

1 引言

對于富含小水電群的地區，由于小水電機組容量小，機組數目多，接入方式多樣，其并網后容易引發一系列穩定性方面的問題。大量小水電的并網且大部分機組采用快速勵磁，在某些特殊運行方式下，容易誘發低頻振蕩現象的發生。最早的互聯系統聯絡線上的低頻振蕩現象是1964年美國西部的西北聯合系統與西南聯合系統以230kV線路互聯時觀察到的，聯絡線上持續的0.1Hz的低頻振蕩常常導致聯絡線解列。我國在八十年代初在進行滇南、滇中聯網，華北、華中聯網試驗時也曾發現聯絡線上的低頻振蕩現象[2]。

本文對小水電群并網后的電力系統進行小干擾穩定性分析，由此來找出系統可能存在的弱阻尼模式，從而采取相關措施來抑制可能發生的低頻振蕩現象。而由于小水電數目多，系統結構復雜，故需要對富含小水電群的電力系統進行等值，在進行等值前，首先需要對系統的機組進行同調機群的判別，利用電氣距離法將經同一變電站上網的小水電機組近似劃分為一個同調機群。其次，對同調機群進行等值，國內現有的動態等值程序應用最廣泛的是頻域聚合，而頻域聚合法過程復雜，等值時間長，因此本文提出基于加權平均思想的參數聚合[3]，此方法不僅保證了等值的精度，而且簡化了參數聚合的程序，從而大大提高計算速度，有利于工程的實現。

2 加權等值法

加權等值法的基本思想是以同調機群中各發電機額定容量與等值機額定容量的比值對發電機各參數予以加權。在進行加權等值前，要對系統進行同調進群的判別，本文的同調機群是通過電氣距離法判別得來，電氣距離De是系統中兩機組的距離，也可以體現兩機組的關聯程度。對于兩臺發電機來說，當其電氣距離小于某一閾值Dε時，可將其劃分為同調機組；而對于多機系統來說，則先將其進行系統聚類，再根據電氣距離法得到同調機群；本論文所研究的小水電群所處的網絡大部分是輻射狀網絡，接于同一母線上的發電機間的電氣距離較近，故本文可將接于同一母線上的發電機組可近似劃分為一個同調機群[4]。

加權法的等值過程主要是通過發電機及調節系統、發電機電磁回路、發電機勵磁系統、原動機及調速器系統環節來完成的。

2.1 發電機轉子運動方程的聚合

設通過相關識別得知某個相關機群G={1，j，N}，其中包括N臺相關發電機。鑒于合成的等值機的容量為各臺電機的容量(MVA)之和，G表示待聚合的等值機，可推導出等值發電機及其調節系統的詳細模型參數。即

(1)

假設發電機j搖擺方程為：

(2)

式中，Mj為發電機j的慣性時間常數，Pmj為輸入機械功率，Pej為輸出電磁功率，Dj為阻尼系數。各參數值均以其自身額定容量為基值的標幺值。將N臺同調機運動方程進行疊加，并假設各同調機的轉速相同，則得到聚合后的等值機轉子運動方程為：

(3)

其中MG,PmG,PeG,DG均以式(2)～(4)進行加權等值。

(4)

2.2 發電機電磁回路的聚合

2.3 發電機勵磁調節系統的聚合

以IEEE-1 型勵磁調節系統說明，如圖1所示。

圖1 勵磁單元傳遞函數

圖中，KA,TA為勵磁系統放大環節的增益和時間常數，KE,TE為勵磁系統勵磁環節的增益和時間常數，KF,TF為勵磁系統反饋環節的增益和時間常數，VRMAX,VRMIN為勵磁系統的最大、最小輸出；其中SE為勵磁環節的飽和系數，eFD為勵磁環節的輸出電壓。等值系統也為上圖的傳遞函數框圖，參數按照加權平均的方法即式(4)求得。

2.4 原動機及調速系統參數聚合

由于參與等值的機組均為小水電，故水輪機傳遞函數如圖2所示。

圖2 調速器和原動機傳遞函數

(5)

K為調速系統放大倍數，T1為調速器時間常數，T2為倒閥時間常數，T3為伺服時間常數，TW為水錘效應時間常數，則等值機參數可由式(1)～(4)求得。

3 小水電群的小干擾穩定性分析

對富含小水電群的電力系統進行小干擾穩定性分析時，其特點是要對眾多小水電采用加權法進行等值，本文中加權法等值是對小水電群的發電機及調節系統、發電機電磁回路、發電機勵磁系統、原動機及調速器系統分別等值，最后可得到各片區的等值發電機組，形成整個系統的等值模型。

3.1 IEEE 10機39節點系統算例

對新英格蘭系統IEEE 10機39節點系統進行等值，并將等值系統與原系統進行仿真比較。如圖3，10機39節點系統包含10臺發電機，39個節點和46條線路，選擇第9號發電機G9為參考發電機，且將G9等效為外部電力系統，第5號發電機G5為研究對象。所有發電機均采用三階模型，勵磁調節器采用三階模型，運用加權平均的聚合方法進行參數聚合。

圖3 10機39節點系統網絡結構圖

調用基于格納姆矩陣的發電機相關識別程序進行識別[4]，得到3組同調機群：機群1(G8,G10)、機群2(G2,G3)、機群3(G4,G6,G7)，表1列出機群2(G2,G3)的原系統參數、加權聚合法的聚合參數為例進行比較。

表1 機群2等值發電機參數

選取故障為：在第0.5s時，線路25～26發生三相短路故障。在第0.56s時切除故障，此時系統沒有失去穩定；在第0.7s 時切除故障，此時系統失去穩定。在PSASP 環境下對原系統及加權法等值系統進行仿真對比，曲線為以G9發電機為參考機時，G5發電機的功角曲線。可以看出，等值前的發電機功角曲線與等值后發電機功角曲線幾乎重合，說明加權聚合法的等值效果好，詳細結果如下圖。

圖4 G5功角曲線圖(系統未失穩)

圖5 G5功角曲線圖(系統失穩)

3.2 A地區中Y片區電力系統算例分析

采用10機39節點算例的等值方法對研究地區的小水電進行等值，在兩條不同的線路設置三相短路故障，命名為故障A和故障B，如圖6所示。

圖6 三相短路故障A和三相故障B

兩個故障均為在1s時線路的首端發生三相短路，在1.1s時切除此故障線路。得到發電機組G1的功角圖(以發電機組G2為參考機組)。

由以上兩個圖可知：發生三相短路故障A時，等值前后系統的功角曲線幾乎重合，發生三相短路故障B時，等值前后系統的功角曲線同樣幾乎重合。這說明加權聚合法的等值效果達到預期良好效果。

圖7 G1功角曲線圖(故障 A)

圖8 G1功角曲線圖(故障 B)

4 A地區小干擾穩定性分析

對小水電等值模型進行小干擾穩定性分析，可得到如下結果：(衰減阻尼比小于3%為弱阻尼。研究地區可分夏季和冬季兩種方式進行計算，根據全年負荷監測及負荷預計的情況，又可以將運行方式分為大負荷運行和小負荷運行，故整體上運行方式可以分為夏大、夏小、冬大、冬小運行方式。)

表2 研究地區小干擾穩定性分析結果

5 結論

通過對研究地區的小水電機組進行加權等值，并進行小干擾穩定性分析，可得以下結論：①利用加權等值法的仿真效果良好；②由于大量小水電的接入，使得系統的阻尼變弱，因此更容易引發低頻振蕩現象，嚴重威脅了電網的安全穩定運行。