微電網負荷振蕩故障分析

宋永彬 喬亞軍

摘? ?要：某海域常年穩定運行微電網，隨著近年周邊平臺陸續接入，微電網擴容后運行穩定性逐漸減弱，某天突發負荷較大幅度波動引發全網振蕩，該故障暴露出電網隱患常年存在，并且逐漸惡化直至威脅安全生產，引發深層次技術思考。本文從技術層面深入探討故障原因，通過動力系統的暫態穩定性數學模型理性分析，最后提出徹底解決該問題多種途徑。

關鍵詞：勵磁控制? 燃料控制閥? 電網振蕩? 阻尼作用? 微電網

某油田群為提高電力供應穩定性，組建海上平臺微電網系統。電力系統包含4個動力平臺12臺雙燃料12MW單軸機組及4臺10MW雙燃料雙軸機組。油田群區域內20多座平臺通過海底動力電纜完成電力系統組網。組網機組的運行模式經過多次專家討論，全部機組采用有功有差和無功有差方式并列運行，增設一套微電網管理系統。各平臺機組原有無差控制模式的有功自動平衡和無功橫流補償全部退出。電網管理系統投用10年，電網承受多次故障沖擊，基本運行穩定。

1? 故障描述

2019年7月底開始動力平臺在網10MW雙軸組機A負載瞬間波動沖擊到電網，10MW雙軸機組BC在承接負載后造成直接關停，振蕩波及電網，持續40多分鐘仍然無法停止，電網操作人員將A機組減載退出電網，振蕩隨即衰減直至消失，電網恢復穩定，如圖1。故障期間電網10臺發電機在網，6臺備用（維護）。油田總負載約75MW，按照電網額定容量計算，每臺機組帶載率為64%，總旋轉余量為12×8+10×2-75=41MW。A機負荷波動幅度2MW～8MW間，對整個電網容量的沖擊并不大，遠沒有超出正常電網的承擔能力，電網振蕩是隱藏問題的暴露。

2? 理論分析

在一個典型互相連接的發電動力系統內，在不考慮極性、變頻、減速齒輪等因素的情況下，所有同步發電機的轉子都旋轉于相同的平均轉速。發電機輸出上網的電能與原動機提供的機械能對等。在理想穩定工況下輸出的電能與輸入的機械能保持平衡。原動機輸入到發電機轉子的機械能等于力矩和轉速的乘積，并且力矩的方向為轉子的旋向，但施加在發電機轉子上的電力矩是轉子旋轉的反向。當電力系統由于故障或負載沖擊會造成發電機輸出的電能發生變化。發電機側電能變化相對原動機側機械能的改變通常要快速的多。由于這個差異造成對頻率/轉速的不同響應，會瞬時打破上述電能和機械能的平衡。力矩的不平衡將造成轉子向不平衡方向加速或減速以達到新的平衡狀態。在此過程中，如出現其他的瞬態干擾，則可能出現干擾疊加造成系統振蕩。

數個發電機并列的動力系統的暫態穩定性可以用典型的數學模型動力系統模擬表示，如圖2所示。每一個重量都是一個發電機和原動機系統的轉動慣量。任何一個節點的擾動都會造成整個系統的振蕩（見圖3）。由于系統的阻尼作用，在下一次干擾發生前振蕩會最終平衡。振蕩的頻率與系統中的重量和阻尼相關，所以不同系統的固有振蕩頻率是不一樣的。如果干擾持續不斷的存在于某個節點，并且每次干擾發生于上一次干擾導致系統振蕩且未完全恢復之前，則系統會在一定的阻尼因素下持續振蕩，并且隨干擾的強度和頻率變化。如果干擾的頻率與系統固有頻率恰好一致，則會造成振幅疊加，嚴重的情況會造成系統走向臨界狀態。

同理，故障或負載沖擊可以看作是一個對孤立的電力系統的瞬態干擾，會打破發電機的輸出電能和輸入機械能的平衡，造成孤立電力系統本身的振蕩。另外，與典型的模擬動力系統不同，每個發電機本身的慣量是動態的自身控制平衡，即是潛在的對系統的干擾來源之一。由此可知每個發電機的狀態都對系統的影響是很大的。在實際電網中還有由于勵磁系統對電機轉子激勵和轉子力矩同步響應的滯后會對功率輸出產生的小信號干擾。小信號干擾會一直危害系統的穩定性，通常會發生在相鄰機組之間，或不同母排的兩組或數組機組之間，頻率大致在0.7～3Hz范圍。如果小信號造成的振蕩與如上瞬態干擾造成的系統振蕩疊加，同樣會加劇破壞系統的穩定。所以綜上所述，本次電網振蕩是由于A機的負載波動沖擊造成的瞬間干擾破壞了系統的穩定性，在阻尼作用下系統恢復穩定之前，其中在網的其他機組由于接載失衡，隨即自身控制產生波動變成干擾來源，對系統進一步干擾導致微電網發生振蕩。

3? 故障處理探討

由于微電網多年運行，先后有多個批次平臺接入電網。固有運行特征發生變化，當有功負荷較大，在容性負荷情況下，阻尼力矩變為負阻尼，易發生系統低頻振蕩。聯絡線負荷增加，阻尼減弱，故此低頻振蕩都在聯絡線負荷較大時發生，削弱輸送功率利于電網穩定。如果電網感性負荷較大，功角會減小，阻尼增大，利于系統穩定。本次對故障機組減載直到退網，負荷振蕩立即消失就是這個道理。

因電力系統及自動化技術革新，數字化勵磁控制器、機組控制系統以及燃料控制閥產品迭代使得系統時間常數大為減少，從而降低了電力系統的阻尼特性。當功角較大，勵磁將提供阻尼，當勵磁增益在一定范圍內增加時候，負阻尼將會增大，勵磁時間常數及轉子繞組時間常數越小，負阻尼越大。弱化勵磁系統響應，利于提高系統穩定性。本次處理重新計算了勵磁PID參數，使得各機組勵磁動態特性更加協調，響應增益有了7倍數量級降幅。

微電網雖配置了一套電網管理系統，但是該系統僅對頻率、電壓進行二次調節，約為10s調節一次，這種調節只對穩態有效，暫態調節必須依靠機組控制系統和勵磁控制系統快速響應。微電網系統機組間相對聯系較弱，電力系統弱阻尼特性進一步加劇了系統不穩定性！當聯絡線一端機組對另一端機組產生相對搖擺，這種振蕩式被稱區域振蕩，其振蕩頻率在0.2～0.5Hz。微電網機組間聯系較弱，系統等效電抗大，功角大，阻尼轉矩小，容易發生負阻尼及振蕩失步，加強系統聯系可以防止負阻尼，這樣會增加投資，而且隨著電力系統不斷拓展，原有電網強聯系也會逐漸弱化。當燃料控制閥迭代響應速度顯著增加時，會對系統提供負阻尼，在電力系統聯系弱化、容性負荷、以及勵磁增益過大，阻尼轉矩會變負，電力系統不穩定。要想提高系統穩定性，就需要減少負阻尼，增加正阻尼。

同時，要摸清各個機組的負載特性（包括負載調速和勵磁調壓微電網）是否適合并網運行。合適的負載轉速增益要兼顧負載控制漂移（小波動）和負載沖擊時的階躍響應，并與其他在網機組負載特性盡量保持一致，以減少擾動時調節不同步超出正常控制的可能。

參考文獻

[1] 李富生，李瑞生，周逢權.微電網技術及工程應用[M].北京：中國電力出版社， 2013.

[2] 吳紅霞.微電網關鍵技術及工程應用研究[J].供用電，2019（4）：1.

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