甘肅河西電網(wǎng)小干擾分析

姚 巽，宋建光

(國網(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，對河西電網(wǎng)在幾種不同的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器配置方式下進行了小干擾分析，研究了其系統(tǒng)振蕩模式和模態(tài)，對甘肅河西電網(wǎng)的振蕩分析及控制策略研究有一定指導作用。

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)電壓等級為750kV、330kV[1]。目前，甘肅電網(wǎng)總裝機量約為30 000 MW，地區(qū)負荷約為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、張掖、山丹、金昌、涼州、古浪、海石灣站多次監(jiān)測到振蕩頻率為0.6 Hz左右，最大峰谷值達135 MW，持續(xù)最長時間為80 s的低頻振蕩現(xiàn)象。酒鋼第三熱電廠2號機(酒鋼第三熱電廠共有2臺300 MW機組)于2008年元月投運，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[5]采用對降階簡化系統(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[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[7]中保持網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)潮流和發(fā)電機總數(shù)不變，求出了與四川電網(wǎng)相關的系統(tǒng)主導低頻振蕩模式。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，對河西電網(wǎng)在幾種不同的PSS配置方式下進行小干擾分析，研究了其系統(tǒng)振蕩模式和模態(tài)，對甘肅河西電網(wǎng)的振蕩分析及控制策略研究有一定指導作用。

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)長距離、重負荷、弱聯(lián)系的區(qū)域之間，主要表現(xiàn)為區(qū)域間一個發(fā)電機群對另一個發(fā)電機群的弱阻尼或負阻尼振蕩問題。

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，系統(tǒng)受到擾動后功率發(fā)生振蕩且長時間才能平息；

2)系統(tǒng)負阻尼時，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，長時間不能平息；

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

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

發(fā)生低頻功率振蕩可能會引起聯(lián)絡線過流跳閘或造成系統(tǒng)與系統(tǒng)、機組與系統(tǒng)之間的失步而解列，嚴重威脅電網(wǎng)的安全運行。

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、自動電壓調(diào)節(jié)器及各種自動控制裝置、電網(wǎng)互聯(lián)的強弱和聯(lián)絡線輸送的潮流和方向及負荷特性等參數(shù)。目前，提高電力系統(tǒng)阻尼和穩(wěn)定性最經(jīng)濟、最有效的措施仍然是在相關機組上配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，即PSS(power system stabilizer)。同時，應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、可控串補和靜補等。

2 配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的優(yōu)勢

配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器可以從源頭上消除產(chǎn)生負阻尼的根源。自動電壓調(diào)節(jié)器是發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的最重要組成部分，對提高電力系統(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)生負阻尼的最重要的根源。如果在產(chǎn)生負阻尼的發(fā)電機的勵磁控制系統(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)生的負阻尼，這樣就從源頭上消除了電力系統(tǒng)中產(chǎn)生負阻尼的根源。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器使用效率很高。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、自動電壓調(diào)節(jié)器都是勵磁控制系統(tǒng)的一個組成部分，它們有相同的可使用率和可靠性。尤其是在使用微機型勵磁調(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現(xiàn)的?？梢宰龅桨l(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)器在投入運行時，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器也同時在投入運行狀態(tài)。這樣的同步關系在電力系統(tǒng)運行方式發(fā)生改變時也不會改變。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的參數(shù)有良好的適應性。在進行電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的參數(shù)整定時，要根據(jù)所在電網(wǎng)的特點以及配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性，確定電力系統(tǒng)穩(wěn)定器運行的合理參數(shù)及其應當滿足的頻率范圍。這樣就能保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定器有很好的適應性，在各種可能出現(xiàn)的運行方式下，每一臺發(fā)電機組的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器對于與該發(fā)電機有強相關的各個振蕩模式都能提供正阻尼。

廣泛的配置PSS可以適應系統(tǒng)運行方式的變化。特別是對那些聯(lián)絡線模式，與它相關的機組可能有多個，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組共同承擔，并不是只依靠一臺機(雖然在對于許多地區(qū)振蕩模式，一臺強相關的機組有可能提供足夠的阻尼)，這樣當那臺機停運，不致失去對該模式全部阻尼，或當部分網(wǎng)解列成為獨立電網(wǎng)運行方式出現(xiàn)時，這個獨立電網(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風險的策略。

3 河西電網(wǎng)主力機組小干擾分析

3.1 計算條件

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

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

3.2 河西電網(wǎng)主力機組均不配置PSS時小干擾分析

河西主力機組全部退出PSS情況下進行小干擾分析，發(fā)現(xiàn)河西走廊機群對系統(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)主力機組均不配置PSS時河西-系統(tǒng)振蕩模式特征值

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

表3 對酒鋼自備電廠大機組配置PSS

編號母線編號機組功率/MW勵磁參數(shù)PSS參數(shù)模型編號參數(shù)組號模型編號參數(shù)組號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個自備電廠、酒泉地區(qū)大量風電場、張掖電廠及一些小水電廠密切相關，具體情況見表2和圖1。

3.3 河西電網(wǎng)主力機組按實際情況配置PSS后小干擾分析

根據(jù)2009年典型數(shù)據(jù)，河西電網(wǎng)主力機組中實際上只有金川2號機配置了PSS，對此進行小干擾分析的結(jié)果與3.2節(jié)幾乎完全相同，不再贅述。

3.4 酒鋼內(nèi)部大機組配置PSS后小干擾分析

對酒鋼內(nèi)部大機組配置PSS，如表3所示。

按表3配置酒鋼內(nèi)部大機組PSS后，重新進行小干擾分析，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?，說明酒鋼的自備電廠確實對該振蕩模式起到了主導作用，對其PSS進行整定和投運，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。有關該振蕩模式的詳細信息如表4和圖2所示。

表4 酒鋼內(nèi)部大機組配置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)全部主力機組配置PSS后河西-系統(tǒng)振蕩模式特征值

實部虛部頻率/Hz衰減阻尼比/%機電回路相關比-0．1920013．7235100．5926155．14961．87817

圖3 河西電網(wǎng)全部主力機組配置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情況實部虛部頻率/Hz衰減阻尼比/%機電回路相關比均不配置-0．0094983．6865320．5867300．25763．85055實際情況配置-0．0094983．6865320．5867300．25763．85055酒鋼大機組全部配置-0．1117023．7069840．5899853．01192．41500河西主力機組全部配置-0．1920013．7235100．5926155．14961．87817

3.5 河西電網(wǎng)全部主力機組配置PSS后小干擾分析

對河西電網(wǎng)全部主力機組配置PSS后，在原潮流情況下重新進行小干擾分析，結(jié)果表明河西電網(wǎng)與系統(tǒng)間存在一個強阻尼振蕩模式，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)閺娮枘嵴袷帲f明對河西電網(wǎng)全部主力機組配置并投運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。有關該振蕩模式的詳細信息如表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)前面計算分析可以得到如下結(jié)論：

1)河西電網(wǎng)主力機組均不配置PSS或按照甘肅2009年典型方式配置PSS，河西機群對系統(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)測到的河西電網(wǎng)低頻振蕩頻率相符。

2)酒鋼的自備電廠對該振蕩模式起到了主導作用，對其大機組PSS進行整定和投入，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。酒鋼大機組PSS投入后，河西機組對系統(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)對河西電網(wǎng)全部主力機組配置并投入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)全部主力機組投入PSS后，河西機群與系統(tǒng)間存在一個強阻尼振蕩模式，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)閺娮枘嵴袷帯?/p>

[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.

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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，主要研究方向為電網(wǎng)調(diào)度、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性；

宋建光(1980)，工程師，主要研究方向為電網(wǎng)調(diào)度、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。