基于EDSA的油田電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究

劉漢文

摘 ? 要：暫態(tài)穩(wěn)定性分析對提高海上油田電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性、供電可靠性具有重要意義，在本文中EDSA軟件用于某海上油田電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定分析。首先介紹了EDSA軟件的特點(diǎn)及其暫態(tài)穩(wěn)定性分析功能;其次，從功角穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性三個方面描述了暫態(tài)穩(wěn)定性判據(jù);然后通過建立仿真模型與設(shè)置電氣參數(shù)，在切機(jī)、海纜故障、電動機(jī)起動三種不同擾動方式下進(jìn)行了仿真分析，得到了包括發(fā)電機(jī)相對功角、頻率、電壓的仿真曲線，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了比較和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：暫態(tài)穩(wěn)定性 ?EDSA ?油田 ?電力系統(tǒng)

中圖分類號：TM71 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（b）-0009-03

隨著海上油田電力系統(tǒng)的逐步擴(kuò)大，運(yùn)行方式越來越復(fù)雜，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的難度也越來越大，使得電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性問題更加突出。與陸地電網(wǎng)相比，海上油田電力系統(tǒng)容量較小，局部小干擾或運(yùn)行異常即可引起整個系統(tǒng)的鏈?zhǔn)截?fù)反應(yīng)，甚至導(dǎo)致大面積系統(tǒng)崩潰。暫態(tài)穩(wěn)定性分析是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行不可或缺的過程，對提高海上油田電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性具有重要價值[1-2]。EDSA電氣仿真軟件操作簡單、計算功能齊全，因此通過使用該軟件分析不同類型故障下對電力系統(tǒng)的影響，研究油田電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

1 ?EDSA暫態(tài)穩(wěn)定計算功能概述

EDSA軟件是由美國開發(fā)的用于電力系統(tǒng)仿真分析/計算的高級應(yīng)用軟件，該軟件操作簡單、功能齊全，尤其適用于海上石油平臺、核電站等高可靠性供電場所。EDSA軟件計算功能包括諧波分析、潮流計算、短路計算、暫態(tài)穩(wěn)定計算、可靠性分析等。暫態(tài)穩(wěn)定計算功能中，用戶可以準(zhǔn)確地模擬靜態(tài)元件和旋轉(zhuǎn)設(shè)備，可以使用簡單模型或完整的雙軸模型，甚至可以自定義新的調(diào)速器/透平模型。

EDSA暫態(tài)穩(wěn)定計算功能可用于模擬電力系統(tǒng)中的大擾動事件，例如，各種故障的發(fā)生/清除（三相短路、兩相短路、單相接地、兩相短路接地）、電動機(jī)的起動/停止、線路的斷開/接入、電機(jī)跳閘、分流器斷開/接入、增加/減少負(fù)荷、串聯(lián)電容器、改變電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、循環(huán)載荷、變壓器涌流模擬等。

2 ?基于EDSA的暫態(tài)穩(wěn)定性分析

2.1 暫態(tài)穩(wěn)定判據(jù)

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定可從功角、頻率和電壓三個方面是否穩(wěn)定進(jìn)行判斷，若三者均穩(wěn)定，則可判定系統(tǒng)穩(wěn)定;否則即認(rèn)為系統(tǒng)不穩(wěn)定。

（1）功角穩(wěn)定的判據(jù)：系統(tǒng)故障后，同一系統(tǒng)中任意兩個機(jī)組的相對功角的擺角同步衰減。

（2）電壓是否穩(wěn)定可通過判斷：故障排除后，主要樞紐變電站的母線電壓標(biāo)幺值是否能夠恢復(fù)到0.8以上，母線電壓標(biāo)幺值持續(xù)0.75的時間是否小于1s來決定。

（3）頻率穩(wěn)定的判據(jù)為：系統(tǒng)暫態(tài)高周時，頻率不超過51.5Hz;系統(tǒng)暫態(tài)低周時，頻率能夠恢復(fù)到49.5Hz～50.5Hz范圍內(nèi)[3]。

2.2 仿真模型的構(gòu)建

本文以南海海域某油田電力系統(tǒng)為案例，通過EDSA軟件進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定計算分析，該仿真模型包括3臺額定功率為6200kW的透平發(fā)電機(jī)，如圖1所示。

2.3 仿真模型設(shè)備參數(shù)

（1）發(fā)電機(jī)模型。

根據(jù)仿真模型中原油發(fā)電機(jī)的電氣參數(shù)調(diào)研，結(jié)合《Paladin Design Base高級暫態(tài)穩(wěn)定性分析程序手冊》上的發(fā)電機(jī)模型說明，在本文的計算中，發(fā)電機(jī)使用考慮阻尼繞組的雙軸模型（次暫態(tài)模型）。

（2）發(fā)電機(jī)參數(shù)。

穩(wěn)定性計算中發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

3 ?仿真分析

本文中暫態(tài)穩(wěn)定性分析模擬故障類型有：正常切機(jī);海纜發(fā)生三相短路故障;負(fù)荷突變。通過EDSA軟件進(jìn)行仿真得到結(jié)果如下。

（1）正常切機(jī)對系統(tǒng)的影響。

正常運(yùn)行時一臺發(fā)電機(jī)在t=1s時刻切除后，系統(tǒng)受到一個擾動，系統(tǒng)頻率、電壓出現(xiàn)波動，同時由發(fā)電機(jī)供電的負(fù)荷轉(zhuǎn)移至系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，因此在t=1s時繼續(xù)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)有功輸出都有所增加，相對功角變大，頻率有所下降，電壓發(fā)生波動，最終在自動調(diào)節(jié)裝置的作用下，系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，頻率穩(wěn)定在49.6Hz，電壓標(biāo)幺值穩(wěn)定在1.0，均滿足暫態(tài)穩(wěn)定判據(jù)。仿真圖形如圖2所示。

（2）海纜三相故障對系統(tǒng)的影響。

正常運(yùn)行時，一10.5kV海纜在t=1s時發(fā)生三相短路故障，并在0.2s后被切除，一部分負(fù)荷脫離系統(tǒng)，系統(tǒng)總負(fù)荷低于發(fā)電機(jī)總出力，最終在自動調(diào)節(jié)裝置的作用下，發(fā)電機(jī)出力迅速減小，相對功角、系統(tǒng)頻率、電壓系統(tǒng)波動后重新恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。仿真圖形如圖3所示。

（3）負(fù)荷突變對系統(tǒng)的影響。

正常運(yùn)行時一臺1570kW大電機(jī)起動，系統(tǒng)相對功角、頻率、電壓出現(xiàn)波動，系統(tǒng)總負(fù)荷突然增加，在自動調(diào)節(jié)裝置的作用下，發(fā)電機(jī)增加出力，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。仿真圖形如圖4所示。

4 ?結(jié)語

本文首先介紹了EDSA軟件的特點(diǎn)及其暫態(tài)穩(wěn)定性分析功能;其次，從功角穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性三個方面闡述了暫態(tài)穩(wěn)定性判據(jù);然后以某海上油田為例通過建立仿真模型與設(shè)置電氣參數(shù)，在切機(jī)、海纜故障、電動機(jī)起動三種不同擾動方式下進(jìn)行了仿真分析，獲得發(fā)電機(jī)相對功角、頻率、電壓相應(yīng)的變化曲線，根據(jù)曲線分析油田電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而驗(yàn)證了所述案例油田電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1] 高博，趙毅，王一鳴，等.基于ETAP軟件的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性仿真研究[J]. 沈陽工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版， 2016，12（1）：48-54.

[2] 平朝春.基于ETAP的海洋石油工程電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析[A].度海洋工程學(xué)術(shù)會議[C].2010.

[3] 李璇.海上石油平臺的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究[D].天津大學(xué)，2014.