特高壓聯(lián)網(wǎng)及大規(guī)模新能源接入的電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性及PSS適應(yīng)性分析

梁紀(jì)峰，曾四鳴，姜 山，杜曉東，李曉軍

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司，石家莊 050021)

0 引言

近年來，風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電快速發(fā)展，截至2019年底，我國新能源發(fā)電裝機(jī)容量突破4億k W，其中河北省南部電網(wǎng)(簡稱“河北南網(wǎng)”)新能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1 027萬k W，裝機(jī)占比達(dá)到了26%。大規(guī)模的隨機(jī)性新能源并入電網(wǎng)構(gòu)成了隨機(jī)-確定性多源耦合電力系統(tǒng)，電網(wǎng)的電力電子化特征越來越明顯，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和風(fēng)險(xiǎn)抵御能力不斷降低。同時(shí)伴隨華北電網(wǎng)特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)的建成，華北電網(wǎng)內(nèi)部的西電東送格局發(fā)生了根本改變，逐步由傳統(tǒng)的山西電網(wǎng)和蒙西電網(wǎng)經(jīng)河北電網(wǎng)轉(zhuǎn)供京津和山東的潮流走向，轉(zhuǎn)變?yōu)槿A北電網(wǎng)內(nèi)部省間相互支援、靈活互濟(jì)，導(dǎo)致河北南網(wǎng)及華北電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)特性均發(fā)生了很大變化，加之地區(qū)電網(wǎng)的發(fā)展、電源的建設(shè)和負(fù)荷水平的增加，河北南網(wǎng)發(fā)生低頻振蕩的風(fēng)險(xiǎn)不斷積聚[1-3]。

目前抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩最常用、最有效的技術(shù)措施是在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)安裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)[4]。但是現(xiàn)有的PSS均采用單機(jī)-無窮大數(shù)學(xué)模型逐機(jī)進(jìn)行參數(shù)整定，且參數(shù)整定后長期維持不變，無法隨電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化實(shí)時(shí)調(diào)整，無法滿足電網(wǎng)運(yùn)行方式下的阻尼增強(qiáng)目的。因此，隨著在大規(guī)模隨機(jī)性新能源通過特高壓電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送，尤其是電力現(xiàn)貨交易市場的建設(shè)，研究現(xiàn)有PSS在電網(wǎng)復(fù)雜運(yùn)行方式變化情況下的適應(yīng)性和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定水平具有重要意義。

1 河北南網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性分析

1.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

截至2019年底，河北南網(wǎng)投運(yùn)2座特高壓交流變電站，分別為1 000 k V雄安站和邢臺(tái)站，2站之間保持雙回特高壓線路聯(lián)系。雄安站分別通過特高壓雙回線與1 000 k V張北、晉北、天津南特高壓站相連，并通過500 k V雄安-易水雙回線向河北南網(wǎng)供電，下注功率約700 MW；1 000 k V邢臺(tái)站分別通過特高壓雙回線與1 000 k V洪善、泉城、豫北特高壓站相連，并通過500 k V邢臺(tái)-武邑雙回、邢臺(tái)-彭村雙回、邢臺(tái)-宗州雙回共6回線路向河北南網(wǎng)供電，下注功率約2 600 MW；共有12回特高壓線路將河北南網(wǎng)與外部電網(wǎng)聯(lián)系起來。

2019年底，河北南網(wǎng)共有統(tǒng)調(diào)火力發(fā)電廠26座，裝機(jī)容量合計(jì)29 254 MW，水電裝機(jī)容量1 262 MW，風(fēng)電裝機(jī)容量2 818 MW、光伏發(fā)電裝機(jī)容量7 547 MW。河北南網(wǎng)電源接入電網(wǎng)比較分散，除滄東電廠等9座電廠的部分發(fā)電機(jī)母線直接接入500 k V系統(tǒng)外，其余火力發(fā)電機(jī)母線分別接入220 k V電壓等級(jí)。

1.2 動(dòng)態(tài)特性變化

電網(wǎng)交直流互聯(lián)勢必經(jīng)歷一個(gè)從弱聯(lián)系到強(qiáng)聯(lián)系的發(fā)展過程，過渡階段會(huì)存在十分突出的小干擾安全穩(wěn)定問題，在某些極端的運(yùn)行方式下容易誘發(fā)區(qū)間模式的低頻振蕩事故。河北南網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性計(jì)算分析，分別基于國調(diào)中心下發(fā)的2015年與2019年全國聯(lián)網(wǎng)典型運(yùn)行方式計(jì)算數(shù)據(jù)，采用中國電科院PSASP7.31版本軟件開展小干擾穩(wěn)定計(jì)算分析[5]。通過選取與河北南網(wǎng)機(jī)組有關(guān)的機(jī)電振蕩模式進(jìn)行分析，其中0.19 Hz為頻率最低的大區(qū)電網(wǎng)機(jī)電振蕩模式，對比2015水平年與2019水平年計(jì)算結(jié)果，可知該模式是由于特高壓交直流聯(lián)網(wǎng)及大規(guī)模新能源接入后新增的區(qū)間振蕩模式，該振蕩模式與河北南網(wǎng)相關(guān)的機(jī)組參與因子如表1所示。

表1 河北南網(wǎng)參與振蕩機(jī)組參與因子

通過上述特高壓聯(lián)網(wǎng)及大規(guī)模新能源接入前后小干擾穩(wěn)定對比計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn)，在華北特高壓交直流聯(lián)網(wǎng)及河北南網(wǎng)新能源大規(guī)模接入后，華北電網(wǎng)內(nèi)部新增了大區(qū)電網(wǎng)低頻振蕩模式，振蕩頻率低于0.2 Hz，涉及機(jī)組數(shù)量較多，且包括河北南網(wǎng)的邯峰電廠等機(jī)組。隨著河北-山東特高壓交流環(huán)網(wǎng)的建成投運(yùn)，河北南網(wǎng)與山東電網(wǎng)間的電網(wǎng)潮流相較以往有了大幅變化，因此，應(yīng)針對上述新增的低頻振蕩模式，及時(shí)研究制定相應(yīng)的低頻振蕩預(yù)控措施，提高河北南網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定水平，防止振蕩事故發(fā)生。

2 河北南網(wǎng)現(xiàn)有PSS適應(yīng)性分析

基于河北南網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性計(jì)算結(jié)果，選取阻尼比偏低的2個(gè)發(fā)電機(jī)組:邯鄲熱電1號(hào)機(jī)組及邢臺(tái)熱電1號(hào)機(jī)組進(jìn)行原有PSS適應(yīng)性分析。計(jì)算基于河北南網(wǎng)2019年度豐大、豐小、枯大和枯小4個(gè)典型運(yùn)行方式計(jì)算數(shù)據(jù)。

2.1 豐大方式

根據(jù)河北南網(wǎng)豐大方式的小干擾穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，配置原PSS參數(shù)在豐大運(yùn)行方式下無弱阻尼和負(fù)阻尼，系統(tǒng)在豐大運(yùn)行方式下能夠滿足小干擾穩(wěn)定條件。圖1為豐大運(yùn)行方式下邯鄲熱電1號(hào)機(jī)組及邢臺(tái)熱電1號(hào)機(jī)組的有功功率振蕩曲線，邯鄲熱電1號(hào)機(jī)組功率振蕩5次，邢臺(tái)熱電1號(hào)機(jī)組功率振蕩4次，具有較好的低頻振蕩抑制效果。

圖1 豐大方式原PSS參數(shù)下機(jī)組有功功率振蕩曲線

2.2 豐小方式

根據(jù)河北南網(wǎng)豐小方式小干擾穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，配置原PSS參數(shù)在豐小運(yùn)行方式下無弱阻尼和負(fù)阻尼，在豐小運(yùn)行方式下能夠滿足小干擾穩(wěn)定條件。

圖2為豐小運(yùn)行方式下邯鄲熱電1號(hào)機(jī)組和邢臺(tái)熱電1號(hào)機(jī)組的有功功率振蕩曲線，邯鄲熱電1號(hào)機(jī)組功率振蕩＞10次，平息較慢，PSS抑制效果不明顯，邢臺(tái)熱電1號(hào)機(jī)組振蕩10次，具有較好低頻振蕩抑制效果。

圖2 豐小方式原PSS參數(shù)下機(jī)組有功功率振蕩曲線

2.3 枯大方式

根據(jù)河北南網(wǎng)枯大方式的小干擾穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，配置原PSS參數(shù)在枯大運(yùn)行方式下無弱阻尼和負(fù)阻尼，系統(tǒng)在枯大運(yùn)行方式下能夠滿足小干擾穩(wěn)定條件。

圖3為枯大運(yùn)行方式下邯鄲熱電1號(hào)機(jī)組和邢臺(tái)熱電1號(hào)機(jī)組的有功功率振蕩曲線，邯鄲熱電1號(hào)機(jī)組功率振蕩6次，邢臺(tái)熱電1號(hào)機(jī)組功率振蕩8次，具有較好的低頻振蕩抑制效果。

圖3 枯大方式原PSS參數(shù)下機(jī)組有功功率振蕩曲線

2.4 枯小方式

根據(jù)河北南網(wǎng)枯小方式的小干擾穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，配置原PSS參數(shù)在枯小運(yùn)行方式下無弱阻尼和負(fù)阻尼，系統(tǒng)在枯小運(yùn)行方式下能夠滿足小干擾穩(wěn)定條件。

圖4為枯小運(yùn)行方式下邯鄲熱電1號(hào)機(jī)組和邢臺(tái)熱電1號(hào)機(jī)組的有功功率振蕩曲線，邯鄲1號(hào)機(jī)組功率振蕩8次，邢臺(tái)熱電1號(hào)機(jī)組功率振蕩11次，具有較好的低頻振蕩抑制效果。

圖4 枯小方式原PSS參數(shù)下機(jī)組有功功率振蕩曲線

3 結(jié)論

通過上述計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，河北南網(wǎng)既有PSS在多數(shù)方式下能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供高阻尼，但在豐小方式下為系統(tǒng)提供阻尼不足，存在低頻振蕩抑制效果不理想的情況，表明既有PSS無法為河北南網(wǎng)提供全運(yùn)行方式下的低頻振蕩抑制作用。

通過基于全國聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的電網(wǎng)仿真計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)大規(guī)模新能源接入及特高壓聯(lián)網(wǎng)后河北南網(wǎng)出現(xiàn)了新的大區(qū)低頻振蕩模式，現(xiàn)有PSS參數(shù)在不同運(yùn)行方式下為系統(tǒng)提供的阻尼不盡相同，在多數(shù)情況下呈強(qiáng)阻尼的PSS在某種運(yùn)行方式下無法及時(shí)有效抑制系統(tǒng)的低頻振蕩。建議進(jìn)一步研究適應(yīng)電網(wǎng)多種運(yùn)行方式的新型PSS，以增強(qiáng)相關(guān)機(jī)組及電網(wǎng)的阻尼水平，防止大電網(wǎng)低頻振蕩事故的發(fā)生。