微電網(wǎng)負(fù)荷振蕩故障分析

宋永彬 喬亞軍

摘? ?要：某海域常年穩(wěn)定運(yùn)行微電網(wǎng)，隨著近年周邊平臺(tái)陸續(xù)接入，微電網(wǎng)擴(kuò)容后運(yùn)行穩(wěn)定性逐漸減弱，某天突發(fā)負(fù)荷較大幅度波動(dòng)引發(fā)全網(wǎng)振蕩，該故障暴露出電網(wǎng)隱患常年存在，并且逐漸惡化直至威脅安全生產(chǎn)，引發(fā)深層次技術(shù)思考。本文從技術(shù)層面深入探討故障原因，通過動(dòng)力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型理性分析，最后提出徹底解決該問題多種途徑。

關(guān)鍵詞：勵(lì)磁控制? 燃料控制閥? 電網(wǎng)振蕩? 阻尼作用? 微電網(wǎng)

某油田群為提高電力供應(yīng)穩(wěn)定性，組建海上平臺(tái)微電網(wǎng)系統(tǒng)。電力系統(tǒng)包含4個(gè)動(dòng)力平臺(tái)12臺(tái)雙燃料12MW單軸機(jī)組及4臺(tái)10MW雙燃料雙軸機(jī)組。油田群區(qū)域內(nèi)20多座平臺(tái)通過海底動(dòng)力電纜完成電力系統(tǒng)組網(wǎng)。組網(wǎng)機(jī)組的運(yùn)行模式經(jīng)過多次專家討論，全部機(jī)組采用有功有差和無功有差方式并列運(yùn)行，增設(shè)一套微電網(wǎng)管理系統(tǒng)。各平臺(tái)機(jī)組原有無差控制模式的有功自動(dòng)平衡和無功橫流補(bǔ)償全部退出。電網(wǎng)管理系統(tǒng)投用10年，電網(wǎng)承受多次故障沖擊，基本運(yùn)行穩(wěn)定。

1? 故障描述

2019年7月底開始動(dòng)力平臺(tái)在網(wǎng)10MW雙軸組機(jī)A負(fù)載瞬間波動(dòng)沖擊到電網(wǎng)，10MW雙軸機(jī)組BC在承接負(fù)載后造成直接關(guān)停，振蕩波及電網(wǎng)，持續(xù)40多分鐘仍然無法停止，電網(wǎng)操作人員將A機(jī)組減載退出電網(wǎng)，振蕩隨即衰減直至消失，電網(wǎng)恢復(fù)穩(wěn)定，如圖1。故障期間電網(wǎng)10臺(tái)發(fā)電機(jī)在網(wǎng)，6臺(tái)備用（維護(hù)）。油田總負(fù)載約75MW，按照電網(wǎng)額定容量計(jì)算，每臺(tái)機(jī)組帶載率為64%，總旋轉(zhuǎn)余量為12×8+10×2-75=41MW。A機(jī)負(fù)荷波動(dòng)幅度2MW～8MW間，對整個(gè)電網(wǎng)容量的沖擊并不大，遠(yuǎn)沒有超出正常電網(wǎng)的承擔(dān)能力，電網(wǎng)振蕩是隱藏問題的暴露。

2? 理論分析

在一個(gè)典型互相連接的發(fā)電動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)，在不考慮極性、變頻、減速齒輪等因素的情況下，所有同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子都旋轉(zhuǎn)于相同的平均轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)輸出上網(wǎng)的電能與原動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械能對等。在理想穩(wěn)定工況下輸出的電能與輸入的機(jī)械能保持平衡。原動(dòng)機(jī)輸入到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械能等于力矩和轉(zhuǎn)速的乘積，并且力矩的方向?yàn)檗D(zhuǎn)子的旋向，但施加在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的電力矩是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的反向。當(dāng)電力系統(tǒng)由于故障或負(fù)載沖擊會(huì)造成發(fā)電機(jī)輸出的電能發(fā)生變化。發(fā)電機(jī)側(cè)電能變化相對原動(dòng)機(jī)側(cè)機(jī)械能的改變通常要快速的多。由于這個(gè)差異造成對頻率/轉(zhuǎn)速的不同響應(yīng)，會(huì)瞬時(shí)打破上述電能和機(jī)械能的平衡。力矩的不平衡將造成轉(zhuǎn)子向不平衡方向加速或減速以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在此過程中，如出現(xiàn)其他的瞬態(tài)干擾，則可能出現(xiàn)干擾疊加造成系統(tǒng)振蕩。

數(shù)個(gè)發(fā)電機(jī)并列的動(dòng)力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性可以用典型的數(shù)學(xué)模型動(dòng)力系統(tǒng)模擬表示，如圖2所示。每一個(gè)重量都是一個(gè)發(fā)電機(jī)和原動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的擾動(dòng)都會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的振蕩（見圖3）。由于系統(tǒng)的阻尼作用，在下一次干擾發(fā)生前振蕩會(huì)最終平衡。振蕩的頻率與系統(tǒng)中的重量和阻尼相關(guān)，所以不同系統(tǒng)的固有振蕩頻率是不一樣的。如果干擾持續(xù)不斷的存在于某個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且每次干擾發(fā)生于上一次干擾導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩且未完全恢復(fù)之前，則系統(tǒng)會(huì)在一定的阻尼因素下持續(xù)振蕩，并且隨干擾的強(qiáng)度和頻率變化。如果干擾的頻率與系統(tǒng)固有頻率恰好一致，則會(huì)造成振幅疊加，嚴(yán)重的情況會(huì)造成系統(tǒng)走向臨界狀態(tài)。

同理，故障或負(fù)載沖擊可以看作是一個(gè)對孤立的電力系統(tǒng)的瞬態(tài)干擾，會(huì)打破發(fā)電機(jī)的輸出電能和輸入機(jī)械能的平衡，造成孤立電力系統(tǒng)本身的振蕩。另外，與典型的模擬動(dòng)力系統(tǒng)不同，每個(gè)發(fā)電機(jī)本身的慣量是動(dòng)態(tài)的自身控制平衡，即是潛在的對系統(tǒng)的干擾來源之一。由此可知每個(gè)發(fā)電機(jī)的狀態(tài)都對系統(tǒng)的影響是很大的。在實(shí)際電網(wǎng)中還有由于勵(lì)磁系統(tǒng)對電機(jī)轉(zhuǎn)子激勵(lì)和轉(zhuǎn)子力矩同步響應(yīng)的滯后會(huì)對功率輸出產(chǎn)生的小信號(hào)干擾。小信號(hào)干擾會(huì)一直危害系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常會(huì)發(fā)生在相鄰機(jī)組之間，或不同母排的兩組或數(shù)組機(jī)組之間，頻率大致在0.7～3Hz范圍。如果小信號(hào)造成的振蕩與如上瞬態(tài)干擾造成的系統(tǒng)振蕩疊加，同樣會(huì)加劇破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定。所以綜上所述，本次電網(wǎng)振蕩是由于A機(jī)的負(fù)載波動(dòng)沖擊造成的瞬間干擾破壞了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在阻尼作用下系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定之前，其中在網(wǎng)的其他機(jī)組由于接載失衡，隨即自身控制產(chǎn)生波動(dòng)變成干擾來源，對系統(tǒng)進(jìn)一步干擾導(dǎo)致微電網(wǎng)發(fā)生振蕩。

3? 故障處理探討

由于微電網(wǎng)多年運(yùn)行，先后有多個(gè)批次平臺(tái)接入電網(wǎng)。固有運(yùn)行特征發(fā)生變化，當(dāng)有功負(fù)荷較大，在容性負(fù)荷情況下，阻尼力矩變?yōu)樨?fù)阻尼，易發(fā)生系統(tǒng)低頻振蕩。聯(lián)絡(luò)線負(fù)荷增加，阻尼減弱，故此低頻振蕩都在聯(lián)絡(luò)線負(fù)荷較大時(shí)發(fā)生，削弱輸送功率利于電網(wǎng)穩(wěn)定。如果電網(wǎng)感性負(fù)荷較大，功角會(huì)減小，阻尼增大，利于系統(tǒng)穩(wěn)定。本次對故障機(jī)組減載直到退網(wǎng)，負(fù)荷振蕩立即消失就是這個(gè)道理。

因電力系統(tǒng)及自動(dòng)化技術(shù)革新，數(shù)字化勵(lì)磁控制器、機(jī)組控制系統(tǒng)以及燃料控制閥產(chǎn)品迭代使得系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)大為減少，從而降低了電力系統(tǒng)的阻尼特性。當(dāng)功角較大，勵(lì)磁將提供阻尼，當(dāng)勵(lì)磁增益在一定范圍內(nèi)增加時(shí)候，負(fù)阻尼將會(huì)增大，勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)及轉(zhuǎn)子繞組時(shí)間常數(shù)越小，負(fù)阻尼越大。弱化勵(lì)磁系統(tǒng)響應(yīng)，利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。本次處理重新計(jì)算了勵(lì)磁PID參數(shù)，使得各機(jī)組勵(lì)磁動(dòng)態(tài)特性更加協(xié)調(diào)，響應(yīng)增益有了7倍數(shù)量級(jí)降幅。

微電網(wǎng)雖配置了一套電網(wǎng)管理系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)僅對頻率、電壓進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，約為10s調(diào)節(jié)一次，這種調(diào)節(jié)只對穩(wěn)態(tài)有效，暫態(tài)調(diào)節(jié)必須依靠機(jī)組控制系統(tǒng)和勵(lì)磁控制系統(tǒng)快速響應(yīng)。微電網(wǎng)系統(tǒng)機(jī)組間相對聯(lián)系較弱，電力系統(tǒng)弱阻尼特性進(jìn)一步加劇了系統(tǒng)不穩(wěn)定性！當(dāng)聯(lián)絡(luò)線一端機(jī)組對另一端機(jī)組產(chǎn)生相對搖擺，這種振蕩式被稱區(qū)域振蕩，其振蕩頻率在0.2～0.5Hz。微電網(wǎng)機(jī)組間聯(lián)系較弱，系統(tǒng)等效電抗大，功角大，阻尼轉(zhuǎn)矩小，容易發(fā)生負(fù)阻尼及振蕩失步，加強(qiáng)系統(tǒng)聯(lián)系可以防止負(fù)阻尼，這樣會(huì)增加投資，而且隨著電力系統(tǒng)不斷拓展，原有電網(wǎng)強(qiáng)聯(lián)系也會(huì)逐漸弱化。當(dāng)燃料控制閥迭代響應(yīng)速度顯著增加時(shí)，會(huì)對系統(tǒng)提供負(fù)阻尼，在電力系統(tǒng)聯(lián)系弱化、容性負(fù)荷、以及勵(lì)磁增益過大，阻尼轉(zhuǎn)矩會(huì)變負(fù)，電力系統(tǒng)不穩(wěn)定。要想提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，就需要減少負(fù)阻尼，增加正阻尼。

同時(shí)，要摸清各個(gè)機(jī)組的負(fù)載特性（包括負(fù)載調(diào)速和勵(lì)磁調(diào)壓微電網(wǎng)）是否適合并網(wǎng)運(yùn)行。合適的負(fù)載轉(zhuǎn)速增益要兼顧負(fù)載控制漂移（小波動(dòng)）和負(fù)載沖擊時(shí)的階躍響應(yīng)，并與其他在網(wǎng)機(jī)組負(fù)載特性盡量保持一致，以減少擾動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)不同步超出正常控制的可能。

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