海上平臺多類型發(fā)電機組暫態(tài)穩(wěn)定性研究

王艷紅，平朝春，尚超

（中海油研究總院有限責任公司，北京，100028）

1 概述

海洋石油開發(fā)工程設(shè)施的電力系統(tǒng)的容量相對陸地系統(tǒng)的容量小很多，更容易受到各種擾動的影響，在工程設(shè)計階段有必要進行暫態(tài)穩(wěn)定性分析，以保證開發(fā)設(shè)施電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定[1]。目標油田電力系統(tǒng)如圖1所示，CEPI、CEPJ、WHPG、WHPH四個平臺共同組成了一個統(tǒng)一的電力系統(tǒng)。聯(lián)網(wǎng)電力系統(tǒng)的發(fā)電機組位于CEPI、CEPJ平臺上。CEPI平臺配置1臺容量為2.6MW的天然氣發(fā)電機和4臺容量均為7.6MW的原油發(fā)電機。CEPJ平臺配置4臺容量均為7.6MW的原油發(fā)電機，同時在FPSO上還存在5臺7.3MW原油發(fā)電機組和1臺6.5MW燃氣透平發(fā)電機組，兩種類型機組并網(wǎng)運行，為FPSO及7座井口平臺供電。

圖1 目標油田電力系統(tǒng)示意圖

一方面，CEPI天然氣發(fā)電機容量和機組型式與原油發(fā)電機組相差較大，F(xiàn)PSO上也存在原油和燃氣透平兩種類型發(fā)電機組，如果未來新老油田組網(wǎng)，將存在4種不同容量和類型的發(fā)電機組。特別是天然氣發(fā)電機容量相對原油發(fā)電機和透平發(fā)電機容量較小，其運行穩(wěn)定性值得關(guān)注。另一方面，天然氣發(fā)電機實際運行狀態(tài)不很平穩(wěn)，偶爾出現(xiàn)發(fā)電機組非故障性停機，其出力也達不到設(shè)計能力。

本文采用ETAP仿真軟件，分析在多類型發(fā)電系統(tǒng)中，不同類型發(fā)電機在一定擾動作用下的運行穩(wěn)定性，包括功角、電壓、頻率等電氣量隨時間的變化特性，尤其是小功率天然氣發(fā)電機接入對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

2 分析方法

暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在某個運行情況下突然受到大的擾動后，能否經(jīng)過暫態(tài)過程達到新的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)或者恢復(fù)到原來的狀態(tài)[2]。電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析主要是分析從擾動發(fā)生到擾動消失、電力系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運行期間電力系統(tǒng)中發(fā)電機的機械與電氣狀態(tài)的變化過程，主要包括功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定三個方面。若三者都穩(wěn)定，則系統(tǒng)穩(wěn)定；若有一個不穩(wěn)定，即認為系統(tǒng)不穩(wěn)定。

本文選取系統(tǒng)大方式運行（即最大負荷），突加負荷后的暫態(tài)穩(wěn)定性作為研究對象，采用時域仿真法分析電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，軟件采用ETAP。

3 元件模型

利用ETAP進行暫態(tài)穩(wěn)定性分析，需建立相應(yīng)的電力系統(tǒng)模型，包括發(fā)電機模型、調(diào)速器模型、勵磁器模型、負荷模型及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的變壓器、電纜等模型。其中，變壓器、電纜及負荷模型參照電網(wǎng)實際參數(shù)來設(shè)置。

3.1 發(fā)電機模型

在ETAP中發(fā)電機有三種動態(tài)模型：等效模型、暫態(tài)模型和次暫態(tài)模型，等效模型比較簡單參數(shù)少，暫態(tài)模型參數(shù)比等效模型復(fù)雜，次暫態(tài)模型是軟件可選模型中最復(fù)雜的，參數(shù)最多也最接近實際發(fā)電機。為得到更為準確的動態(tài)分析結(jié)果，本文選用發(fā)電機的次暫態(tài)模型，即六階模型。

六階同步發(fā)電機模型用微分方程表示如下：

圖2 發(fā)電機等效模型電路圖

對發(fā)電機的模型參數(shù)使用的是發(fā)電機供貨商提供的參數(shù)，對于無法取得的參數(shù)使用典型值。

3.2 調(diào)速器模型

調(diào)速器由速度感受元件、控制機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)組成。

在ETAP中燃氣透平調(diào)速系統(tǒng)的模型主要有GT、GT2、GT3、GTF、GP、MARS、ST60、ST70、LM250、LM600等多種，本文選用適用于索拉透平的調(diào)速器模型ST70（Solar Taurus 70 Solonox Gas Fuel Turbine-Governor），其模型框圖如圖3：

圖3 ST70調(diào)速器模型

在ETAP中原油發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)的模型主要有DT和UG8等，本文選用通用的DT模型，其模型框圖如圖4：

天然氣發(fā)電機組其類型類似原油發(fā)電機組，因此也選用DT作為調(diào)速器模型。

3.3 勵磁器模型

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)主要包括：勵磁電源裝置、勵磁調(diào)節(jié)裝置、自動滅磁裝置、保護裝置、控制系統(tǒng)、信號系統(tǒng)和測量儀表等。

本文發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)采用IEEE MODEL AC8B模型，傳遞函數(shù)如圖5所示。

3.4 負荷模型

電網(wǎng)各母線負荷采用等效負荷模型，總負荷根據(jù)電網(wǎng)各母線實際總負荷設(shè)置，功率因數(shù)0.8-0.9，一般為80%恒容量（電機負載）+20%恒阻抗（靜態(tài)負荷）。沖擊等效負荷為70%恒容量（電機負載）+30%恒阻抗（靜態(tài)負荷）。

4 仿真分析

4.1 單一類型發(fā)電機組在同一擾動作用下的響應(yīng)特性

圖4 DT調(diào)速器模型

圖5 IEEE MODEL AC8B勵磁系統(tǒng)模型

本分析案例中，只運行其中一種發(fā)電機組，分析突加負荷沖擊對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。CEPI平臺中壓負荷模型為70%恒容量（電機負載）+30%恒阻抗（靜態(tài)負荷）。突加負荷均設(shè)置為500kW，沖擊動作于1s，仿真時長20s，步長0.001s。

仿真曲線見圖6～圖8，包括發(fā)電機電壓、頻率、功角、有功功率。

圖6 天然氣發(fā)電機仿真曲線

圖7 原油發(fā)電機仿真曲線

圖8 燃氣透平發(fā)電機仿真曲線

對上述仿真結(jié)果匯總對比見表1。

表1 單一類型發(fā)電機特性對比

從電氣指標的恢復(fù)速度來看，原油發(fā)電機暫態(tài)特性較好，天然氣發(fā)電機次之，燃氣透平發(fā)電機恢復(fù)最慢；從發(fā)電機機械功率來看，原油發(fā)電機與燃氣透平發(fā)電機恢復(fù)速度相當，天然氣發(fā)電機機械功率恢復(fù)最快；從各項指標振蕩幅度來看，天然氣發(fā)電機振幅最大，原油發(fā)電機次之，燃氣透平發(fā)電機最小。

換言之，天然氣發(fā)電機調(diào)節(jié)速度較快，但電壓頻率的振幅較大；燃氣透平發(fā)電機調(diào)節(jié)速度最慢，但電壓頻率的振幅最??；原油發(fā)電機調(diào)節(jié)速度優(yōu)于天然氣發(fā)電機，電壓頻率的振幅也低于天然氣發(fā)電機。

4.2 天然氣和原油發(fā)電機組的暫態(tài)穩(wěn)定性

本分析案例中，天然氣發(fā)電機與原油發(fā)電機同時運行，分析突加負荷沖擊對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。CEPI平臺中壓負荷模型為70%恒容量（電機負載）+30%恒阻抗（靜態(tài)負荷）。突加負荷均設(shè)置為500kW，沖擊動作于1s，仿真時長10s，步長0.001s。

仿真曲線見圖9。

圖9 天然氣和原油發(fā)電機組仿真曲線

對上述仿真結(jié)果匯總對比見表2。

表2 天然氣+原油發(fā)電機與單一類型發(fā)電機特性對比

從發(fā)電機指標來看，天然氣發(fā)電機和原油發(fā)電機同時運行的電力系統(tǒng)暫態(tài)特性優(yōu)于天然氣發(fā)電機單獨運行的系統(tǒng)；從發(fā)電機輸出功率來看，與單一類型發(fā)電機相比，由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜（2電源4平臺3海纜），潮流變化調(diào)整較慢。

根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，突增負載后，電網(wǎng)各指標均能在一定時間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，認為天然氣發(fā)電機與原油發(fā)電機組成的電力系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的。

4.3 燃氣透平和原油發(fā)電機組的暫態(tài)穩(wěn)定性

本分析案例中，F(xiàn)PSO燃氣透平發(fā)電機與原油發(fā)電機同時運行，分析突加負荷沖擊對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。FPSO中壓負荷模型為70%恒容量（電機負載）+30%恒阻抗（靜態(tài)負荷）。突加負荷均設(shè)置為500kW，沖擊動作于1s，仿真時長25s，步長0.001s。

仿真曲線見圖10。

圖10 燃氣透平和原油發(fā)電機組仿真曲線

對上述仿真結(jié)果匯總對比見表3。

表3 透平+原油發(fā)電機與單一類型發(fā)電機特性對比

從發(fā)電機指標來看，燃氣透平發(fā)電機和原油發(fā)電機同時運行的電力系統(tǒng)暫態(tài)特性優(yōu)于單一類型發(fā)電機；從發(fā)電機輸出功率來看，與單一類型發(fā)電機相比，由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜（1電源8平臺7海纜），潮流變化調(diào)整較慢。

根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，突增負載后，電網(wǎng)各指標均能在一定時間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，認為燃氣透平發(fā)電機與原油發(fā)電機組成的電力系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的。

4.4 天然氣、原油和燃氣透平三種機組的暫態(tài)穩(wěn)定性

本分析案例中，天然氣發(fā)電機、燃氣透平發(fā)電機與原油發(fā)電機同時運行，分析突加負荷沖擊對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。CEPI平臺中壓負荷模型為70%恒容量（電機負載）+30%恒阻抗（靜態(tài)負荷），突加負荷設(shè)置為500kW，沖擊動作于1s。FPSO平臺中壓負荷模型為70%恒容量（電機負載）+30%恒阻抗（靜態(tài)負荷），突加負荷設(shè)置為500kW，沖擊動作于10s。仿真時長20s，步長0.001s。

仿真曲線見圖11。

圖11 天然氣、原油和燃氣透平三種機組仿真曲線

對上述仿真結(jié)果匯總對比見表4。

表4 三種發(fā)電機與單一類型發(fā)電機特性對比

從發(fā)電機本身指標來看，三類發(fā)電機同時運行的電力系統(tǒng)暫態(tài)特性優(yōu)于單一類型發(fā)電機；從發(fā)電機輸出功率來看，與單一類型發(fā)電機相比，由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜（3電源12平臺10海纜），潮流變化調(diào)整速度比單一類型發(fā)電機系統(tǒng)慢。

根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，突增負載后，電網(wǎng)各指標均能在一定時間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，認為天然氣發(fā)電機、燃氣透平發(fā)電機與原油發(fā)電機組成的多類型發(fā)電機電力系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的。

5 結(jié)論

本文對天然氣發(fā)電機單機系統(tǒng)、原油發(fā)電機單機系統(tǒng)、燃氣透平發(fā)電機單機系統(tǒng)、天然氣發(fā)電機與原油發(fā)電機組成的系統(tǒng)、燃氣透平與原油發(fā)電機組成的系統(tǒng)、天然氣透平與原油發(fā)電機組成的系統(tǒng)共6種運行模式進行了負荷沖擊下的暫態(tài)穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明上述6種運行模式均是暫態(tài)穩(wěn)定的。

單機系統(tǒng)下，恢復(fù)速度與振蕩幅值往往呈負相關(guān)特性，即系統(tǒng)的快速性與穩(wěn)定性不能兼得，如天然氣發(fā)電機反應(yīng)速度較快，但振蕩較大，而燃氣透平發(fā)電機反應(yīng)速度較慢，但振蕩較小。相對于單機系統(tǒng)，2種或3種類型發(fā)電機組成的系統(tǒng)可使不同類型的發(fā)電機特性互補，從而兼顧快速性與穩(wěn)定性，得到優(yōu)于單類型發(fā)電系統(tǒng)的暫態(tài)特性。

通過分析，初步判斷小容量的天然氣發(fā)電機接入由容量相對較大的原油機和透平組成的發(fā)電系統(tǒng)中，對小容量天然氣發(fā)電機本身而言其暫態(tài)穩(wěn)定性是有利的，能在一定范圍內(nèi)改善天燃氣發(fā)電機的抗負荷沖擊能力。