大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)條件下山東電網(wǎng)低頻振蕩分析

董 霜，朱子釗，牛遠(yuǎn)方

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

1 山東電網(wǎng)規(guī)劃概況

山東省是一個水資源匱乏、煤炭供不應(yīng)求、環(huán)保空間有限、土地相對偏少的省份，資源條件成為制約山東省電源發(fā)展的重要因素。山東省煤炭資源探明地質(zhì)儲量331億t，約占全國的3%，人均儲量不足全國平均水平的一半。山東省的資源和自然條件決定了在今后相當(dāng)長的一個時期內(nèi)，以煤電為主的能源格局不會改變。這就對山東轉(zhuǎn)變電力發(fā)展方式提出了迫切要求，積極接納省外電力將成為今后山東電力發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。

2010年，山東電網(wǎng)通過兩個500kV雙回線路(辛安-聊城雙回線路和黃驊-濱州雙回線路)與華北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，寧東－山東±660kV直流輸電工程單極投運(yùn)，全年共接納省外來電207.6億kWh，同比增長195%，山東電網(wǎng)接納華北來電最高負(fù)荷3500MW，11～12月份寧夏來電最高負(fù)荷2000MW。2011年建成寧東－山東±660kV直流輸電工程雙極投運(yùn)后，將山東接受省外電能力提高到7500MW；根據(jù)國家特高壓電網(wǎng)建設(shè)和電源基地開發(fā)情況，2012年山東電網(wǎng)建成濟(jì)南和濰坊2個特高壓交流工程， 屆時，山東電網(wǎng)將通過交流特高壓與華北、華中和華東實(shí)現(xiàn)直接同步聯(lián)網(wǎng)。電網(wǎng)互聯(lián)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)了電力工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。但如此龐大的電網(wǎng)形成以后，也將使弱阻尼甚至負(fù)阻尼低頻振蕩問題更加突出，原來網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱的小干擾穩(wěn)定問題也將日趨嚴(yán)重。在這一形勢下，開展山東電網(wǎng)與交流特高壓聯(lián)網(wǎng)后低頻振蕩的研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中可能存在的安全穩(wěn)定問題并提出相應(yīng)的應(yīng)對方案，對于提高山東電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)行水平、保證山東電網(wǎng)的健康發(fā)展具有重要意義。

2 低頻振蕩的分析方法

分析低頻振蕩問題，在理論上有成熟的線性化特征分析法，但系統(tǒng)大了以后(超過1000節(jié))計算系統(tǒng)特征根就成為特征分析方法應(yīng)用的最大瓶頸。對狀態(tài)變量為幾萬以上的大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，即使要僅求出為數(shù)不多的系統(tǒng)弱阻尼低頻振蕩模式、區(qū)域間低頻振蕩模式也是相當(dāng)困難的事。文獻(xiàn)[1-3]采用對系統(tǒng)進(jìn)行降階簡化的方法，完成了對規(guī)劃中的大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定分析；文獻(xiàn)[4]采用追蹤聯(lián)網(wǎng)前系統(tǒng)主要低頻振蕩模式的方法，研究了山東電網(wǎng)低頻振蕩問題；文獻(xiàn)[5]在2階經(jīng)典模型的基礎(chǔ)上求出了大區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)的主導(dǎo)低頻振蕩模式；文獻(xiàn)[6]在保持系統(tǒng)潮流不變、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不變、發(fā)電機(jī)總數(shù)不變的基礎(chǔ)上采用特殊方法求出了與四川電網(wǎng)相關(guān)的系統(tǒng)主導(dǎo)低頻振蕩模式。本文采用中國電力科學(xué)研究院PSD-SSAP電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性分析程序進(jìn)行山東電網(wǎng)小干擾穩(wěn)定計算和分析。該分析程序采用了QR算法和能夠利用稀疏矩陣特性的隱式重啟動Arnoldi算法。其中：QR算法只能適合于中小規(guī)模電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性分析，而隱式重啟動Arnoldi算法適合大規(guī)模電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性分析。由于計算的網(wǎng)絡(luò)方式為全國聯(lián)網(wǎng)，發(fā)電機(jī)數(shù)量眾多，計算數(shù)據(jù)中的狀態(tài)變量位數(shù)大大超過QR算法要求系統(tǒng)維數(shù)的限制，所以采用Arnoldi算法來進(jìn)行山東電網(wǎng)小干擾穩(wěn)定分析。

電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性相當(dāng)于一般動力學(xué)系統(tǒng)在Lyaponov意義下的漸進(jìn)穩(wěn)定性。通過計算線性化系統(tǒng)狀態(tài)矩陣的特征值、左右特征向量以及阻尼比、機(jī)電回路相關(guān)比、參與因子和特征值對參數(shù)的靈敏度等，從而分析判斷系統(tǒng)在小擾動下的行為特征。參與因子反映了系統(tǒng)中各機(jī)組對同一振蕩模式的參與程度。參與因子大，相關(guān)程度就強(qiáng)。在系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定研究中，參與因子常常用來確定PSS的配置地點(diǎn)，在參與因子大的電廠的發(fā)電機(jī)組配置PSS，一般可以得到良好的效果。特征向量的模值反映了系統(tǒng)中各機(jī)組對同一振蕩模式的影響程度，表現(xiàn)為振蕩的強(qiáng)弱程度。特征向量的相位反映了系統(tǒng)中各機(jī)組對同一振蕩模式的同調(diào)程度。

在大型電力系統(tǒng)中，小擾動穩(wěn)定性問題實(shí)質(zhì)分為局部振蕩模式和全局振蕩模式：局部振蕩模式的頻率范圍一般在0.7～2.5Hz之間；全局振蕩模式或區(qū)域振蕩模式頻率范圍一般在0.1～0.7Hz，地區(qū)局部振蕩模式又可有單機(jī)對系統(tǒng)的振蕩和少數(shù)幾臺機(jī)組(或機(jī)群)間的振蕩。

3 山東電網(wǎng)小干擾穩(wěn)定分析

3.1 小干擾分析邊界條件

計算采用的軟件為電力科學(xué)研究院PSD—SSAP“小干擾穩(wěn)定性分析程序”(2.2版)。發(fā)電機(jī)組模型采用詳細(xì)模型；已完成PSS參數(shù)測試機(jī)組加入PSS模型；考慮山東電網(wǎng)大容量機(jī)組均配置了PSS，未投產(chǎn)機(jī)組采用典型參數(shù)；負(fù)荷模型為華北、山東、東北電網(wǎng)采用恒阻抗負(fù)荷模型；華中(含四川、重慶)和華東電網(wǎng)采用60%恒功率+40%恒阻抗的靜態(tài)電壓負(fù)荷模型。計算數(shù)據(jù)采用規(guī)劃的大區(qū)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，聯(lián)網(wǎng)方式為2012年全國聯(lián)網(wǎng)方式，電網(wǎng)振蕩模式計算采用完全全國聯(lián)網(wǎng)規(guī)模，所有區(qū)外電網(wǎng)采用詳細(xì)的電網(wǎng)模型與參數(shù)。分析與山東電網(wǎng)相關(guān)的振蕩模式、模態(tài)圖和相關(guān)因子。

3.2 山東電網(wǎng)內(nèi)部振蕩模式

該模式特征根為-0.2710+j9.8757，頻率：1.5718HZ，阻尼比：0.0274，特征向量見表1(僅列出參與因子最大的前十臺機(jī)組)。該振蕩模式為山東電網(wǎng)內(nèi)部的局部廠站模式，表現(xiàn)為太陽紙業(yè)電廠、科澳廠、里彥廠對山東西南部電網(wǎng)的振蕩模式，為弱阻尼模式，會對電網(wǎng)穩(wěn)定造成一定影響，應(yīng)該在主要相關(guān)電廠，如太陽紙業(yè)電廠、里彥電廠、科澳電廠加裝PSS裝置。

圖1 山東電網(wǎng)內(nèi)部振蕩模式模態(tài)圖

表1 山東電網(wǎng)內(nèi)部振蕩模式特征向量

3.3 山東電網(wǎng)—華北電網(wǎng)振蕩模式

該模式特征根為-0.5886+j4.0751，頻率：0.6486；阻尼比：0.1358，屬于強(qiáng)阻尼振蕩模式。2012年山東電網(wǎng)通過辛安—聊城，濱州—黃驊500kV聯(lián)絡(luò)線與華北電網(wǎng)相連，由于多數(shù)大容量機(jī)組均考慮了PSS的配置，因此該振蕩模式阻尼較高。相關(guān)因子大于0.15的機(jī)組共有35臺，見圖2和表2。

圖2 山東-華北低頻振蕩的模態(tài)圖

表2 山東-華北低頻振蕩模式的強(qiáng)相關(guān)機(jī)組

續(xù)表2

3.4 其它與山東省內(nèi)發(fā)電機(jī)相關(guān)的振蕩模式

由于電網(wǎng)互聯(lián)，華北電網(wǎng)等發(fā)生低頻振蕩時，相關(guān)機(jī)組也包含山東省內(nèi)發(fā)電機(jī)。表3列出了與山東省內(nèi)發(fā)電機(jī)相關(guān)的弱阻尼(阻尼比小于0.0(3)振蕩模式。

表3 與山東省內(nèi)發(fā)電機(jī)相關(guān)的弱阻尼振蕩模式

經(jīng)過分析，上述弱阻尼振蕩模式相關(guān)發(fā)電廠均包含聊城地區(qū)的華宇熱電廠、茌平電廠、信源電廠以及希望電廠，這四個發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組均沒有安裝PSS裝置，建議合理配置PSS。

4 結(jié)論

通過以上對山東2012年規(guī)劃電網(wǎng)進(jìn)行小擾動安全穩(wěn)定分析可以得到以下結(jié)論：由于山東大容量機(jī)組大部分考慮了PSS的配置，2012年山東電網(wǎng)與華北電網(wǎng)之間的區(qū)域振蕩模式阻尼特性較好，阻尼比為0.1358；山東電網(wǎng)內(nèi)部局部振蕩模式為弱阻尼模式，阻尼比低于0.03，建議在強(qiáng)相關(guān)發(fā)電廠機(jī)組加裝PSS裝置。

小擾動振蕩模式阻尼特性與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、實(shí)時潮流大小、負(fù)荷水平、開機(jī)狀況、設(shè)備檢修的情況有關(guān)，除正常方式外，對每個特定的運(yùn)行方式，可能存在特有的振蕩模式，其它運(yùn)行方式的振蕩模式，需要在以后的工作中進(jìn)一步研究。

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