地區(qū)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分析及解決方案研究

李天權(quán),馮鵬,劉峰,吳篤貴,袁愿,鄧德能

(1.云南電網(wǎng)公司楚雄供電局,云南 楚雄 675000；2.廈門(mén)紅相電力設(shè)備股份有限公司,福建 廈門(mén) 361001)

地區(qū)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分析及解決方案研究

李天權(quán)1,馮鵬1,劉峰1,吳篤貴2,袁愿2,鄧德能2

(1.云南電網(wǎng)公司楚雄供電局,云南 楚雄 675000；2.廈門(mén)紅相電力設(shè)備股份有限公司,福建 廈門(mén) 361001)

楚雄電網(wǎng)主要通過(guò)500 kV和平變供電,無(wú)論是豐水期還是枯水期,均需要從云南電網(wǎng)受入超過(guò)50%以上的電力,為全面了解楚雄電網(wǎng)在豐大、豐小和汛前枯大三種運(yùn)行方式下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定現(xiàn)狀,通過(guò)仿真計(jì)算和振型分析表明,楚雄電網(wǎng)主要存在全網(wǎng)南北模式和老虎山東西模式兩大振蕩模式,并利用測(cè)試信號(hào)法設(shè)計(jì)出合適的STATCOM阻尼控制器,提出了多種可能的安裝方案,仿真結(jié)果證明這些方案對(duì)提高楚雄電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性具有較好效果。

低頻振蕩；STATCOM；測(cè)試信號(hào)法

0 前言

楚雄電網(wǎng)主要通過(guò)500 kV和平變供電,無(wú)論是豐水期還是枯水期,均需要從云南電網(wǎng)受入超過(guò)50%以上的電力。這種強(qiáng)受端的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和就地電源嚴(yán)重缺乏的現(xiàn)狀,是造成楚雄電網(wǎng)動(dòng)態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的本質(zhì)原因[1]。

根據(jù) 《南方電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算分析導(dǎo)則》中動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn),有 “正常方式下,系統(tǒng)中與地區(qū)中小電站群強(qiáng)相關(guān)的振蕩模式在小擾動(dòng)情況下的最低阻尼比標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不低于4.5%”。根據(jù) 《國(guó)家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算技術(shù)規(guī)范》中動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn),有 “阻尼比小于0為負(fù)阻尼,系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行；阻尼比介于0～0.02為弱阻尼；阻尼比介于0.02～0.03為較弱阻尼。在正常方式下,區(qū)域振蕩模式以及與主要大電廠、大機(jī)組強(qiáng)相關(guān)的振蕩模式的阻尼比一般應(yīng)達(dá)到0.03以上；阻尼比介于0.04～0.05為適宜阻尼；阻尼比大于0.05,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性較好。”[2-3]

根據(jù)楚雄電網(wǎng)建設(shè)的 “十二五”規(guī)劃,可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)幾年內(nèi)楚雄電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定形勢(shì)將會(huì)更加嚴(yán)峻。適當(dāng)提高對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定阻尼的要求,改善和增強(qiáng)目前系統(tǒng)的阻尼比,使其保證在極端惡劣的運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)阻尼仍然能夠滿(mǎn)足電網(wǎng)關(guān)于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn),不論對(duì)楚雄電網(wǎng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)還是未來(lái)的電網(wǎng)發(fā)展都具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。在此前提下,本文設(shè)定系統(tǒng)阻尼比達(dá)到8%～10%為較強(qiáng)阻尼,大于10%為強(qiáng)阻尼。

近年來(lái),基于GTO和IGBT等普通晶閘管器件的靜止同步補(bǔ)償器 (STATCOM)正在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。這種并聯(lián)型無(wú)功補(bǔ)償裝置能夠發(fā)出或吸收系統(tǒng)中的無(wú)功功率,以調(diào)節(jié)安裝點(diǎn)的電壓水平,控制電力系統(tǒng)的潮流分布。選擇關(guān)鍵線路的潮流作為靜止無(wú)功補(bǔ)償器的調(diào)制參數(shù),使其輸出的無(wú)功功率能夠根據(jù)調(diào)制參數(shù)的變化而動(dòng)態(tài)改變,可以大幅度改善輸電系統(tǒng)中功率振蕩的阻尼和暫態(tài)穩(wěn)定性[4]。STATCOM的功率振蕩阻尼控制器本質(zhì)上屬于單輸入、單輸出的超前-滯后相位補(bǔ)償控制器。設(shè)計(jì)STATCOM的振蕩阻尼控制器所需的基本信息包括區(qū)域間振蕩模式及其對(duì)應(yīng)的留數(shù)[5]。本文采用測(cè)試信號(hào)法進(jìn)行STATCOM附加阻尼控制器設(shè)計(jì),基于此對(duì)楚雄電網(wǎng)加裝STATCOM的低頻振蕩抑制方案進(jìn)行了仿真分析和效果對(duì)比。

1 STATCOM附加阻尼控制器設(shè)計(jì)

1.1 STATCOM附加阻尼控制器模型

在聯(lián)絡(luò)線上安裝STATCOM是阻尼低頻振蕩的一種有效手段,其附加阻尼控制器模型如圖1所示。

圖1 STATCOM附加控制器模型

附加控制器的基本原理是在STATCOM的電流參考信號(hào) I0上疊加調(diào)制信號(hào) Imod,從而改變STATCOM的輸出電流I來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域間低頻振蕩的阻尼。I0由上一級(jí)控制器決定。當(dāng)STATCOM按開(kāi)環(huán)定阻抗控制時(shí),I0可以認(rèn)為是一個(gè)定值。圖1中,為輸入信號(hào)的測(cè)量環(huán)節(jié)；為隔直環(huán)節(jié)；為附加阻尼控制器的超前-滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié),每個(gè)超前-滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)最多可實(shí)現(xiàn)60°的相位補(bǔ)償；一階慣性環(huán)節(jié)用來(lái)表示STATCOM的響應(yīng)延遲,時(shí)間常數(shù)TSTAC很小,通常只有14～20 ms。

STATCOM附加控制器參數(shù)可以采用補(bǔ)償留數(shù)相位的方法來(lái)進(jìn)行整定。由附加控制器表達(dá)成傳遞函數(shù)的形式為：

其超前-滯后環(huán)節(jié)的參數(shù)可以用如下方程進(jìn)行計(jì)算：

其中,φ是需要補(bǔ)償?shù)南辔?arg(Rk)是第k個(gè)區(qū)域間振蕩模式的留數(shù)相位,ωk是第k個(gè)區(qū)域間振蕩模式的振蕩頻率。

確定T2、T3后,可以通過(guò)分析根軌跡來(lái)確定增益K。首先,作出各種運(yùn)行方式下振蕩模式隨K變化的根軌跡；然后,利用根軌跡合理選擇K,使得第k個(gè)振蕩模式在各種運(yùn)行狀態(tài)下都具有較高的阻尼比。

1.2 附加阻尼控制器的基本設(shè)計(jì)步驟

由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性,難以通過(guò)解析法得到各種振蕩模式及其對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展留數(shù)、特征根等信息。本文采用測(cè)試信號(hào)法與Prony相結(jié)合設(shè)計(jì)STATCOM的附加阻尼控制器,簡(jiǎn)要步驟如下：

1)準(zhǔn)備好電網(wǎng)的潮流數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),并設(shè)計(jì)多種運(yùn)行方式以便于通過(guò)留數(shù)比確定合適的輸入量。

2)選擇阻尼控制器的加裝地點(diǎn)。在阻尼控制器開(kāi)環(huán)的條件下,對(duì)其輸出量Y施加小擾動(dòng),即有：

由于設(shè)計(jì)阻尼控制器的目的是為了抑制區(qū)域間振蕩,而區(qū)域間振蕩一般發(fā)生在0.3～2 Hz,所以kω0取值范圍在0≤kω0≤6即可以滿(mǎn)足要求。

3)設(shè)阻尼控制器備選輸入量為Q,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電暫態(tài)仿真至穩(wěn)態(tài),提取公共周期內(nèi)Q和Y的變化量ΔQ和ΔY,分別做離散傅里葉變換DFT (ΔY)和 DFT(ΔQ),求得頻率特性序列：G?(s)=DFT(ΔQ)/DFT(ΔY)。

4)擬合出開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=ΔQ(s)/ ΔY(s)。辨識(shí)出設(shè)計(jì)控制器需要的擴(kuò)展留數(shù)比和振蕩模式等信息。

5)更換控制器加裝點(diǎn),重復(fù) (2)～(4)步驟,獲得不同控制點(diǎn)的擴(kuò)展留數(shù)比。

6)綜合比較上述結(jié)果,確定阻尼控制器最佳加裝地點(diǎn)以及最優(yōu)反饋信號(hào)。

2 楚雄電網(wǎng)低頻振蕩分析

首先利用PSS/E研究楚雄電網(wǎng)在豐大、豐小和汛前枯大三種運(yùn)行方式下的低頻振蕩特性。考慮到系統(tǒng)最嚴(yán)重的運(yùn)行狀態(tài),所有的分析都是在基于PSS全部退出的情況下進(jìn)行的。

楚雄電網(wǎng)主要通過(guò)500 kV和平變電站接入云南電網(wǎng),整個(gè)電網(wǎng)可按照和平站兩條500 kV出線分為兩部分。一部分為武定縣電網(wǎng),其主要通過(guò)由和平至廠口的500 kV線路受電；另一部分為除武定縣電網(wǎng)后剩余的楚雄電網(wǎng)部分,主要由和平至紫溪、謝家河、元謀的三條220 kV線路受電。兩部分區(qū)域電網(wǎng)間電氣距離較遠(yuǎn),相對(duì)比較孤立,因此對(duì)楚雄電網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分析時(shí)可以排除武定縣電網(wǎng)的影響,僅考慮由紫溪、謝家河以及元謀220 kV變電站接入的電網(wǎng)。這種考慮方式對(duì)最終的分析結(jié)果基本無(wú)影響,并可簡(jiǎn)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu),使結(jié)論清晰明朗。

分析結(jié)果顯示,楚雄電網(wǎng)三種運(yùn)行方式下存在多種機(jī)電振蕩模式,主要有永仁南北振蕩模式、全網(wǎng)南北振蕩模式、老虎山片區(qū)東西側(cè)振蕩模式以及永姚南北振蕩模式,且每種振蕩模式的阻尼比均小于10%。尤其是全網(wǎng)南北振蕩模式和老虎山東西側(cè)振蕩模式,廣泛存在于每種典型運(yùn)行方式當(dāng)中,且阻尼比基本均小于8%。因此,無(wú)論是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析還是低頻振蕩抑制方案的制訂,都應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮上述兩種振蕩模式。考慮到楚雄電網(wǎng)在豐小方式下,全網(wǎng)的振蕩模式最多,振蕩阻尼較弱,振蕩形式最為復(fù)雜,故主要介紹該方式下的振蕩情況及及其抑制方案。具體的振蕩模式見(jiàn)表1。

表1 楚雄電網(wǎng)豐小方式下的振蕩模式

圖2列出了兩種典型振蕩模式的振型圖。橢圓框表示全網(wǎng)南北振蕩模式。

圖2 楚雄地區(qū)低頻振蕩振型圖

3 加裝STATCOM抑制低頻振蕩

利用STATCOM及其阻尼控制器可以有效調(diào)控電力系統(tǒng)在故障條件下的功率波動(dòng),提高功率振蕩的阻尼比。由于系統(tǒng)低頻振蕩主要表現(xiàn)為聯(lián)絡(luò)線上的功率振蕩,因此STATCOM經(jīng)常選擇與安裝點(diǎn)母線相連的關(guān)鍵線路的有功功率作為其阻尼控制器的附件輸入。為了方便比較,所有的安裝方案選擇的安裝容量均為10 MVar。

3.1 全網(wǎng)南北模式抑制效果

該模式主要為永仁地區(qū)與老虎山西郊側(cè)和煙廠側(cè)地區(qū)機(jī)組間的振蕩,因此可以考慮分別在這三塊地區(qū)的主要聯(lián)絡(luò)母線上安裝STATCOM,并于謝家河112母線上施加0.02 s的三相接地短路故障,觀察仿真波形,并利用Prony法得到加裝前后的系統(tǒng)振蕩阻尼比,分析結(jié)果見(jiàn)表2。

由于西郊側(cè)機(jī)組在全網(wǎng)南北振蕩模式中的參與度最高,因此在西郊側(cè)加裝STATCOM對(duì)該振蕩模式的抑制效果最好。另外,就具體的安裝點(diǎn)來(lái)說(shuō),在長(zhǎng)距離輸電線路的中間位置 (如西郊Y母線)加裝STATCOM的阻尼能力最強(qiáng)。西郊Y母線安裝方式下的小干擾故障仿真波形見(jiàn)圖3。

表2 加裝STATCOM前后全網(wǎng)南北低頻振蕩情況

圖3 西郊Y母線安裝方案的小干擾故障仿真

3.2 老虎山東西模式抑制效果

該模式主要為老虎山西郊側(cè)與煙廠側(cè)機(jī)組間的振蕩,考慮在這兩塊地區(qū)的主要聯(lián)絡(luò)母線上安裝STATCOM。與4.1節(jié)類(lèi)似,在謝家河112母線上施加一個(gè)0.02 s的小干擾故障,可以得到加裝前后的振蕩阻尼比以及仿真波形。

由于煙廠側(cè)在老虎山東西振蕩模式中的參與度最高,因此在煙廠側(cè)加裝STATCOM對(duì)于改善該種低頻振蕩模式的效果最好。類(lèi)似于4.1節(jié),在線路中間位置 (如煙廠T雙)加裝STATCOM的阻尼效果最好。煙廠T方案的小干擾故障仿真波形見(jiàn)圖4。

圖4 煙廠T方案的小干擾故障仿真圖

3.3 STATCOM安裝方式的優(yōu)化

在煙廠T或者西郊Y處安裝STATCOM對(duì)抑制全網(wǎng)南北模式和老虎山東西模式效果較好,而考慮工程實(shí)施中征地等具體困難,上述選擇未必是最佳安裝方案,可能的選擇是在上述變電站臨近地區(qū)選擇安裝點(diǎn),此時(shí)最佳的安裝點(diǎn)就是謝家河112母線。為此,可簡(jiǎn)單比較集中式安裝 (謝家河方案,容量為20 MVar)和分布式方案 (煙廠T和西郊Y各安裝10 MVar)抑制效果的差別。表3列出了安裝前后及不同安裝方式下系統(tǒng)的低頻振蕩情況。

表3 加裝STATCOM前后老虎山東西振蕩模式

由表4可知,集中式安裝對(duì)抑制全網(wǎng)南北振蕩模式的效果較好,分布式安裝對(duì)抑制老虎山東西模式的效果較好。考慮到全網(wǎng)南北模式本身的阻尼比較小,因此安裝方案應(yīng)強(qiáng)化對(duì)全網(wǎng)南北模式的關(guān)注程度。

4 結(jié)束語(yǔ)

楚雄電網(wǎng)屬于強(qiáng)受端電網(wǎng),在機(jī)組PSS退出等極端運(yùn)行條件下可能出現(xiàn)低頻振蕩。楚雄電網(wǎng)存在的典型振蕩模式是全網(wǎng)南北模式和老虎山東西模式。通過(guò)比較研究,可選擇在謝家河變電站集中安裝或在煙廠T和西郊Y分布式安裝STATCOM。

[1] 云南電網(wǎng)公司楚雄供電局.楚雄電網(wǎng)2012年運(yùn)行方式[R].楚雄：云南電網(wǎng)公司楚雄供電局,2012.

[2] Q/CSG 11004—2009,南方電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算分析導(dǎo)則[S].

[3] Q/GDW 404—2010,國(guó)家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 徐政.基于晶閘管的柔性交流輸電控制裝置 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[5] 林宇鋒,徐政,黃瑩.TCSC功率振蕩阻尼控制器的設(shè)計(jì)[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(22)：35-39.

劉峰,云南電網(wǎng)公司楚雄供電局。

Study on Dynamic Stability Problems of Chuxiong Power Grid and related Solutions

LI Tianquan1,FENG Peng1,LIU Feng1,WU Dugui2,YUAN Yuan2,DENG Deneng2
(1.Chuxiong Power Supply Bureau,Yunnan Power Grid Corporation,Chuxiong,Yunnan 675000,China；2.Xiamen RedPhase Instruments co.Ltd,Xiamen,Fujian 361001,China)

According to the three operation modes of Chuxiong power grid during rich wet season,lower wet season and dry season before flood period,it analyses the present dynamic stability situation of Chuxiong power grid.On the basis of the result of characteristics value calculation and oscillating model from the simulation platform,there are two main oscillation modes which are the northsouth pattern and tiger hill east-west pattern.It introduces the design of appropriate STATCOM damping controller by test signal method,and raises several possible installation proposals.Simulation results show that these proposals have remarkable effects on improving the dynamic stability of Chuxiong power grid.

Low Frequency Oscillation；Static Synchronous Compensator；Test Signal Method

TM743

B

1006-7345(2015)01-0051-05

2014-07-21

李天權(quán) (1978),男,助理工程師,云南電網(wǎng)公司楚雄供電局,從事繼電保護(hù)及變電站自動(dòng)化技術(shù)方面研究工作 (e-mail) 67409107＠qq.com。

馮鵬 (1982),男,助理工程師,云南電網(wǎng)公司楚雄供電局,從事為變電運(yùn)行技能、管理及調(diào)度管理工作 (e-mail)85365923＠qq.com。