甘肅河西電網小干擾分析

姚 巽，宋建光

(國網甘肅省電力公司調度控制中心，甘肅 蘭州 730030)

甘肅河西電網小干擾分析

姚 巽，宋建光

(國網甘肅省電力公司調度控制中心，甘肅 蘭州 730030)

介紹了甘肅河西電網低頻振蕩的產生原因和抑制辦法，闡述了配置電力系統穩定器所帶來的優勢，對河西電網在幾種不同的電力系統穩定器配置方式下進行了小干擾分析，研究了其系統振蕩模式和模態，對甘肅河西電網的振蕩分析及控制策略研究有一定指導作用。

甘肅河西電網；低頻振蕩；小干擾分析

0 引 言

甘肅電網處于西北電網的中部，是西北電網的主要組成部分，目前主網電壓等級為750kV、330kV[1]。目前，甘肅電網總裝機量約為30 000 MW，地區負荷約為15 000 MW，外送需求迫切。尤其是河西地區，此處有大量光伏接入，而這些地區負荷不大無法就地消納，使得新能源外送需求迫切[2]。但此處的低頻振蕩問題由來已久，自2008年11月至2009年6月，甘肅河西電網330kV輸電線上，酒泉、嘉峪關、張掖、山丹、金昌、涼州、古浪、海石灣站多次監測到振蕩頻率為0.6 Hz左右，最大峰谷值達135 MW，持續最長時間為80 s的低頻振蕩現象。酒鋼第三熱電廠2號機(酒鋼第三熱電廠共有2臺300 MW機組)于2008年元月投運，而后河西電網330kV輸電線路表現出不穩定狀態[3-4]。

文獻[5]采用對降階簡化系統的方法，證明了規劃中大區聯網系統的小干擾穩定分析具備可行性；文獻[6]采用追蹤聯網成功研究了山東電網低頻振蕩問題；文獻[7]中保持網架結構、系統潮流和發電機總數不變，求出了與四川電網相關的系統主導低頻振蕩模式。下面介紹了低頻振蕩的產生和抑制問題，闡述了配置電力系統穩定器所帶來的優勢，對河西電網在幾種不同的PSS配置方式下進行小干擾分析，研究了其系統振蕩模式和模態，對甘肅河西電網的振蕩分析及控制策略研究有一定指導作用。

1 低頻振蕩的產生和抑制

低頻功率振蕩主要發生在經長距離、重負荷、弱聯系的區域之間，主要表現為區域間一個發電機群對另一個發電機群的弱阻尼或負阻尼振蕩問題。

系統發生低頻功率振蕩可能的原因和現象如下：

1)系統弱阻尼時，系統受到擾動后功率發生振蕩且長時間才能平息；

2)系統負阻尼時，系統發生自激振蕩。這種振蕩幅度逐漸增大，造成系統失步，或由于控制系統的飽和成為等幅振蕩，長時間不能平息；

3)系統振蕩模的固有振蕩頻率與某種功率波動的頻率相同而引起強迫振蕩，這種振蕩隨功率波動源的消除而消除；

4)發電機轉速變化引起的電磁力矩變化與電氣回路耦合產生的機電振蕩。

發生低頻功率振蕩可能會引起聯絡線過流跳閘或造成系統與系統、機組與系統之間的失步而解列，嚴重威脅電網的安全運行。

影響電力系統阻尼的因素，主要有參與互聯的各區域電網的結構和潮流方式、自動電壓調節器及各種自動控制裝置、電網互聯的強弱和聯絡線輸送的潮流和方向及負荷特性等參數。目前，提高電力系統阻尼和穩定性最經濟、最有效的措施仍然是在相關機組上配置電力系統穩定器，即PSS(power system stabilizer)。同時，應研究充分利用已有的各種控制裝置的作用，例如直流調制、可控串補和靜補等。

2 配置電力系統穩定器的優勢

配置電力系統穩定器可以從源頭上消除產生負阻尼的根源。自動電壓調節器是發電機勵磁控制系統的最重要組成部分，對提高電力系統的靜態穩定水平和暫態穩定水平有重要的作用。但是，一定條件下它也是互聯系統中“地區振蕩模式”和“區域間振蕩模式”產生負阻尼的最重要的根源。如果在產生負阻尼的發電機的勵磁控制系統中配上電力系統穩定器，并合理選擇其參數，使PSS提供的正阻尼等于或大于電壓調節器產生的負阻尼，這樣就從源頭上消除了電力系統中產生負阻尼的根源。

電力系統穩定器使用效率很高。電力系統穩定器、自動電壓調節器都是勵磁控制系統的一個組成部分，它們有相同的可使用率和可靠性。尤其是在使用微機型勵磁調節器的情況下，電力系統穩定器的功能是由軟件實現的?？梢宰龅桨l電機的電壓調節器在投入運行時，電力系統穩定器也同時在投入運行狀態。這樣的同步關系在電力系統運行方式發生改變時也不會改變。

電力系統穩定器的參數有良好的適應性。在進行電力系統穩定器的參數整定時，要根據所在電網的特點以及配置電力系統穩定器的發電機勵磁控制系統調節特性，確定電力系統穩定器運行的合理參數及其應當滿足的頻率范圍。這樣就能保證電力系統穩定器有很好的適應性，在各種可能出現的運行方式下，每一臺發電機組的電力系統穩定器對于與該發電機有強相關的各個振蕩模式都能提供正阻尼。

廣泛的配置PSS可以適應系統運行方式的變化。特別是對那些聯絡線模式，與它相關的機組可能有多個，從全局協調控制的角度出發，是將所需的阻尼分配給所有有作用的機組共同承擔，并不是只依靠一臺機(雖然在對于許多地區振蕩模式，一臺強相關的機組有可能提供足夠的阻尼)，這樣當那臺機停運，不致失去對該模式全部阻尼，或當部分網解列成為獨立電網運行方式出現時，這個獨立電網因沒有電力系統穩定器或電力系統穩定器太少而引起振蕩。這是一種基于備用或分擔風險的策略。

3 河西電網主力機組小干擾分析

3.1 計算條件

根據甘肅電網特點及發生低頻振蕩時的電網運行方式，選擇甘肅電網2009年典型方式進行分析，西北電網及分區發電量摘要如表1所示。

對全網進行了低頻振蕩分析，主要是針對振蕩頻率0.1～2.5 Hz范圍內的特征根進行掃描。振蕩模式強弱的判定條件是：阻尼比ξ≥0.05時稱為強阻尼，0.05>ξ≥0.03時稱為中等阻尼，0.03>ξ>0時統稱為弱阻尼(0.01>ξ>0時稱為極弱阻尼)，ξ=0時稱為零阻尼或臨界阻尼，ξ<0時稱為負阻尼。

3.2 河西電網主力機組均不配置PSS時小干擾分析

河西主力機組全部退出PSS情況下進行小干擾分析，發現河西走廊機群對系統間存在明顯的振蕩模式，振蕩頻率為0.59 Hz，阻尼比為0.257 6%，屬于極弱阻尼情況，并且與PMU裝置監測到的河西電網低頻振蕩頻率相符。

表1 甘肅2009年典型方式下西北電網及分區發電量

表2 河西電網主力機組均不配置PSS時河西-系統振蕩模式特征值

圖1 河西電網主力機組均不配置PSS時河西-系統振蕩模式模態圖

表3 對酒鋼自備電廠大機組配置PSS

編號母線編號機組功率/MW勵磁參數PSS參數模型編號參數組號模型編號參數組號1酒鋼1～4J7212無無2酒鋼5J5012903無無3酒鋼6J5012903無無4酒新1J1351290229035酒新2J1351290229036酒熱1J30012514807酒熱2J3001251481

該振蕩模式與酒鋼內部3個自備電廠、酒泉地區大量風電場、張掖電廠及一些小水電廠密切相關，具體情況見表2和圖1。

3.3 河西電網主力機組按實際情況配置PSS后小干擾分析

根據2009年典型數據，河西電網主力機組中實際上只有金川2號機配置了PSS，對此進行小干擾分析的結果與3.2節幾乎完全相同，不再贅述。

3.4 酒鋼內部大機組配置PSS后小干擾分析

對酒鋼內部大機組配置PSS，如表3所示。

按表3配置酒鋼內部大機組PSS后，重新進行小干擾分析，結果表明河西電網內部仍存在該典型振蕩模式，振蕩頻率仍為0.59 Hz，但是阻尼比由原來的0.257 6%提高到3.011 9%，由極弱阻尼振蕩變為中等阻尼振蕩，說明酒鋼的自備電廠確實對該振蕩模式起到了主導作用，對其PSS進行整定和投運，能夠很大程度上提高系統阻尼，有利于抑制河西電網低頻振蕩的發生。有關該振蕩模式的詳細信息如表4和圖2所示。

表4 酒鋼內部大機組配置PSS后河西-系統振蕩模式特征值

圖2 酒鋼內部大機組配置PSS后河西-系統振蕩模式模態圖

表5 河西電網全部主力機組配置PSS后河西-系統振蕩模式特征值

實部虛部頻率/Hz衰減阻尼比/%機電回路相關比-0．1920013．7235100．5926155．14961．87817

圖3 河西電網全部主力機組配置PSS后河西-系統振蕩模式模態圖

表6 河西電網低頻振蕩小干擾分析結果

河西電網配置PSS情況實部虛部頻率/Hz衰減阻尼比/%機電回路相關比均不配置-0．0094983．6865320．5867300．25763．85055實際情況配置-0．0094983．6865320．5867300．25763．85055酒鋼大機組全部配置-0．1117023．7069840．5899853．01192．41500河西主力機組全部配置-0．1920013．7235100．5926155．14961．87817

3.5 河西電網全部主力機組配置PSS后小干擾分析

對河西電網全部主力機組配置PSS后，在原潮流情況下重新進行小干擾分析，結果表明河西電網與系統間存在一個強阻尼振蕩模式，振蕩頻率仍為0.59 Hz，但是阻尼比已經提高到5.149 6%，由最初的極弱阻尼振蕩變為強阻尼振蕩，說明對河西電網全部主力機組配置并投運PSS，能夠更有效地提高系統阻尼，可以顯著抑制河西電網低頻振蕩的發生。有關該振蕩模式的詳細信息如表5和圖3所示。

4 小 結

各次小干擾分析結果匯總如表6所示。

根據前面計算分析可以得到如下結論：

1)河西電網主力機組均不配置PSS或按照甘肅2009年典型方式配置PSS，河西機群對系統間存在明顯的振蕩模式，振蕩頻率為0.59 Hz，阻尼比為0.257 6%，屬于極弱阻尼情況，并且與PMU裝置監測到的河西電網低頻振蕩頻率相符。

2)酒鋼的自備電廠對該振蕩模式起到了主導作用，對其大機組PSS進行整定和投入，能夠在很大程度上提高系統阻尼，有利于抑制河西電網低頻振蕩的發生。酒鋼大機組PSS投入后，河西機組對系統間振蕩頻率仍為0.59 Hz，但是阻尼比由原來的0.257 6%提高到3.011 9%，由極弱阻尼振蕩變為中等阻尼振蕩。

3)對河西電網全部主力機組配置并投入PSS，能夠更有效地提高系統阻尼，可以顯著抑制河西電網低頻振蕩的發生。河西電網全部主力機組投入PSS后，河西機群與系統間存在一個強阻尼振蕩模式，振蕩頻率仍為0.59 Hz，但是阻尼比已經大幅提高到5.149 6%，由最初的極弱阻尼振蕩變為強阻尼振蕩。

[1] 梁才,劉文穎,周喜超,等. 750kV電網在甘肅電網中的降損作用分析[J]. 電網技術,2012,36(2):100-103.

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[7] 鄧集祥，賀建明，姚天亮，等. 大區聯網條件下四川電網低頻振蕩分析[J]. 電網技術，2008，32(17)：78-83.

The causes and suppression methods of low frequency oscillation in Gansu Hexi power grid are introduced, and the advantages brought by power system stabilizer are described. Small-signal analysis is carried out for the different power system stabilizer configuration in Hexi power grid. The oscillation modes of the system are studied, and the research plays some guiding roles to low frequency oscillation and its control strategy of Gansu Hexi power grid.

Gansu Hexi power grid; low frequency oscillation; small-signal analysis

TM711

A

1003-6954(2017)02-0079-05

2016-11-04)

姚 巽(1984)，工程師，主要研究方向為電網調度、電力系統穩定性；

宋建光(1980)，工程師，主要研究方向為電網調度、電力系統穩定性。