基于RTDS的孤立電網的極端運行情況仿真研究

上官安琪，劉冠中，張亞偉，馮 登，廖思陽

(1.武漢大學電氣工程學院，湖北武漢430072；2.武漢都市環保工程技術股份有限公司，湖北武漢430071)

基于RTDS的孤立電網的極端運行情況仿真研究

上官安琪1，劉冠中2，張亞偉2，馮 登2，廖思陽1

(1.武漢大學電氣工程學院，湖北武漢430072；2.武漢都市環保工程技術股份有限公司，湖北武漢430071)

以中國內蒙古東部地區即將建成的一個高風電滲透率的微電網為研究對象，依據系統不同運行方式及故障情況下的系統備用容量和損失功率，按照四邊界法選取了四種極端情況的算例，深入分析該系統孤立運行時，電網的頻率電壓特性以及控制策略，為實際孤立電網的安全穩定控制提供參考方案。

孤立電網;實時數字仿真;四邊界法;動態響應

近年來，建立含有光電、風電等分布式電源的微電網系統已經引起社會各界的廣泛關注[1-3]。然而此類微電網也存在著不可忽視的缺點，如規模小、電源數量少、分布式電源和負荷變化大；尤其是孤立運行時，大容量設備的啟停會引起電網頻率和電壓的劇烈波動，且不同運行方式下波動程度的差別較大[4-6]。

目前對于孤立電網運行經驗的總結，缺乏深層次的理論和技術分析，傳統的孤網運行實驗只能驗證特定情況下的孤網運行能否穩定，且電網運行方式及電力系統自動裝置定值的變化對實驗的影響較大，故必須采取更加經濟高效的措施來進行孤立電網運行控制特性的研究[7-8]。因此，從電力系統仿真的角度研究孤網運行時發電機組動態特性、系統頻率與電壓的動態響應，分析得出相應的控制策略，對于提高孤立電網運行時的安全性和供電可靠性，是十分必要的。

本文具體研究的是中國內蒙古東部地區即將建成的一個具有煤礦生產、煤炭發電、風力發電和電解鋁負荷的孤立電網系統，其火電總裝機容量為1 800 MW，風電裝機容量800 MW，風電滲透率高。系統的負荷主要為電解鋁負荷，此外還有少量的供熱負荷。

為了避免高昂的備用容量費用，系統采取孤島運行方式，不與大電網相連，等效轉動慣量小，少量的功率波動都會引起顯著的頻率偏移。電源側含有高滲透率的風電，隨機波動性強且功率調節能力有限，而電解鋁負荷其調節深度和調節速度都極其有限，這些都會給系統的安全穩定運行帶來嚴峻的考驗。

根據實地調研的系統模型參數，以實時數字仿真器RTDS(Real-Time Digital Simulator)為平臺，建立了孤立電網的RTDS仿真模型。基于此模型，仿真研究了不同運行方式和各種故障擾動下的系統頻率和電壓的動態響應特點，并且提出了相應的控制策略。

1 孤立電網RTDS建模與系統運行概況

實時數字仿真器RTDS是一種實時全數字式電磁暫態電力系統模擬裝置，于1993年由加拿大ManitOba高壓直流研究中心研發成功，它的硬件基于數字信號處理器(DSP)和并行計算，能快速求解電力系統的方程，計算速度足以實現數據的實時輸出。

與PSS/E、BPA和Simpow等其他機電暫態仿真程序相比，RTDS里不僅提供了幾乎所有的電力系統元件模型，用戶還能自定義生成所需的控制元件，可精細地模擬機電暫態程序中沒有的部分現象，并且可以模擬較大規模的系統，是進行電力系統現象精確分析的最理想軟件之一。此外，RTDS還擁有數字量和模擬量的輸入輸出接口，可以方便地用于硬件閉環實驗，是目前世界上技術最成熟應用最廣泛的實時數字仿真系統。

本文在RTDS平臺按照實際系統1∶1搭建的孤立電網系統結構如圖1所示。

圖1 孤立電網系統結構圖

根據系統的運行方式和火電機組的組成，系統有3～10#共8臺火電機組，總裝機容量為1 800 MW。包含兩座風力發電廠，接入點為2#鋁廠和3#鋁廠的負荷母線，總裝機容量為800 MW。鋁廠一期負荷330 MW，鋁廠二期負荷為420 MW，鋁廠三期負荷640 MW。廠用電負荷、熱負荷、網損共248 MW。系統的電源及負荷具體組成結構如表1所示。

表1 系統電源及負荷構成

系統孤島運行時，潮流分布合理，供電網絡能夠維持供電自平衡。系統接入風電功率和檢修機組的大小，將直接影響系統備用容量的多少。系統在不同的運行工況下，發電機組出力和系統備用容量各不相同，線路損耗、廠用電等也不同。

2 仿真與分析

2.1 故障分類及選取

在RTDS中，發電機故障停運這一實際的情況可以在軟件的RUNTIME界面中通過斷開該發電機與系統所連接的出線上的開關來模擬。

為了分析孤立電網在不同情況下的故障后動態響應，本文以四邊界法為依據，選取以下四種極端典型算例進行仿真實驗：

(1)系統備用容量很大，因發電機故障而損失的有功功率很小；

(2)系統備用容量很大，因發電機故障而損失的有功功率也很大；

(3)系統備用容量很小，因發電機故障而損失的有功功率也很小；

(4)系統備用容量很小，因發電機故障而損失的有功功率很大。

根據上述四邊界的分類方法，選取四種典型工況，先分別進行故障前的穩態仿真運行，并記錄穩態時的系統備用容量和待斷開發電機組的有功出力(即該發電機故障后損失的有功功率)，整理為圖2。其中橫軸代表因發電機故障停運導致系統中損失的有功功率，縱軸代表系統的備用容量。

圖2 按四邊界法選取的典型算例

2.2 故障仿真及分析

以2.1節中的分類方法為依據，對系統的幾種典型工況進行仿真運算，設置穩態運行4 s后斷開故障發電機的出線開關，即讓相應的發電機故障退出運行，記錄系統的頻率和電壓變化，分析了系統頻率和電壓的響應特性相應的控制策略。

2.2.1 風電出力大時小容量機組故障

本算例的運行方式為8臺火電機組全部運行，實際出力共1 389.98 MW，風電場有功出力為300 MW，系統的負荷及網損共1 689.98 MW，系統的備用容量為410.02 MW。仿真設置額定容量為100 MW的小機組發生故障停運，此時系統損失有功功率為75.9 MW，遠小于系統的備用容量。由于系統有充足的備用容量，發電機一次調頻的速度足夠，此時系統不用采取安穩措施，網內機組功角都能同步，系統的頻率和電壓波動均在穩定范圍內，系統能穩定運行。

如圖3所示，系統頻率最低跌落至49.77 Hz，最終穩定在49.94 Hz。母線節點電壓在穩定允許范圍之內。

圖3 100 MW機組故障時系統頻率和電壓響應曲線

2.2.2 風電出力大時大容量機組故障

本算例的運行方式與算例(1)相同。仿真設置額定容量為350 MW的大機組發生故障停運，此種情況下，系統備用容量很大，為349.8 MW；因發電機故障停運而損失的有功功率也很大，為265.68 MW。系統備用容量大于損失的有功功率。

此時若不采取安穩措施，雖然系統有較充足的備用容量，但由于損失的有功功率過大，僅僅依靠火電機組的一次調頻無法維持系統的頻率穩定，如圖4所示，系統頻率最低跌落至48.78 Hz，波動超出了穩定允許范圍49 Hz，并最終穩定在49.65 Hz。母線節點電壓在穩定允許范圍之內。

圖4 350 MW機組故障時系統頻率和電壓響應曲線

2.2.3 無風電出力時小容量機組故障

本算例的運行方式為1臺額定容量150 MW的火電機組檢修，其他7臺火電機組全部滿出力運行，無風電接入，此時所有火電機組已運行至輸出功率極限狀態，系統的備用容量為0。

仿真設置額定容量為100 MW的小機組發生故障停運，由于發電機轉矩被限幅，系統已經完全沒有備用容量，且鋁業負荷的靜態模型頻率調節系數為負值，在沒有任何控制措施情況下，不平衡功率的存在會使系統頻率和電壓均崩潰，系統無法維持穩定，如圖5所示。

2.2.4 無風電出力時大容量機組故障

本算例的運行方式與算例(3)相同，仿真設置1臺額定容量為350 MW的大機組發生故障停運。

此種情況下，各發電機組均處于滿發狀態，系統備用容量為0；因發電機故障停運而損失的有功功率很大，為350 MW。由于發電機的轉矩被限幅，發電機達到其機械功率輸出極限時，系統仍存在不平衡功率為350 MW。如果不采取任何安全穩定措施，系統頻率和電壓顯然會崩潰。

由于發電機停運損失的功率大于鋁廠一期負荷330 MW小于二期負荷440 MW，并且發電機故障停運時系統已無備用因此考慮采取安穩措施，即在故障0.1 s以后切除鋁廠負荷。

圖5 100 MW機組故障時系統頻率和電壓響應曲線

若聯切一期鋁廠負荷330 MW，負荷的聯切可以消除部分不平衡功率，但仍有數值為21.02 MW不平衡功率剩余，由于系統已經完全沒有備用容量，且發電機組的調節速度十分有限，此時即使是如此少量的功率波動，也引起了系統的頻率崩潰，負荷側母線電壓也隨后發生了崩潰，如圖6所示。

圖6 加入安穩措施聯切330 MW負荷后的頻率和電壓響應曲線

若安穩裝置在故障后0.1 s聯切鋁廠二期負荷440 MW，由于被切除的負荷功率遠大于發電機故障損失的功率，系統又會出現過頻問題，如圖7所示，系統的頻率反沖至50.6 Hz，超過系統正常運行的頻率上限值。

鑒于上述情況，可考慮在安穩切除二期鋁負荷的同時聯切一臺100 MW的發電機，通過減少發電機發出的有功功率，從而抵消聯切負荷后系統存在的不平衡功率。仿真結果如圖8所示，系統頻率最高升至50.12 Hz，并最終穩定在50.02 Hz。母線節點電壓也在穩定允許范圍之內。

3 結論與展望

本文利用RTDS實時數字仿真平臺，詳細研究了孤島系統在各種機端運行方式下的頻率和電壓響應以及相應控制策略。

由仿真結果可見，當系統備用充足時，小的擾動不會對系統的安全穩定造成大的威脅。當備用容量不足時(如風電小發和大機組檢修)，合理地加入安全穩定措施，能夠使系統的頻率和電壓波動維持在允許范圍內。但是由于該系統規模較小，而且風電出力的大小不定，當出現極端運行工況如風電機組小發且大火電機組檢修的情況下，此時系統的備用容量嚴重不足。由于切負荷時必須整切整個鋁廠，級差單一，即使安全穩定裝置按照安穩策略表準確動作，僅僅依靠聯切負荷的方式也難以完全消除因系統的原件故障或者風功率擾動所引起的不平衡功率，不平衡功率會導致系統頻率的顯著偏移，甚至導致系統崩潰。

圖7 加入安穩措施聯切440 MW負荷后的頻率和電壓響應曲線

圖8 加入安穩措施并聯切100 MW發電機后的頻率和電壓響應曲線

為了增加系統的抗干擾能力，提高系統頻率的穩定性，可以在未來考慮對鋁廠進行改造，將目前的不可控整流改造為可控硅整流，或者使鋁廠負荷分母線運行從而使負荷形成一定的級差，實現負荷的分級調節。此外還可以考慮改造發電機的勵磁結構，在勵磁控制中引入反饋環節進行協調控制，以增強孤網運行的安全可靠性。

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Research on extreme operating conditions of an isolated grid based on real-time digital simulation

SHANGGUAN An-qi1,LIU Guan-zhong2,ZHANG Ya-wei2,FENG Deng2,LIAO Si-yang1
(1.College of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan Hubei 430072,China;2.China City Environment Protection Engineering Limited Company,Wuhan Hubei 430071,China)

A micro grid under construction in Eastern Inner Mongolia was studied with high penetration of wind power.According to the spare capacity and power loss under different operation modes and fault conditions,based on the four boundary method, four extreme cases were selected to be simulated, through the simulation results, the response characteristics of system frequency and voltage,as well as the corresponding control strategies could be deeply analyzed,which could be a reference for the security and stability control of actual isolated power grid.

isolated gird;real-time digital simulation;four boundary method;dynamic response

TM 7

A

1002-087 X(2017)07-1064-04

2016-12-18

國家科技支撐計劃(2015BAA01B04)

上官安琪(1991—)，女，河南省人，碩士研究生，主要研究方向為可再生能源接入技術、電力系統運行控制技術。