特高壓聯網及大規模新能源接入的電網動態特性及PSS適應性分析

梁紀峰，曾四鳴，姜 山，杜曉東，李曉軍

(1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院，石家莊 050021；2.國網河北省電力有限公司，石家莊 050021)

0 引言

近年來，風電、光伏等新能源發電快速發展，截至2019年底，我國新能源發電裝機容量突破4億k W，其中河北省南部電網(簡稱“河北南網”)新能源發電裝機容量達到1 027萬k W，裝機占比達到了26%。大規模的隨機性新能源并入電網構成了隨機-確定性多源耦合電力系統，電網的電力電子化特征越來越明顯，系統的轉動慣量和風險抵御能力不斷降低。同時伴隨華北電網特高壓交直流混聯電網的建成，華北電網內部的西電東送格局發生了根本改變，逐步由傳統的山西電網和蒙西電網經河北電網轉供京津和山東的潮流走向，轉變為華北電網內部省間相互支援、靈活互濟，導致河北南網及華北電網的網架結構和網絡特性均發生了很大變化，加之地區電網的發展、電源的建設和負荷水平的增加，河北南網發生低頻振蕩的風險不斷積聚[1-3]。

目前抑制電力系統低頻振蕩最常用、最有效的技術措施是在發電機勵磁系統安裝電力系統穩定器(PSS)[4]。但是現有的PSS均采用單機-無窮大數學模型逐機進行參數整定，且參數整定后長期維持不變，無法隨電網運行方式的變化實時調整，無法滿足電網運行方式下的阻尼增強目的。因此，隨著在大規模隨機性新能源通過特高壓電網遠距離輸送，尤其是電力現貨交易市場的建設，研究現有PSS在電網復雜運行方式變化情況下的適應性和系統動態穩定水平具有重要意義。

1 河北南網動態特性分析

1.1 網架結構

截至2019年底，河北南網投運2座特高壓交流變電站，分別為1 000 k V雄安站和邢臺站，2站之間保持雙回特高壓線路聯系。雄安站分別通過特高壓雙回線與1 000 k V張北、晉北、天津南特高壓站相連，并通過500 k V雄安-易水雙回線向河北南網供電，下注功率約700 MW；1 000 k V邢臺站分別通過特高壓雙回線與1 000 k V洪善、泉城、豫北特高壓站相連，并通過500 k V邢臺-武邑雙回、邢臺-彭村雙回、邢臺-宗州雙回共6回線路向河北南網供電，下注功率約2 600 MW；共有12回特高壓線路將河北南網與外部電網聯系起來。

2019年底，河北南網共有統調火力發電廠26座，裝機容量合計29 254 MW，水電裝機容量1 262 MW，風電裝機容量2 818 MW、光伏發電裝機容量7 547 MW。河北南網電源接入電網比較分散，除滄東電廠等9座電廠的部分發電機母線直接接入500 k V系統外，其余火力發電機母線分別接入220 k V電壓等級。

1.2 動態特性變化

電網交直流互聯勢必經歷一個從弱聯系到強聯系的發展過程，過渡階段會存在十分突出的小干擾安全穩定問題，在某些極端的運行方式下容易誘發區間模式的低頻振蕩事故。河北南網動態特性計算分析，分別基于國調中心下發的2015年與2019年全國聯網典型運行方式計算數據，采用中國電科院PSASP7.31版本軟件開展小干擾穩定計算分析[5]。通過選取與河北南網機組有關的機電振蕩模式進行分析，其中0.19 Hz為頻率最低的大區電網機電振蕩模式，對比2015水平年與2019水平年計算結果，可知該模式是由于特高壓交直流聯網及大規模新能源接入后新增的區間振蕩模式，該振蕩模式與河北南網相關的機組參與因子如表1所示。

表1 河北南網參與振蕩機組參與因子

通過上述特高壓聯網及大規模新能源接入前后小干擾穩定對比計算分析可以發現，在華北特高壓交直流聯網及河北南網新能源大規模接入后，華北電網內部新增了大區電網低頻振蕩模式，振蕩頻率低于0.2 Hz，涉及機組數量較多，且包括河北南網的邯峰電廠等機組。隨著河北-山東特高壓交流環網的建成投運，河北南網與山東電網間的電網潮流相較以往有了大幅變化，因此，應針對上述新增的低頻振蕩模式，及時研究制定相應的低頻振蕩預控措施，提高河北南網動態穩定水平，防止振蕩事故發生。

2 河北南網現有PSS適應性分析

基于河北南網動態穩定特性計算結果，選取阻尼比偏低的2個發電機組:邯鄲熱電1號機組及邢臺熱電1號機組進行原有PSS適應性分析。計算基于河北南網2019年度豐大、豐小、枯大和枯小4個典型運行方式計算數據。

2.1 豐大方式

根據河北南網豐大方式的小干擾穩定計算結果，配置原PSS參數在豐大運行方式下無弱阻尼和負阻尼，系統在豐大運行方式下能夠滿足小干擾穩定條件。圖1為豐大運行方式下邯鄲熱電1號機組及邢臺熱電1號機組的有功功率振蕩曲線，邯鄲熱電1號機組功率振蕩5次，邢臺熱電1號機組功率振蕩4次，具有較好的低頻振蕩抑制效果。

圖1 豐大方式原PSS參數下機組有功功率振蕩曲線

2.2 豐小方式

根據河北南網豐小方式小干擾穩定計算結果，配置原PSS參數在豐小運行方式下無弱阻尼和負阻尼，在豐小運行方式下能夠滿足小干擾穩定條件。

圖2為豐小運行方式下邯鄲熱電1號機組和邢臺熱電1號機組的有功功率振蕩曲線，邯鄲熱電1號機組功率振蕩＞10次，平息較慢，PSS抑制效果不明顯，邢臺熱電1號機組振蕩10次，具有較好低頻振蕩抑制效果。

圖2 豐小方式原PSS參數下機組有功功率振蕩曲線

2.3 枯大方式

根據河北南網枯大方式的小干擾穩定計算結果，配置原PSS參數在枯大運行方式下無弱阻尼和負阻尼，系統在枯大運行方式下能夠滿足小干擾穩定條件。

圖3為枯大運行方式下邯鄲熱電1號機組和邢臺熱電1號機組的有功功率振蕩曲線，邯鄲熱電1號機組功率振蕩6次，邢臺熱電1號機組功率振蕩8次，具有較好的低頻振蕩抑制效果。

圖3 枯大方式原PSS參數下機組有功功率振蕩曲線

2.4 枯小方式

根據河北南網枯小方式的小干擾穩定計算結果，配置原PSS參數在枯小運行方式下無弱阻尼和負阻尼，系統在枯小運行方式下能夠滿足小干擾穩定條件。

圖4為枯小運行方式下邯鄲熱電1號機組和邢臺熱電1號機組的有功功率振蕩曲線，邯鄲1號機組功率振蕩8次，邢臺熱電1號機組功率振蕩11次，具有較好的低頻振蕩抑制效果。

圖4 枯小方式原PSS參數下機組有功功率振蕩曲線

3 結論

通過上述計算分析發現，河北南網既有PSS在多數方式下能夠為系統提供高阻尼，但在豐小方式下為系統提供阻尼不足，存在低頻振蕩抑制效果不理想的情況，表明既有PSS無法為河北南網提供全運行方式下的低頻振蕩抑制作用。

通過基于全國聯網數據的電網仿真計算分析，發現大規模新能源接入及特高壓聯網后河北南網出現了新的大區低頻振蕩模式，現有PSS參數在不同運行方式下為系統提供的阻尼不盡相同，在多數情況下呈強阻尼的PSS在某種運行方式下無法及時有效抑制系統的低頻振蕩。建議進一步研究適應電網多種運行方式的新型PSS，以增強相關機組及電網的阻尼水平，防止大電網低頻振蕩事故的發生。