張 航，王曉茹

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

特高壓交直流混聯(lián)條件下四川電網(wǎng)低頻振蕩模態(tài)分析

張 航，王曉茹

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

以2017年“三華”電網(wǎng)模型為基礎(chǔ)，研究了含特高壓輸電線路的四川電網(wǎng)內(nèi)部的低頻振蕩模式。對(duì)目前已有低頻振蕩機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)。通過對(duì)不同典型運(yùn)行方式的分析，指出了含特高壓輸電線路的四川電網(wǎng)存在的幾種振蕩模式，并論證了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)對(duì)抑制該振蕩頻率的重要性；開展了時(shí)域、頻域的對(duì)比分析及驗(yàn)證，提出時(shí)域仿真分析中進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)的典型經(jīng)驗(yàn)。最后，對(duì)下一步開展低頻振蕩研究工作的重點(diǎn)和方向進(jìn)行了展望。

特高壓；低頻振蕩；強(qiáng)迫振蕩；電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

0 引 言

近年來，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，特高壓輸電線路的增長以及大容量機(jī)組、快速勵(lì)磁裝置的投運(yùn)，互聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行愈接近極限臨界點(diǎn)，振蕩失穩(wěn)問題日漸嚴(yán)重，最常見的就是低頻振蕩。低頻振蕩是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中的重要議題，快速并準(zhǔn)確地辨識(shí)低頻振蕩模式對(duì)電網(wǎng)的低頻振蕩分析和控制有著極為重要的意義[1]。中國西部能源基地距離東部重負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，外送電力規(guī)模很大，發(fā)展直流輸電技術(shù)是大勢(shì)所趨。在中國已經(jīng)形成多直流送出和多直流饋入電網(wǎng)，相應(yīng)的交直流網(wǎng)架系統(tǒng)正逐步建成，其對(duì)混聯(lián)電網(wǎng)的運(yùn)行和控制也提出了更高的要求。2015年四川通過特高壓輸電工程外送清潔水電達(dá)到103 841 Gwh，減少火電原煤消耗4 000多萬噸，減少二氧化碳排放1.5億噸?？梢灶A(yù)見，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及技術(shù)的提升，未來十年隨著西南電網(wǎng)以及西部電網(wǎng)的建設(shè)，四川將迎來特高壓輸電技術(shù)大跨越發(fā)展時(shí)期，而特高壓工程使得四川電網(wǎng)和外網(wǎng)之間的電氣聯(lián)系更加緊密。在此背景下，結(jié)合四川電網(wǎng)實(shí)際工程研究特高壓交直流系統(tǒng)下的小擾動(dòng)穩(wěn)定性，具有極其重要的工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

基于含特高壓輸電線路的四川電網(wǎng)仿真模型，開展低頻振蕩專題研究；分析特高壓輸電工程投產(chǎn)后四川主要存在的低頻振蕩模式，并對(duì)比基于模型和量測(cè)數(shù)據(jù)的辨識(shí)結(jié)果，結(jié)合當(dāng)前實(shí)際工程問題對(duì)低頻振蕩抑制措施提出了建議。

1 低頻振蕩機(jī)理

目前，低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理主要有3個(gè)方面：負(fù)阻尼機(jī)理、強(qiáng)迫振蕩機(jī)理和混沌理論。

負(fù)阻尼機(jī)理是由F. P. Demello于1969年提出來的[2]，該理論認(rèn)為發(fā)電機(jī)阻尼轉(zhuǎn)矩不足導(dǎo)致了小擾動(dòng)功角失穩(wěn)，原因在于高倍率的勵(lì)磁放大系統(tǒng)導(dǎo)致系統(tǒng)阻尼下降，系統(tǒng)對(duì)某些固有頻率的振蕩表現(xiàn)出負(fù)阻尼特性，抵消了系統(tǒng)固有的正阻尼，使得系統(tǒng)的總阻尼很小或者為負(fù)，這樣一旦出現(xiàn)擾動(dòng)，就會(huì)引起轉(zhuǎn)子增幅振蕩或者振蕩不收斂。當(dāng)遠(yuǎn)距離輸電線路潮流較重時(shí)有可能出現(xiàn)阻尼較低甚至為負(fù)的低頻振蕩，若系統(tǒng)中大量使用快速勵(lì)磁系統(tǒng)，則系統(tǒng)的阻尼問題更為嚴(yán)重。電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)后會(huì)出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，而當(dāng)系統(tǒng)阻尼較低時(shí)低頻振蕩衰減較慢，振蕩持續(xù)時(shí)間較長，當(dāng)系統(tǒng)阻尼為負(fù)時(shí)振蕩幅值不斷增大，最終引起系統(tǒng)失穩(wěn)解列。負(fù)阻尼機(jī)理是目前發(fā)展最為完善的低頻振蕩機(jī)理，已成為解析低頻振蕩現(xiàn)象和設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilizer, PSS)的主要理論依據(jù)。

強(qiáng)迫振蕩著重關(guān)注于周期性負(fù)荷波動(dòng)或振蕩調(diào)節(jié)的作用。當(dāng)發(fā)電機(jī)受到的周期性擾動(dòng)頻率接近系統(tǒng)固有振蕩頻率時(shí)，在該頻率下便會(huì)引起系統(tǒng)諧振，導(dǎo)致大幅度的功率振蕩[3]。強(qiáng)迫振蕩具有當(dāng)擾動(dòng)源存在時(shí)振蕩迅速起振、當(dāng)擾動(dòng)源消失時(shí)振蕩迅速消失和起振后保持等幅同步振蕩等特點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]通過仿真算例分別簡(jiǎn)要分析了同步力矩系數(shù)、阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)、發(fā)電機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)和擾動(dòng)量幅值對(duì)系統(tǒng)共振特性的影響程度，同時(shí)歸納出了振蕩特性。文獻(xiàn)[5]基于能量角度分析了電力系統(tǒng)在發(fā)生共振機(jī)理低頻振蕩過程中，內(nèi)、外能量的變化關(guān)系和特征。文獻(xiàn)[6]對(duì)電力系統(tǒng)中原動(dòng)機(jī)功率和負(fù)荷的持續(xù)周期性小擾動(dòng)造成電網(wǎng)強(qiáng)迫功率振蕩進(jìn)行了分析，闡述了這兩種擾動(dòng)源的不同性質(zhì)。在強(qiáng)迫振蕩的研究中，強(qiáng)迫振蕩源定位是關(guān)鍵，文獻(xiàn)[7-8]分別運(yùn)用基于能量和波形相似度的方法進(jìn)行強(qiáng)迫振蕩源定位。

混沌理論認(rèn)為電力系統(tǒng)參數(shù)或擾動(dòng)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，由于電力系統(tǒng)非線性的影響使得系統(tǒng)參數(shù)間相互作用，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生振蕩，如非周期性、似乎無規(guī)則的突發(fā)性機(jī)電振蕩。該理論與成熟的線性系統(tǒng)理論相去甚遠(yuǎn)，受到數(shù)學(xué)工具的限制，仍停留在理論探索階段[9]。

負(fù)阻尼機(jī)理、混沌機(jī)理都與系統(tǒng)本身的固有結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，強(qiáng)迫振蕩機(jī)理與擾動(dòng)信號(hào)有關(guān)。除了以上3種理論，還有其他原因解釋低頻振蕩現(xiàn)象，例如交直流系統(tǒng)間的相互作用、電網(wǎng)鏈?zhǔn)椒植?、區(qū)域間功率不平衡[10]等。值得一提的是，電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，不同機(jī)理的低頻振蕩可能同時(shí)發(fā)生；不同模式的振蕩彼此之間有時(shí)候會(huì)相互作用，這時(shí)需考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式對(duì)低頻振蕩模式的影響，準(zhǔn)確辨識(shí)出低頻振蕩的主導(dǎo)模式。

2 研究對(duì)象及研究方法

采用四川電網(wǎng)2017年網(wǎng)架，計(jì)算中考慮豐大、枯大這兩種典型方式。主要機(jī)組的發(fā)電機(jī)模型多采用考慮阻尼繞組的次暫態(tài)模型。當(dāng)前四川電網(wǎng)接入500kV電網(wǎng)的主力機(jī)組主要采用自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)均配置了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)模塊，且通過實(shí)測(cè)建立了勵(lì)磁系統(tǒng)及PSS模型。計(jì)算采用的負(fù)荷模型為純靜態(tài)負(fù)荷模型。

當(dāng)前電網(wǎng)低頻振蕩分析方法主要可分為頻域、時(shí)域兩大類，依據(jù)研究對(duì)象和目標(biāo)的不同以及各種方法的不同特點(diǎn)分別用于不同場(chǎng)合。其中，隱式重啟動(dòng)Arnorldi算法屬于典型的特征值分析法，在大規(guī)模電力系統(tǒng)實(shí)際分析中存在一定優(yōu)勢(shì)，并已被集成在PSASP程序中，下面將采用該方法開展研究。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 豐大方式下四川電網(wǎng)主要振蕩模式

2017年豐大方式下，采用小擾動(dòng)穩(wěn)定分析程序(PSD-SSAP)隱式重啟動(dòng)Arnoldi算法得出四川電網(wǎng)內(nèi)部共6個(gè)機(jī)電振蕩模式。其對(duì)應(yīng)的特征值如表1所示。

表1 豐大方式下存在的低頻振蕩模式信息

從表1可以看出，模式2、模式6的阻尼比較小，屬于弱阻尼模式。下面將分別對(duì)這6個(gè)振蕩模式進(jìn)行詳細(xì)分析，分析得出每個(gè)振蕩模式下參與因子較高的機(jī)組，并對(duì)阻尼比為負(fù)或者阻尼比較小的振蕩模式通過對(duì)相關(guān)機(jī)組加裝PSS來提高系統(tǒng)阻尼。

1) 康定和溪洛渡之間的振蕩

2017年豐大方式，存在特征值為-0.064+j4.759，頻率為0.757 Hz，阻尼比為0.013的振蕩模式，該模式機(jī)電回路相關(guān)比為8.473，主要表現(xiàn)為丹巴、康定機(jī)組對(duì)溪洛渡機(jī)組的振蕩，機(jī)組模態(tài)分布圖如圖1所示。

圖1 康定對(duì)溪洛渡的振蕩模態(tài)

通過對(duì)溪洛渡左、長河壩機(jī)組加裝PSS后，向家壩左—長河壩間的振蕩模式的阻尼比有所增加，振蕩頻率變?yōu)?.737 7 Hz，阻尼比為0.070 0，說明溪洛渡機(jī)組PSS的投入對(duì)該振蕩模式的抑制效果十分明顯。

2) 丹巴對(duì)木里模式

該振蕩模式頻率為0.663 Hz，阻尼比為0.023，主要表現(xiàn)為丹巴、康定機(jī)組相對(duì)鄉(xiāng)城、木里機(jī)組的振蕩，機(jī)組模態(tài)分布圖如圖2所示。

圖2 丹巴對(duì)木里的振蕩模態(tài)

通過對(duì)猴子巖、長河壩機(jī)組加裝PSS后，色玉—古瓦間的振蕩模式的阻尼比有所增加，振蕩頻率變?yōu)?.647 1 Hz，阻尼比為0.038 7。

3) 向家壩機(jī)組對(duì)鄉(xiāng)城機(jī)組模式

該振蕩模式的頻率為1.044 Hz，阻尼比為0.038，主要表現(xiàn)為向家壩、新平、方山和鄉(xiāng)城地區(qū)間的振蕩，機(jī)組模態(tài)分布圖如圖3所示。

4)錦屏對(duì)鄉(xiāng)城模式

圖3 向家壩對(duì)鄉(xiāng)城的振蕩模態(tài)

該振蕩模式的頻率為0.987 Hz，阻尼比為0.045，主要表現(xiàn)為錦屏和鄉(xiāng)城、木里間的振蕩，機(jī)組振蕩模態(tài)圖如圖4所示。

圖4 錦屏對(duì)鄉(xiāng)城的振蕩模態(tài)

5) 九石雅機(jī)組對(duì)康定機(jī)組模式

該振蕩模式的頻率為0.877 Hz，阻尼比為0.047，主要表現(xiàn)為九石雅、瀑布溝和丹巴、康定地區(qū)間的振蕩，機(jī)組模態(tài)分布圖如圖5所示。

圖5 九石雅對(duì)康定的振蕩模態(tài)

6) 川渝主網(wǎng)對(duì)華中、河南模式

該振蕩模式的頻率為0.33 Hz，阻尼比為0.041，主要表現(xiàn)為川渝主網(wǎng)和華中電網(wǎng)間的振蕩，機(jī)組模態(tài)分布圖如圖6所示。

3.2 枯大方式下的振蕩模式分析

進(jìn)一步對(duì)四川電網(wǎng)2017年枯大方式下的低頻振蕩特性進(jìn)行分析，通過PSASP軟件計(jì)算，共得到3個(gè)機(jī)電振蕩模式，其對(duì)應(yīng)的特征值如表2所示。

圖6 錦屏對(duì)鄉(xiāng)城的振蕩模態(tài)

表2 枯大方式下存在的低頻振蕩模式信息

結(jié)合表2和模態(tài)分析結(jié)果可知，振蕩模式1表現(xiàn)為鄉(xiāng)城、木里對(duì)溪洛渡、向家壩間的振蕩，模式2表現(xiàn)為丹巴、康定對(duì)鄉(xiāng)城、二灘間的振蕩，模式3表現(xiàn)為川渝主網(wǎng)和華中電網(wǎng)之間的振蕩。從不同方式下的低頻振蕩結(jié)果可以得出以下結(jié)論： 兩種典型方式下，四川電網(wǎng)主要呈現(xiàn)出鄉(xiāng)城、木里對(duì)溪洛渡、向家壩，丹巴、康定對(duì)鄉(xiāng)城、二灘以及川渝主網(wǎng)對(duì)華中電網(wǎng)等典型的振蕩模式； 機(jī)組PSS投入情況下，上述振蕩模式的阻尼比均超過3%，說明實(shí)際運(yùn)行中機(jī)組PSS的投入至關(guān)重要。

4 大擾動(dòng)時(shí)域仿真及驗(yàn)證

以四川電網(wǎng)對(duì)華中電網(wǎng)的振蕩模式為例進(jìn)行時(shí)域仿真驗(yàn)證。經(jīng)分析，尖山桃鄉(xiāng)尖側(cè)故障易引起特高壓解列，四川、湖北間可能出現(xiàn)動(dòng)態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象。圖7所示為尖山桃鄉(xiāng)桃側(cè)N-1故障后二灘機(jī)組和三峽機(jī)組間的功角差曲線。

采用滑動(dòng)窗法[11]對(duì)該功角差曲線進(jìn)行Prony分析。設(shè)單個(gè)數(shù)據(jù)窗時(shí)長為5 s，相鄰數(shù)據(jù)窗時(shí)間間隔為2 s，滑動(dòng)窗區(qū)間為5～25 s，每個(gè)滑動(dòng)窗內(nèi)數(shù)據(jù)均采用兩種方法分別辨識(shí)振蕩模式的頻率和阻尼比，可得到9組辨識(shí)結(jié)果，其統(tǒng)計(jì)值如表3所示。

對(duì)比時(shí)域仿真分析和基于模型的分析結(jié)果(表2模式3)可知，兩種方法分析結(jié)果基本一致。對(duì)其他振蕩模式進(jìn)行對(duì)比分析，可得到類似結(jié)論，因篇幅所限不再贅述。

圖7 二灘機(jī)組和三峽機(jī)組間的功角差曲線

表3 基于仿真數(shù)據(jù)的辨識(shí)結(jié)果

算法頻率均值/Hz標(biāo)準(zhǔn)差/Hz阻尼比均值/%標(biāo)準(zhǔn)差/%Prony0．35060．00766．982．07

5 結(jié) 論

1)PSS的投入對(duì)抑制低頻振蕩至關(guān)重要，若相關(guān)機(jī)組PSS退出，各模式阻尼比均大幅下降，甚至出現(xiàn)負(fù)阻尼模式，說明實(shí)際運(yùn)行中機(jī)組PSS的投入至關(guān)重要。

2)進(jìn)行了大擾動(dòng)時(shí)域仿真，并與頻域分析進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用傳統(tǒng)分析方法進(jìn)行了參數(shù)的辨識(shí)。

3)因篇幅所限，未對(duì)低頻振蕩的抑制措施展開深入討論；考慮措施主要以投入PSS為主，但實(shí)際上，PSS只是改善了弱阻尼模式所對(duì)應(yīng)的特征值，其對(duì)系統(tǒng)機(jī)電振蕩阻尼特性的改善主要體現(xiàn)在阻尼優(yōu)化調(diào)節(jié)上，即優(yōu)化了原系統(tǒng)的極點(diǎn)配置，并沒有增加系統(tǒng)的總阻尼，某些情況下，還是可能會(huì)出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象。對(duì)低頻振蕩的抑制，應(yīng)從一次、二次系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮，并充分運(yùn)用現(xiàn)有新技術(shù)，研究有效的在線預(yù)警和控制方法[12]。

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Taking the project interconnecting North China Power Grid with Central China Power Grid and East China Grid as the research background, the low-frequency oscillation mode of Sichuan power grid containing UHV transmission lines is studied. With a review and summary of several mechanism of low-frequency oscillation, the main low-frequency oscillation modes in Sichuan power grid with UHV transmission lines are summarized based on the analysis of different typical operation modes, and the importance of power system stabilizer (PSS) to suppress the oscillation frequency is demonstrated. By verifying and analyzing the comparison of both time domain and frequency domain, the typical experiences of parameter identification in the time domain simulation analysis are proposed. Finally, the focus and direction for the future research of low-frequency oscillation are forecasted.

ultra-high voltage (UHV); low-frequency oscillation; forced oscillation; power system stabilizer

TM712

A

1003-6954(2017)02-0019-05

2016-11-29)

張 航(1994)，碩士研究生，研究方向?yàn)榻恢绷麟娋W(wǎng)穩(wěn)定性分析與控制。