張安安 黃維維 杜振華 李紅偉 吳華兵

(1. 西南石油大學電氣信息學院 四川成都 610500； 2. 中海油節(jié)能環(huán)保服務有限公司 天津 300457)

海洋平臺微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評估*

張安安1黃維維1杜振華2李紅偉1吳華兵1

(1. 西南石油大學電氣信息學院 四川成都 610500； 2. 中海油節(jié)能環(huán)保服務有限公司 天津 300457)

針對海洋平臺微電網(wǎng)的特點，設計了海洋平臺微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評估方案，對海洋平臺微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題進行了分析研究。以渤海地區(qū)某海洋平臺微電網(wǎng)為例，綜合應用特征值法和L指標法識別出了海洋平臺微電網(wǎng)的電壓薄弱節(jié)點，進而對系統(tǒng)的電壓薄弱節(jié)點進行了靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度的評估，分析了該系統(tǒng)的電壓運行水平；最后根據(jù)該平臺微電網(wǎng)搭建仿真模型，在考慮典型故障場景下進行了暫態(tài)電壓穩(wěn)定性分析，比較其時域仿真結果與靜態(tài)評估結果，驗證了方案的有效性。本文研究可為有效監(jiān)測海洋平臺微電網(wǎng)電壓運行情況，提高電壓的運行質量等方面提供一定的借鑒意義。

海洋平臺；微電網(wǎng)；電壓穩(wěn)定性；L指標法；特征值法；PV曲線法；QV曲線法

海洋平臺微電網(wǎng)[1]作為海上工作平臺的主要供電系統(tǒng)，其供電的穩(wěn)定性直接關系到海上大型設備的正常運轉乃至整個海洋平臺的正常運行[2-3]。海洋平臺微電網(wǎng)除了一般陸地微電網(wǎng)所具有的供電靈活、能源利用率高、傳輸費用低和系統(tǒng)線損小等特點[4-5]外，還因處于海洋這一特殊的環(huán)境而具有自身的特殊性：系統(tǒng)容量相對有限，一般由容量相同的幾臺燃氣輪機機組并聯(lián)運行供電；負載工況的變化比較劇烈，大型負載的啟動會對電網(wǎng)造成很大沖擊；系統(tǒng)傳輸線為長距離海底電纜，其電容效應較大，對電網(wǎng)影響明顯；系統(tǒng)的工作環(huán)境復雜惡劣，對電氣設備的性能造成嚴重影響，系統(tǒng)維護成本很高；系統(tǒng)主要使用燃氣輪機作為分布式電源，不是傳統(tǒng)意義的無污染能源等[6-7]因此，海洋平臺微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題較為突出[8]。

目前國內外學者研究重點多在陸地微電網(wǎng)上，雖有部分學者正在研究海上風電的并網(wǎng)運行情況，但對海洋平臺微電網(wǎng)的關注還比較少。本文研究正是基于海洋平臺微電網(wǎng)的特殊性，提出了一套針對海洋平臺微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性分析的具體方案，主要分為靜態(tài)和暫態(tài)2個部分：首先在對電容效應較大的長距離海底電纜進行參數(shù)等值計算的基礎上編寫潮流算例，對渤海地區(qū)某實際海洋平臺微電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進行評估；再考慮燃氣輪機機組并聯(lián)運行情況，結合該電網(wǎng)的實際情況在PSCAD/EMTDC軟件中搭建仿真模型進行暫態(tài)電壓穩(wěn)定性分析。本文研究可為有效監(jiān)測海洋平臺微電網(wǎng)電壓運行情況，提高電壓的運行質量等方面提供一定借鑒意義。

1 評估方案設計

1.1 渤海地區(qū)某海洋平臺微電網(wǎng)概況

根據(jù)我國渤海某海洋平臺微電網(wǎng)建立仿真模型(圖1)，按照各部分結構和功能的不同，可劃分為11個平臺(P1～P11，其中P11平臺包括7個井口平臺和1個脫水平臺，這里作為一個負荷平臺)。該模型共包含25個母線節(jié)點，其中節(jié)點22～25為發(fā)電機節(jié)點，其余均為負荷節(jié)點。

1.2 評估方案設計

本文設計的海洋平臺微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評估方案分為靜態(tài)和暫態(tài)2個部分，其中靜態(tài)部分又分為系統(tǒng)電壓薄弱節(jié)點的識別和電壓穩(wěn)定裕度評估2個部分。由于使用靜態(tài)方法不能實時跟蹤系統(tǒng)的運行情況，在靠近電壓穩(wěn)定臨界點處可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定解，并考慮到靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標不一定適用于海洋平臺微電網(wǎng)，因此選用3種方法進行對比分析。特征值法是基于潮流法中的雅克比矩陣式，當計算出的負荷節(jié)點的最小特征值λ大于0時系統(tǒng)穩(wěn)定，等于0時系統(tǒng)電壓臨界穩(wěn)定，小于0時系統(tǒng)處于電壓崩潰狀態(tài)[9-10]；L指標法也是基于潮流算法中的某些基本參量，根據(jù)負荷節(jié)點計算出的L值小于1時系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，等于1時系統(tǒng)電壓臨界穩(wěn)定，大于1時系統(tǒng)電壓崩潰[11-13]。應用上述2種方法得到系統(tǒng)的電壓薄弱節(jié)點，然后對薄弱節(jié)點進行加載再重復計算負荷節(jié)點的特征值和L值，直到系統(tǒng)電壓崩潰，繪制出系統(tǒng)最小特征值曲線和L值曲線圖，找到系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定裕度所對應的薄弱節(jié)點的負載最大值。最后利用PV曲線法和QV曲線法對薄弱節(jié)點的電壓穩(wěn)定裕度進行評估比較[14]，對特征值法和L指標法評估結果進行檢驗,通過時域仿真驗證母線的電壓變化情況，并針對系統(tǒng)的代表性故障進行分析。本文設計的海洋平臺微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評估方案流程如圖2所示。

圖1 渤海地區(qū)某海洋平臺微電網(wǎng)模型

在對微電網(wǎng)進行潮流計算時，涉及到輸電線路的電阻、電感、電容等參數(shù)，因為海洋平臺微電網(wǎng)的輸電過程是采用長距離海底電纜進行，其電容效應較大，與陸地電網(wǎng)輸電電纜有很大區(qū)別，不能簡單根據(jù)一般輸電線進行等值計算，計算時需要根據(jù)海底電纜實際情況分別給出各條海底電纜參數(shù)[15]，因此在編寫潮流算例時應根據(jù)長距離海底電纜的特性選擇相應的電纜參數(shù)，并在搭建仿真模型中使用該電纜參數(shù)。

圖2 本文設計的海洋平臺微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評估方案流程

2 仿真分析

2.1 靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析

在圖1所示的海洋平臺微電網(wǎng)模型中，計算出系統(tǒng)潮流以及縮減型系統(tǒng)雅克比矩陣后，可得到系統(tǒng)中各負荷節(jié)點的特征值，如表1所示。從表1可以看出，負荷節(jié)點14的特征值最小，因此可判定節(jié)點14為該系統(tǒng)的電壓薄弱節(jié)點。

當節(jié)點14的負載逐漸增大時，該節(jié)點的特征值的變化情況如圖3所示。當節(jié)點14的負載增大至額定負載的5.2倍，即有功功率和無功功率分別約為9.6 MW和7.2 Mvar時，該節(jié)點的特征值發(fā)生跳變，表明系統(tǒng)已達電壓崩潰點。

表1 渤海地區(qū)某海洋平臺微電網(wǎng)負荷節(jié)點的特征值

圖3 渤海地區(qū)某海洋平臺微電網(wǎng)節(jié)點14處特征值曲線

同理，根據(jù)得到的系統(tǒng)潮流，計算出圖1所示的海洋平臺微電網(wǎng)中各負荷節(jié)點的L指標值，如表2所示。從表2可以看出，節(jié)點14的L指標值最大，因此可判定節(jié)點14為系統(tǒng)中電壓薄弱節(jié)點，這與上述最小特征值法的分析結果一致。

表2 渤海地區(qū)某海洋平臺微電網(wǎng)負荷節(jié)點的L指標值

當節(jié)點14的負荷增加時，該節(jié)點處L值的變化情況如圖4所示。當節(jié)點14的負載增大至5.25倍額定負載，即有功功率和無功功率分別約為9.6 MW和7.2 Mvar時，該節(jié)點的L指標值接近1，表明系統(tǒng)電壓臨界崩潰。

圖4 渤海地區(qū)某海洋平臺微電網(wǎng)節(jié)點14 處L指標值曲線

根據(jù)L指標法和特征值法可判定圖1所示微電網(wǎng)中節(jié)點14為系統(tǒng)的電壓薄弱節(jié)點，因此，增加薄弱節(jié)點處的負載，并計算相應電壓值，繪制出圖5所示的PV曲線和QV曲線，其中綠色點和紅色點分別表示節(jié)點14電壓運行點和電壓臨界崩潰點，紅色雙箭頭所示的距離即為電壓穩(wěn)定裕度，黑色虛線所示的距離為該算例系統(tǒng)的薄弱節(jié)點電壓可運行范圍。

圖5 渤海地區(qū)某海洋平臺微電網(wǎng)節(jié)點14處PV和QV曲線

根據(jù)圖5，節(jié)點14負載分別約為9.6 MW(有功功率)和7.2 Mvar(無功功率)，若負載再進一步增加則會引起整個系統(tǒng)電壓崩潰，這與前面的特征值法和L指標法電壓穩(wěn)定裕度的評估結果一致，此時該節(jié)點電壓已降至約0.57 pu。

比較前面3種靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析方法，認為L指標法在對海洋平臺微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定評估中更穩(wěn)定、簡單、有效，不會出現(xiàn)特征值法對薄弱節(jié)點識別不明和PV曲線、QV曲線法工作量大的情況。

2.2 暫態(tài)電壓穩(wěn)定性時域仿真分析

2.2.1 薄弱節(jié)點加載仿真驗證

從圖5所示的節(jié)點14處PV曲線和QV曲線可以看出：當負荷節(jié)點處負載低于最大限制值有功功率9.6 MW、無功功率7.2 Mvar時，測試系統(tǒng)可保持穩(wěn)定狀態(tài)；當節(jié)點負荷超過這個限制值后，則會引起整個系統(tǒng)的電壓崩潰。使用PSCAD軟件對算例海洋平臺微電網(wǎng)模型進行模擬，將其中薄弱節(jié)點14的負載逐漸增大到最大限制值，得到該節(jié)點的電壓變化情況，如圖6所示。

圖6 渤海地區(qū)某海洋平臺微電網(wǎng)節(jié)點14處電壓隨負載變化

從圖6可以看出，當節(jié)點14處負載增大時，它的運行電壓逐漸下降，當負載增大至5倍實際系統(tǒng)自帶負載比例時，電壓已經(jīng)下降到臨界穩(wěn)定值0.57 pu，這與前面靜態(tài)電壓分析結果基本一致。

2.2.2 負載的接入、切除對暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

以系統(tǒng)薄弱節(jié)點14為研究對象，在第5 s時分別模擬其接入負載、切除負載以及負載故障切除后再過10 s重新接入的情況，以探究系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定特性，仿真結果如圖7所示。 從圖7a、b可以看出，節(jié)點14在接入負載或切除負載時，其電壓能迅速恢復穩(wěn)定，系統(tǒng)能在較短時間內達到穩(wěn)定狀態(tài)，但2個穩(wěn)定狀態(tài)間的電壓值變化較大；從圖7c可以看出，當節(jié)點14的負載發(fā)生故障并被切除后，若能盡快清除故障并接入負載，則對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響較小，這說明海洋平臺上主要負載發(fā)生故障后，若能快速恢復故障，則對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性沒有太大影響。

圖7 渤海地區(qū)某海洋平臺微電網(wǎng)薄弱節(jié)點14負載啟動、切除、切除再次接入時電壓的變化情況

2.2.3 發(fā)電機故障對暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

模擬P3平臺上某臺發(fā)電機故障，以研究發(fā)電機故障對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響，仿真結果如圖8所示。從圖8a可以看出，當P3平臺上某發(fā)電機發(fā)生故障后，系統(tǒng)薄弱節(jié)點14的電壓不斷下降；從圖8b可以看出，若發(fā)電機故障后能及時接入平臺上的備用發(fā)電機，可使系統(tǒng)薄弱節(jié)點14的電壓快速恢復穩(wěn)定。

圖8 渤海地區(qū)某海洋平臺微電網(wǎng)平臺P3上某發(fā)電機故障對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響

2.2.4 平臺線路故障對暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

當系統(tǒng)發(fā)電平臺P3(容量43.5 MW，32.6 Mvar)發(fā)生短路故障或海底電纜短路時，系統(tǒng)薄弱節(jié)點14的電壓變化情況如圖9所示。從圖9a可以看出，發(fā)電平臺P3發(fā)生短路故障時，節(jié)點14的電壓不斷下降，經(jīng)過較長時間后重新到達穩(wěn)定狀態(tài)，但此時該節(jié)點電壓較低，對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響較大。在這種故障情況下，考慮15 s后快速切除故障或讓該平臺退出微電網(wǎng)，其電壓變化情況如圖9b、c所示。從圖9b、c中可以看出，快速切除故障或讓故障平臺退出微電網(wǎng)都能使薄弱節(jié)點14的電壓快速恢復到新的穩(wěn)定狀態(tài)，但后者在30 s時由于系統(tǒng)發(fā)電容量不能支撐系統(tǒng)恢復到原來的平衡狀態(tài)而產(chǎn)生電壓下降突變，對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。因此，如果發(fā)電平臺故障比較復雜，且不能在短時間解決，那么解列部分平臺也能夠勉強滿足系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性要求。

圖9 渤海地區(qū)某海洋平臺微電網(wǎng)平臺P3線路故障對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響

3 結論

1) 綜合應用靜態(tài)和暫態(tài)電壓穩(wěn)定評價方法設計了海洋平臺微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評估方案，靜態(tài)、暫態(tài)仿真結果都驗證了方案的有效性，為海洋平臺微電網(wǎng)的設計和校驗等方案提供了參考。

2) 研究發(fā)現(xiàn)最小特征值法在判定系統(tǒng)薄弱節(jié)點時針對性不夠，而L指標法能有效應用到海洋平臺微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評估和分析中，且指向明確，應用更加簡單，因此可以將L指標作為海洋平臺微電網(wǎng)運行情況的監(jiān)測指標之一。

3) 薄弱節(jié)點(平臺)負載的變化對系統(tǒng)影響較大，因此設計時應考慮預留足夠的功率裕度。

4) 發(fā)電平臺故障對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響較大，若能在較短時間內使該平臺重新應用或接人另一個平臺電網(wǎng)，則系統(tǒng)能快速恢復到新的穩(wěn)定狀態(tài)，因此應考慮將網(wǎng)絡結構設計為環(huán)網(wǎng)狀，以提高其可靠性。

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(編輯：呂歡歡)

Assessment of voltage stability for offshore platform micro-grids

Zhang An’an1Huang Weiwei1Du Zhenhua2Li Hongwei1Wu Huabing1

(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China;2.CNOOCEnergySavingandEnvironmentalProtectionServicesCo.,Ltd.,Tianjin300457,China)

According to the characteristics of offshore platform micro-grids, an assessment program of offshore platform micro-grid voltage stability was developed to study the voltage stability. Taking the micro-grid in a Bohai offshore platform as an example, the eigenvalue computation and theLindex method were combined to identify the voltage weak nodes. Then the static voltage stability margin of such nodes was evaluated, and the level of voltage stability of the system was obtained. Finally, transient voltage stability was analyzed in typical fault scenarios. Time domain simulation results and static assessment results were compared to verify the effectiveness of the program. The research here could provide some reference for the effective monitoring of micro grid operation of offshore platforms to improve the quality of voltage operation.

offshore platform; micro-grid; voltage stability;Lindex method; eigenvalue method; PV curve method; QV curve method

*國家自然科學基金青年基金“自律分散的電壓/無功協(xié)調控制機理與方法研究(編號：51107107)”、中國博士后基金“源-荷協(xié)同的離岸電氣系統(tǒng)混合博弈發(fā)電機理及方法研究(編號：2014M562335)”、四川省教育廳科研創(chuàng)新團隊(自然科學)資助項目“海上電氣系統(tǒng)智能監(jiān)測與安全控制(編號：15TD0005)”部分研究成果。

張安安，男，副教授，2010年畢業(yè)于四川大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，獲工學博士學位，主要從事電壓無功優(yōu)化、海上電氣系統(tǒng)控制等研究工作。地址：四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(郵編：610500)。E-mail:ananzhang@swpu.edu.cn。

黃維維，女，西南石油大學控制科學與工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事電氣傳動與控制研究。地址：四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(郵編：610500)。 E-mail:851294567@qq.com。

1673-1506(2016)04-0143-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.04.023

TM761

A

2015-07-20 改回日期：2015-11-13

張安安，黃維維，杜振華，等.海洋平臺微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評估[J].中國海上油氣，2016,28(4)：143-148.

Zhang An’an，Huang Weiwei，Du Zhenhua,et al.Assessment of voltage stability for offshore platform micro-grids[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(4):143-148.