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。對目前已有低頻振蕩機理進行了總結(jié)。通過對不同典型運行方式的分析，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)對抑制該振蕩頻率的重要性；開展了時域、頻域的對比分析及驗證，提出時域仿真分析中進行參數(shù)辨識的典型經(jīng)驗。最后，對下一步開展低頻振蕩研究工作的重點和方向進行了展望。

特高壓；低頻振蕩；強迫振蕩；電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

0 引 言

近年來，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，特高壓輸電線路的增長以及大容量機組、快速勵磁裝置的投運，互聯(lián)電網(wǎng)運行愈接近極限臨界點，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)定運行中的重要議題，快速并準(zhǔn)確地辨識低頻振蕩模式對電網(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，其對混聯(lián)電網(wǎng)的運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。可以預(yù)見，隨著經(jīng)濟社會發(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)實際工程研究特高壓交直流系統(tǒng)下的小擾動穩(wěn)定性，具有極其重要的工程價值和現(xiàn)實意義。

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，并對比基于模型和量測數(shù)據(jù)的辨識結(jié)果，結(jié)合當(dāng)前實際工程問題對低頻振蕩抑制措施提出了建議。

1 低頻振蕩機理

目前，低頻振蕩產(chǎn)生機理主要有3個方面：負(fù)阻尼機理、強迫振蕩機理和混沌理論。

負(fù)阻尼機理是由F. P. Demello于1969年提出來的[2]，該理論認(rèn)為發(fā)電機阻尼轉(zhuǎn)矩不足導(dǎo)致了小擾動功角失穩(wěn)，原因在于高倍率的勵磁放大系統(tǒng)導(dǎo)致系統(tǒng)阻尼下降，系統(tǒng)對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，就會引起轉(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)受到擾動后會出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，而當(dāng)系統(tǒng)阻尼較低時低頻振蕩衰減較慢，振蕩持續(xù)時間較長，當(dāng)系統(tǒng)阻尼為負(fù)時振蕩幅值不斷增大，最終引起系統(tǒng)失穩(wěn)解列。負(fù)阻尼機理是目前發(fā)展最為完善的低頻振蕩機理，已成為解析低頻振蕩現(xiàn)象和設(shè)計電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilizer, PSS)的主要理論依據(jù)。

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

混沌理論認(rèn)為電力系統(tǒng)參數(shù)或擾動在一定范圍內(nèi)變化時，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，進而產(chǎn)生振蕩，如非周期性、似乎無規(guī)則的突發(fā)性機電振蕩。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)阻尼機理、混沌機理都與系統(tǒng)本身的固有結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，強迫振蕩機理與擾動信號有關(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)椒植肌^(qū)域間功率不平衡[10]等。值得一提的是，電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，不同機理的低頻振蕩可能同時發(fā)生；不同模式的振蕩彼此之間有時候會相互作用，這時需考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方式對低頻振蕩模式的影響，準(zhǔn)確辨識出低頻振蕩的主導(dǎo)模式。

2 研究對象及研究方法

采用四川電網(wǎng)2017年網(wǎng)架，計算中考慮豐大、枯大這兩種典型方式。主要機組的發(fā)電機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)的主力機組主要采用自并勵靜止勵磁系統(tǒng)，勵磁系統(tǒng)均配置了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)模塊，且通過實測建立了勵磁系統(tǒng)及PSS模型。計算采用的負(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、時域兩大類，依據(jù)研究對象和目標(biāo)的不同以及各種方法的不同特點分別用于不同場合。其中，隱式重啟動Arnorldi算法屬于典型的特征值分析法，在大規(guī)模電力系統(tǒng)實際分析中存在一定優(yōu)勢，并已被集成在PSASP程序中，下面將采用該方法開展研究。

3 計算結(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，采用小擾動穩(wěn)定分析程序(PSD-SSAP)隱式重啟動Arnoldi算法得出四川電網(wǎng)內(nèi)部共6個機電振蕩模式。其對應(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。下面將分別對這6個振蕩模式進行詳細(xì)分析，分析得出每個振蕩模式下參與因子較高的機組，并對阻尼比為負(fù)或者阻尼比較小的振蕩模式通過對相關(guān)機組加裝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，該模式機電回路相關(guān)比為8.473，主要表現(xiàn)為丹巴、康定機組對溪洛渡機組的振蕩，機組模態(tài)分布圖如圖1所示。

圖1 康定對溪洛渡的振蕩模態(tài)

通過對溪洛渡左、長河壩機組加裝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，說明溪洛渡機組PSS的投入對該振蕩模式的抑制效果十分明顯。

2) 丹巴對木里模式

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、康定機組相對鄉(xiāng)城、木里機組的振蕩，機組模態(tài)分布圖如圖2所示。

圖2 丹巴對木里的振蕩模態(tài)

通過對猴子巖、長河壩機組加裝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) 向家壩機組對鄉(xiāng)城機組模式

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，機組模態(tài)分布圖如圖3所示。

4)錦屏對鄉(xiāng)城模式

圖3 向家壩對鄉(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，機組振蕩模態(tài)圖如圖4所示。

圖4 錦屏對鄉(xiāng)城的振蕩模態(tài)

5) 九石雅機組對康定機組模式

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，機組模態(tài)分布圖如圖5所示。

圖5 九石雅對康定的振蕩模態(tài)

6) 川渝主網(wǎng)對華中、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

進一步對四川電網(wǎng)2017年枯大方式下的低頻振蕩特性進行分析，通過PSASP軟件計算，共得到3個機電振蕩模式，其對應(yīng)的特征值如表2所示。

圖6 錦屏對鄉(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、木里對溪洛渡、向家壩間的振蕩，模式2表現(xiàn)為丹巴、康定對鄉(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、木里對溪洛渡、向家壩，丹巴、康定對鄉(xiāng)城、二灘以及川渝主網(wǎng)對華中電網(wǎng)等典型的振蕩模式； 機組PSS投入情況下，上述振蕩模式的阻尼比均超過3%，說明實際運行中機組PSS的投入至關(guān)重要。

4 大擾動時域仿真及驗證

以四川電網(wǎng)對華中電網(wǎng)的振蕩模式為例進行時域仿真驗證。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故障后二灘機組和三峽機組間的功角差曲線。

采用滑動窗法[11]對該功角差曲線進行Prony分析。設(shè)單個數(shù)據(jù)窗時長為5 s，相鄰數(shù)據(jù)窗時間間隔為2 s，滑動窗區(qū)間為5～25 s，每個滑動窗內(nèi)數(shù)據(jù)均采用兩種方法分別辨識振蕩模式的頻率和阻尼比，可得到9組辨識結(jié)果，其統(tǒng)計值如表3所示。

對比時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。對其他振蕩模式進行對比分析，可得到類似結(jié)論，因篇幅所限不再贅述。

圖7 二灘機組和三峽機組間的功角差曲線

表3 基于仿真數(shù)據(jù)的辨識結(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的投入對抑制低頻振蕩至關(guān)重要，若相關(guān)機組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，說明實際運行中機組PSS的投入至關(guān)重要。

2)進行了大擾動時域仿真，并與頻域分析進行了對比。結(jié)合實際工程經(jīng)驗，應(yīng)用傳統(tǒng)分析方法進行了參數(shù)的辨識。

3)因篇幅所限，未對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，但實際上，PSS只是改善了弱阻尼模式所對應(yīng)的特征值，其對系統(tǒng)機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)的極點配置，并沒有增加系統(tǒng)的總阻尼，某些情況下，還是可能會出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象。對低頻振蕩的抑制，應(yīng)從一次、二次系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮，并充分運用現(xiàn)有新技術(shù)，研究有效的在線預(yù)警和控制方法[12]。

[1] 倪以信，陳壽孫，張寶霖．動態(tài)電力系統(tǒng)理論和分析[M]．北京:清華大學(xué)出版社,2002．

[2] F.P. Demello. Concepts of Synchronous Machine Stability as Affected by Excitation Control[J].IEEE Transaction on Power Apparatus and System,1969,88(4):316-329.

[3] 湯涌．電力系統(tǒng)強迫功率振蕩的基礎(chǔ)理論[J]．電網(wǎng)技術(shù),2006,30(10):29-33．

[4] 韓志勇.電力系統(tǒng)低頻振蕩的分析和控制[D].北京:華北電力大學(xué),2005.

[5] 韓志勇，賀仁睦，徐衍會，等．基于能量角度的共振機理電力系統(tǒng)低頻振蕩分析[J]．電網(wǎng)技術(shù),2007,31(8): 13-16．

[6] 韓志勇，賀仁睦，馬進，等. 電力系統(tǒng)強迫功率振蕩擾動源的對比分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2009,33(3):16-19.

[7] Lei Chen, Yong Min, and Wei Hu.An Energy-based Method for Location of Power System Oscillation Source[J].IEEE Transaction on Power System, 2013,28(3):828-836.

[8] 董清，梁晶，顏湘武，等．大規(guī)模電網(wǎng)中低頻振蕩擾動源的定位方法[J]．中國電機工程學(xué)報,2012,32(1):78-83.

[9] 檀斌，薛萬勝．多機系統(tǒng)混濁現(xiàn)象的研究[J]．電力系統(tǒng)自動化,2001,25(2):3-8.

[10] Wen-Show Kao, KAO The Effect of the Low-frequency Oscillations Damping in Taipower System Experience w/wo Power System Stabilizer[C]. Power Engineering Society Summer Meeting,2001.

[11] 丁藍(lán)，薛安成，李津，等. 基于窗口滑動改進Prony算法的電力系統(tǒng)低頻振蕩識別[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2010,34(22):24-28.

[12] 王超，李繼紅，李穎毅，等. 淮滬特高壓投產(chǎn)后的華東電網(wǎng)低頻振蕩特征分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2013,37(18):120-125.

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，研究方向為交直流電網(wǎng)穩(wěn)定性分析與控制。