上官安琪，劉冠中，張亞偉，馮 登，廖思陽(yáng)

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430072；2.武漢都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，湖北武漢430071)

基于RTDS的孤立電網(wǎng)的極端運(yùn)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(yáng)1

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430072；2.武漢都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，湖北武漢430071)

以中國(guó)內(nèi)蒙古東部地區(qū)即將建成的一個(gè)高風(fēng)電滲透率的微電網(wǎng)為研究對(duì)象，依據(jù)系統(tǒng)不同運(yùn)行方式及故障情況下的系統(tǒng)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(tǒng)孤立運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)的頻率電壓特性以及控制策略，為實(shí)際孤立電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制提供參考方案。

孤立電網(wǎng);實(shí)時(shí)數(shù)字仿真;四邊界法;動(dòng)態(tài)響應(yīng)

近年來(lái)，建立含有光電、風(fēng)電等分布式電源的微電網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1-3]。然而此類微電網(wǎng)也存在著不可忽視的缺點(diǎn)，如規(guī)模小、電源數(shù)量少、分布式電源和負(fù)荷變化大；尤其是孤立運(yùn)行時(shí)，大容量設(shè)備的啟停會(huì)引起電網(wǎng)頻率和電壓的劇烈波動(dòng)，且不同運(yùn)行方式下波動(dòng)程度的差別較大[4-6]。

目前對(duì)于孤立電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，缺乏深層次的理論和技術(shù)分析，傳統(tǒng)的孤網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)只能驗(yàn)證特定情況下的孤網(wǎng)運(yùn)行能否穩(wěn)定，且電網(wǎng)運(yùn)行方式及電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置定值的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響較大，故必須采取更加經(jīng)濟(jì)高效的措施來(lái)進(jìn)行孤立電網(wǎng)運(yùn)行控制特性的研究[7-8]。因此，從電力系統(tǒng)仿真的角度研究孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性、系統(tǒng)頻率與電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分析得出相應(yīng)的控制策略，對(duì)于提高孤立電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)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(guó)內(nèi)蒙古東部地區(qū)即將建成的一個(gè)具有煤礦生產(chǎn)、煤炭發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和電解鋁負(fù)荷的孤立電網(wǎng)系統(tǒng)，其火電總裝機(jī)容量為1 800 MW，風(fēng)電裝機(jī)容量800 MW，風(fēng)電滲透率高。系統(tǒng)的負(fù)荷主要為電解鋁負(fù)荷，此外還有少量的供熱負(fù)荷。

為了避免高昂的備用容量費(fèi)用，系統(tǒng)采取孤島運(yùn)行方式，不與大電網(wǎng)相連，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，少量的功率波動(dòng)都會(huì)引起顯著的頻率偏移。電源側(cè)含有高滲透率的風(fēng)電，隨機(jī)波動(dòng)性強(qiáng)且功率調(diào)節(jié)能力有限，而電解鋁負(fù)荷其調(diào)節(jié)深度和調(diào)節(jié)速度都極其有限，這些都會(huì)給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

根據(jù)實(shí)地調(diào)研的系統(tǒng)模型參數(shù)，以實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器RTDS(Real-Time Digital Simulator)為平臺(tái)，建立了孤立電網(wǎng)的RTDS仿真模型。基于此模型，仿真研究了不同運(yùn)行方式和各種故障擾動(dòng)下的系統(tǒng)頻率和電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)，并且提出了相應(yīng)的控制策略。

1 孤立電網(wǎng)RTDS建模與系統(tǒng)運(yùn)行概況

實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器RTDS是一種實(shí)時(shí)全數(shù)字式電磁暫態(tài)電力系統(tǒng)模擬裝置，于1993年由加拿大ManitOba高壓直流研究中心研發(fā)成功，它的硬件基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和并行計(jì)算，能快速求解電力系統(tǒng)的方程，計(jì)算速度足以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)輸出。

與PSS/E、BPA和Simpow等其他機(jī)電暫態(tài)仿真程序相比，RTDS里不僅提供了幾乎所有的電力系統(tǒng)元件模型，用戶還能自定義生成所需的控制元件，可精細(xì)地模擬機(jī)電暫態(tài)程序中沒(méi)有的部分現(xiàn)象，并且可以模擬較大規(guī)模的系統(tǒng)，是進(jìn)行電力系統(tǒng)現(xiàn)象精確分析的最理想軟件之一。此外，RTDS還擁有數(shù)字量和模擬量的輸入輸出接口，可以方便地用于硬件閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，是目前世界上技術(shù)最成熟應(yīng)用最廣泛的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)。

本文在RTDS平臺(tái)按照實(shí)際系統(tǒng)1∶1搭建的孤立電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 孤立電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行方式和火電機(jī)組的組成，系統(tǒng)有3～10#共8臺(tái)火電機(jī)組，總裝機(jī)容量為1 800 MW。包含兩座風(fēng)力發(fā)電廠，接入點(diǎn)為2#鋁廠和3#鋁廠的負(fù)荷母線，總裝機(jī)容量為800 MW。鋁廠一期負(fù)荷330 MW，鋁廠二期負(fù)荷為420 MW，鋁廠三期負(fù)荷640 MW。廠用電負(fù)荷、熱負(fù)荷、網(wǎng)損共248 MW。系統(tǒng)的電源及負(fù)荷具體組成結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 系統(tǒng)電源及負(fù)荷構(gòu)成

系統(tǒng)孤島運(yùn)行時(shí)，潮流分布合理，供電網(wǎng)絡(luò)能夠維持供電自平衡。系統(tǒng)接入風(fēng)電功率和檢修機(jī)組的大小，將直接影響系統(tǒng)備用容量的多少。系統(tǒng)在不同的運(yùn)行工況下，發(fā)電機(jī)組出力和系統(tǒng)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(fā)電機(jī)故障停運(yùn)這一實(shí)際的情況可以在軟件的RUNTIME界面中通過(guò)斷開(kāi)該發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)所連接的出線上的開(kāi)關(guān)來(lái)模擬。

為了分析孤立電網(wǎng)在不同情況下的故障后動(dòng)態(tài)響應(yīng)，本文以四邊界法為依據(jù)，選取以下四種極端典型算例進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)：

(1)系統(tǒng)備用容量很大，因發(fā)電機(jī)故障而損失的有功功率很小；

(2)系統(tǒng)備用容量很大，因發(fā)電機(jī)故障而損失的有功功率也很大；

(3)系統(tǒng)備用容量很小，因發(fā)電機(jī)故障而損失的有功功率也很??；

(4)系統(tǒng)備用容量很小，因發(fā)電機(jī)故障而損失的有功功率很大。

根據(jù)上述四邊界的分類方法，選取四種典型工況，先分別進(jìn)行故障前的穩(wěn)態(tài)仿真運(yùn)行，并記錄穩(wěn)態(tài)時(shí)的系統(tǒng)備用容量和待斷開(kāi)發(fā)電機(jī)組的有功出力(即該發(fā)電機(jī)故障后損失的有功功率)，整理為圖2。其中橫軸代表因發(fā)電機(jī)故障停運(yùn)導(dǎo)致系統(tǒng)中損失的有功功率，縱軸代表系統(tǒng)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(jié)中的分類方法為依據(jù)，對(duì)系統(tǒng)的幾種典型工況進(jìn)行仿真運(yùn)算，設(shè)置穩(wěn)態(tài)運(yùn)行4 s后斷開(kāi)故障發(fā)電機(jī)的出線開(kāi)關(guān)，即讓相應(yīng)的發(fā)電機(jī)故障退出運(yùn)行，記錄系統(tǒng)的頻率和電壓變化，分析了系統(tǒng)頻率和電壓的響應(yīng)特性相應(yīng)的控制策略。

2.2.1 風(fēng)電出力大時(shí)小容量機(jī)組故障

本算例的運(yùn)行方式為8臺(tái)火電機(jī)組全部運(yùn)行，實(shí)際出力共1 389.98 MW，風(fēng)電場(chǎng)有功出力為300 MW，系統(tǒng)的負(fù)荷及網(wǎng)損共1 689.98 MW，系統(tǒng)的備用容量為410.02 MW。仿真設(shè)置額定容量為100 MW的小機(jī)組發(fā)生故障停運(yùn)，此時(shí)系統(tǒng)損失有功功率為75.9 MW，遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的備用容量。由于系統(tǒng)有充足的備用容量，發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻的速度足夠，此時(shí)系統(tǒng)不用采取安穩(wěn)措施，網(wǎng)內(nèi)機(jī)組功角都能同步，系統(tǒng)的頻率和電壓波動(dòng)均在穩(wěn)定范圍內(nèi)，系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。

如圖3所示，系統(tǒng)頻率最低跌落至49.77 Hz，最終穩(wěn)定在49.94 Hz。母線節(jié)點(diǎn)電壓在穩(wěn)定允許范圍之內(nèi)。

圖3 100 MW機(jī)組故障時(shí)系統(tǒng)頻率和電壓響應(yīng)曲線

2.2.2 風(fēng)電出力大時(shí)大容量機(jī)組故障

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

此時(shí)若不采取安穩(wěn)措施，雖然系統(tǒng)有較充足的備用容量，但由于損失的有功功率過(guò)大，僅僅依靠火電機(jī)組的一次調(diào)頻無(wú)法維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，如圖4所示，系統(tǒng)頻率最低跌落至48.78 Hz，波動(dòng)超出了穩(wěn)定允許范圍49 Hz，并最終穩(wěn)定在49.65 Hz。母線節(jié)點(diǎn)電壓在穩(wěn)定允許范圍之內(nèi)。

圖4 350 MW機(jī)組故障時(shí)系統(tǒng)頻率和電壓響應(yīng)曲線

2.2.3 無(wú)風(fēng)電出力時(shí)小容量機(jī)組故障

本算例的運(yùn)行方式為1臺(tái)額定容量150 MW的火電機(jī)組檢修，其他7臺(tái)火電機(jī)組全部滿出力運(yùn)行，無(wú)風(fēng)電接入，此時(shí)所有火電機(jī)組已運(yùn)行至輸出功率極限狀態(tài)，系統(tǒng)的備用容量為0。

仿真設(shè)置額定容量為100 MW的小機(jī)組發(fā)生故障停運(yùn)，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩被限幅，系統(tǒng)已經(jīng)完全沒(méi)有備用容量，且鋁業(yè)負(fù)荷的靜態(tài)模型頻率調(diào)節(jié)系數(shù)為負(fù)值，在沒(méi)有任何控制措施情況下，不平衡功率的存在會(huì)使系統(tǒng)頻率和電壓均崩潰，系統(tǒng)無(wú)法維持穩(wěn)定，如圖5所示。

2.2.4 無(wú)風(fēng)電出力時(shí)大容量機(jī)組故障

本算例的運(yùn)行方式與算例(3)相同，仿真設(shè)置1臺(tái)額定容量為350 MW的大機(jī)組發(fā)生故障停運(yùn)。

此種情況下，各發(fā)電機(jī)組均處于滿發(fā)狀態(tài)，系統(tǒng)備用容量為0；因發(fā)電機(jī)故障停運(yùn)而損失的有功功率很大，為350 MW。由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩被限幅，發(fā)電機(jī)達(dá)到其機(jī)械功率輸出極限時(shí)，系統(tǒng)仍存在不平衡功率為350 MW。如果不采取任何安全穩(wěn)定措施，系統(tǒng)頻率和電壓顯然會(huì)崩潰。

由于發(fā)電機(jī)停運(yùn)損失的功率大于鋁廠一期負(fù)荷330 MW小于二期負(fù)荷440 MW，并且發(fā)電機(jī)故障停運(yùn)時(shí)系統(tǒng)已無(wú)備用因此考慮采取安穩(wěn)措施，即在故障0.1 s以后切除鋁廠負(fù)荷。

圖5 100 MW機(jī)組故障時(shí)系統(tǒng)頻率和電壓響應(yīng)曲線

若聯(lián)切一期鋁廠負(fù)荷330 MW，負(fù)荷的聯(lián)切可以消除部分不平衡功率，但仍有數(shù)值為21.02 MW不平衡功率剩余，由于系統(tǒng)已經(jīng)完全沒(méi)有備用容量，且發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)速度十分有限，此時(shí)即使是如此少量的功率波動(dòng)，也引起了系統(tǒng)的頻率崩潰，負(fù)荷側(cè)母線電壓也隨后發(fā)生了崩潰，如圖6所示。

圖6 加入安穩(wěn)措施聯(lián)切330 MW負(fù)荷后的頻率和電壓響應(yīng)曲線

若安穩(wěn)裝置在故障后0.1 s聯(lián)切鋁廠二期負(fù)荷440 MW，由于被切除的負(fù)荷功率遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)故障損失的功率，系統(tǒng)又會(huì)出現(xiàn)過(guò)頻問(wèn)題，如圖7所示，系統(tǒng)的頻率反沖至50.6 Hz，超過(guò)系統(tǒng)正常運(yùn)行的頻率上限值。

鑒于上述情況，可考慮在安穩(wěn)切除二期鋁負(fù)荷的同時(shí)聯(lián)切一臺(tái)100 MW的發(fā)電機(jī)，通過(guò)減少發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率，從而抵消聯(lián)切負(fù)荷后系統(tǒng)存在的不平衡功率。仿真結(jié)果如圖8所示，系統(tǒng)頻率最高升至50.12 Hz，并最終穩(wěn)定在50.02 Hz。母線節(jié)點(diǎn)電壓也在穩(wěn)定允許范圍之內(nèi)。

3 結(jié)論與展望

本文利用RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)，詳細(xì)研究了孤島系統(tǒng)在各種機(jī)端運(yùn)行方式下的頻率和電壓響應(yīng)以及相應(yīng)控制策略。

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)備用充足時(shí)，小的擾動(dòng)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定造成大的威脅。當(dāng)備用容量不足時(shí)(如風(fēng)電小發(fā)和大機(jī)組檢修)，合理地加入安全穩(wěn)定措施，能夠使系統(tǒng)的頻率和電壓波動(dòng)維持在允許范圍內(nèi)。但是由于該系統(tǒng)規(guī)模較小，而且風(fēng)電出力的大小不定，當(dāng)出現(xiàn)極端運(yùn)行工況如風(fēng)電機(jī)組小發(fā)且大火電機(jī)組檢修的情況下，此時(shí)系統(tǒng)的備用容量嚴(yán)重不足。由于切負(fù)荷時(shí)必須整切整個(gè)鋁廠，級(jí)差單一，即使安全穩(wěn)定裝置按照安穩(wěn)策略表準(zhǔn)確動(dòng)作，僅僅依靠聯(lián)切負(fù)荷的方式也難以完全消除因系統(tǒng)的原件故障或者風(fēng)功率擾動(dòng)所引起的不平衡功率，不平衡功率會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的顯著偏移，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

圖7 加入安穩(wěn)措施聯(lián)切440 MW負(fù)荷后的頻率和電壓響應(yīng)曲線

圖8 加入安穩(wěn)措施并聯(lián)切100 MW發(fā)電機(jī)后的頻率和電壓響應(yīng)曲線

為了增加系統(tǒng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性，可以在未來(lái)考慮對(duì)鋁廠進(jìn)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(fù)荷分母線運(yùn)行從而使負(fù)荷形成一定的級(jí)差，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的分級(jí)調(diào)節(jié)。此外還可以考慮改造發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，在勵(lì)磁控制中引入反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以增強(qiáng)孤網(wǎng)運(yùn)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(guó)家科技支撐計(jì)劃(2015BAA01B04)

上官安琪(1991—)，女，河南省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭稍偕茉唇尤爰夹g(shù)、電力系統(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)。