華中電網(wǎng)低頻振蕩的分析與研究

華中電網(wǎng)低頻振蕩的分析與研究

0低頻振蕩機理分析及機理根據(jù)“全國互聯(lián)、西醫(yī)、東向北、南北互聯(lián)”的全國互聯(lián)政策，未來5-10年是全球能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的關(guān)鍵時期。由于電力系統(tǒng)的不斷擴大,快速勵磁系統(tǒng)和快速勵磁調(diào)節(jié)器的應用,不少電力系統(tǒng)出現(xiàn)了聯(lián)絡(luò)線低頻功率振蕩現(xiàn)象。振蕩過程中參與振蕩的機組轉(zhuǎn)子會相對擺動,輸電線路功率來回傳輸,影響了系統(tǒng)的正常運行,嚴重時系統(tǒng)將失去同步。一般認為低頻振蕩的機理是由于在特定情況下系統(tǒng)提供的負阻尼作用抵消了系統(tǒng)電機、勵磁繞組和機械等方面的正阻尼,使系統(tǒng)總阻尼很小或為負。系統(tǒng)在負阻尼工況下受到擾動時,擾動逐漸被放大進而引起功率的低頻振蕩。如何解決和理解低頻振蕩問題,在系統(tǒng)不斷發(fā)展的今天顯得尤為重要。本文結(jié)合川渝并入華中電網(wǎng)互聯(lián)輸電的實際工程,在深入研究低頻振蕩故障的數(shù)學模型和機理的基礎(chǔ)上,對華中電網(wǎng)進行系統(tǒng)的計算,分析其產(chǎn)生低頻振蕩的幾率、地點和穩(wěn)定特性。并利用實時數(shù)字仿真系統(tǒng)(RTDS)和電力系統(tǒng)綜合程序(PSASP)對電力系統(tǒng)中常見的抑制低頻振蕩故障的方式進行比較。1發(fā)電機轉(zhuǎn)子角隨負荷擾動的規(guī)律各國專家提出了一些不同的低頻振蕩產(chǎn)生機理,主要歸為3類:①根據(jù)線性系統(tǒng)分析,由于系統(tǒng)特征根的改變,產(chǎn)生了附加的負阻尼,抵消了系統(tǒng)固有的正阻尼,使之變?yōu)槿踝枘峄蛘哓撟枘岬那闆r,最終導致擾動后振蕩不衰減或增幅振蕩。②輸人或擾動信號與系統(tǒng)固有頻率存在某種特定關(guān)系,產(chǎn)生較大幅度的共振或諧振,其頻率有時處于低頻區(qū)域,產(chǎn)生了低頻振蕩;③由于系統(tǒng)的非線性影響,其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。當參數(shù)或擾動在一定范圍內(nèi)變化時會使得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而產(chǎn)生系統(tǒng)的振蕩。這一分析有別于線性系統(tǒng),因為線性系統(tǒng)的穩(wěn)定是全局性的,非線性系統(tǒng)是局部的。在所有低頻振蕩機理中,負阻尼機理研究得最成熟,目前已經(jīng)形成了一套較完整的理論體系,并且在工程上得到實際應用。本文就是在基于負阻尼機理的基礎(chǔ)上對華中區(qū)域電網(wǎng)進行低頻振蕩分析的。近年來低頻振蕩的研究已經(jīng)取得了一些進展,尤其是單機系統(tǒng)的問題已經(jīng)基本上得到了解決。在兩機系統(tǒng)簡化后的單機無窮大系統(tǒng)中,設(shè)發(fā)電機為恒定,所有就地負荷都放在E′恒定點(見圖1)?？紤]負荷擾動ΔPl的發(fā)電機轉(zhuǎn)子運行方程為:Mδ/ω0+Dδ/ω0=Pm-(PL-ΔPl+Pmaxsinδ),(1)線性化的轉(zhuǎn)子運行方程式為ΜΔδω0+DΔδω0+ΚΔδ=ΔΡL+n∑i=1ΔΡlisin(ωi+φi),(2)MΔδω0+DΔδω0+KΔδ=ΔPL+∑i=1nΔPlisin(ωi+φi),(2)由第一、二種負荷引起的系統(tǒng)頻率偏移很小,因此可認為發(fā)電機的機械功率恒定即△Pm=0。求解式(2)可以得到由周期性負荷引起的發(fā)電機轉(zhuǎn)子角對平均值偏移的變化規(guī)律如下:Δδ=Ae-ξωntsin(ωn√1-ξ2t+φ)+k∑i=1ΔΡlisin(ωi+φi-?i)Κ√(Ν2i-1)2+(2Νiξ)2,(3)Δδ=Ae?ξωntsin(ωn1?ξ2?????√t+φ)+∑i=1kΔPlisin(ωi+φi??i)K(N2i?1)2+(2Niξ)2????????????????√,(3)D為等值阻尼力矩系數(shù);ξ=D/2Mw0為阻尼系數(shù)。在ξ>0的系統(tǒng)中,設(shè)負荷以給定頻率變化,則發(fā)電機轉(zhuǎn)子角度偏移的最大值為:Δδmax=ΔΡt/Κ√(Ν2-1)2+2Νξ2,(4)Δδmax=ΔPt/K(N2?1)2+2Nξ2??????????????√,(4)聯(lián)絡(luò)線功率的最大偏移值為:ΔΡmax=ΚΔδmax=ΔΡl/√(Ν2-1)2+2Νξ2ΔPmax=KΔδmax=ΔPl/(N2?1)2+2Nξ2??????????????√。(5)可見N→0時ΔPmax→ΔPl,(6)N=0時ΔPmax=ΔPl/2ξ,(7)N→∞時ΔPmax→0。(8)對(5)式的ΔPmax求極值,可得當Ν=√1-2ξ2N=1?2ξ2??????√時,有極大值ΔΡmax=ΔΡl/2ξ√1-2ξ2ΔPmax=ΔPl/2ξ1?2ξ2??????√。(9)由(6)～(9)式可見,當負荷擾動的頻率遠高于系統(tǒng)固有頻率時,該負荷擾動對于聯(lián)絡(luò)線功率振蕩沒有什么影響,可不予考慮;對遠低于系統(tǒng)固有頻率的負荷擾動,若其幅值較大,則對聯(lián)絡(luò)線功率振蕩也會有相當影響,對于同固有頻率相同或稍低于固有頻率的負荷擾動會引起聯(lián)絡(luò)線功率的諧振,其諧振幅值同擾動量成正比,同阻尼系數(shù)成反比。任一振蕩模式在振蕩過程中的阻尼大小與該振蕩模式的振蕩模態(tài)(即特征矢量)、各機組阻尼系數(shù)和慣性常數(shù)存在著特定的函數(shù)關(guān)系,其中振蕩模態(tài)起著決定性作用。要想增加振蕩模式阻尼,就必須在強相關(guān)機組(即特征矢量較大的機組)上施加阻尼。2華中電網(wǎng)低頻振蕩模式計算程序采用PSASP(6.2版),計算網(wǎng)絡(luò)包括2005年華中區(qū)域500kV及220kV電網(wǎng),基本潮流選用能保證川渝500kV電網(wǎng)內(nèi)部線路三相故障、湖北與川渝聯(lián)絡(luò)線三相故障以及華中500kV電網(wǎng)內(nèi)部線路三相故障,不采取穩(wěn)定措施或水電外送線路,采取切機措施能夠保持系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的潮流作為計算的基本潮流,即基本潮流為能滿足系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定要求的最大潮流。計算方法包括潮流計算、暫穩(wěn)計算、小干擾穩(wěn)定計算。電力系統(tǒng)的機電振蕩頻率通常為0.1～2.5Hz,區(qū)域間的振蕩模式頻率通常為0.1～1.0Hz,區(qū)域內(nèi)的振蕩模式頻率通常為1.0～2.5Hz。本次計算得到了許多頻率在0.1～2.5Hz之間的振蕩模式,選取其中2對主導特征模式來分析,由于內(nèi)容關(guān)系,這里只分析特征值1和2(見表1)。特征值1對應的是區(qū)域間弱阻尼振蕩模式,振蕩頻率為0.644162Hz。系統(tǒng)中所有的江西發(fā)電機和部分湖南發(fā)電機參與了振蕩,江西和湖南機群相位約相差180°,其中特征向量振幅最大發(fā)生在萬安電廠40MW和五站電廠120MW。圖2a為特征值1的模態(tài)圖,由圖可知,該模態(tài)表征江西和湖南機群間發(fā)生了相位相反的相對振蕩。特征值2對應的是區(qū)域間負阻尼增幅振蕩模式,其振蕩頻率為0.690922Hz。系統(tǒng)中的所有發(fā)電機都參與了振蕩,該振蕩模式對四川、湖南水電機群和湖北三峽、隔河巖電廠影響最大,其中特征向量振幅最大值發(fā)生在三峽電廠840MW和東江電廠50MW。圖2b為特征值2的模態(tài)圖,該模式表征湖北水電機群和四川、湖南水電機群之間相位的相對振蕩是引起該模式下全局增幅振蕩的主要原因。綜合所計算結(jié)果可以看出,目前華中電網(wǎng)正常運行的情況下,電網(wǎng)內(nèi)部還存在動態(tài)不穩(wěn)定運行點。隨著四川水電機組送華中東部電網(wǎng)功率的增加,當鄂渝斷面輸送功率>100MW時電網(wǎng)內(nèi)部開始出現(xiàn)不同方式的振蕩。華中電網(wǎng)中既有川渝和華中東部電網(wǎng)間的區(qū)域振蕩模式,又有川渝和華中東部電網(wǎng)內(nèi)部存在的地區(qū)振蕩模式。通過分析計算結(jié)果可知,在2005年豐大運行方式下,華中電網(wǎng)內(nèi)部低頻振蕩點主要集中在四川的二灘機組、湖南、江西的水電機組和湖北西部的水電機組群。這些機群間的相對振蕩是引起華中電網(wǎng)振蕩的主要原因。分別在華中電網(wǎng)內(nèi)部分機組加裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)和部分線路加裝串補償器,比較加裝不同裝置前后系統(tǒng)穩(wěn)定特性,分析PSS和串聯(lián)補償器對提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和抑制電網(wǎng)內(nèi)部低頻振蕩的效果時取三峽—萬縣500kV線路為研究對象。表2為三萬線臨近電站加裝PSS和串補前后的華中電網(wǎng)主要特征值對比(僅分析特征值6)。從表2可以看出,特征值6對應的是區(qū)域間負阻尼增幅振蕩模式。在華中電網(wǎng)500kV三萬輸電線臨近區(qū)域電站加裝PSS后,特征值6的阻尼特性改善不明顯,阻尼比增加微小,特征值6對應的振蕩模態(tài)仍然存在;而加裝串補后有效的消除了特征值中對應的負阻尼振蕩模態(tài),特征值6的阻尼系數(shù)由負阻尼變?yōu)檎枘?通過分析不同情況下特征值對應的特征向量可知,加裝串補后湖北水電機組、河南和江西機組間的相對振蕩抑制不是非常明顯。但是重慶機組在加裝串補后穩(wěn)定特性得到極大提高,重慶機群沒有一臺機組參與區(qū)域間弱阻尼振蕩。降低了電網(wǎng)內(nèi)部低頻振蕩模式發(fā)生的幾率,對振蕩模式可以提供良好的阻尼,整個電網(wǎng)內(nèi)部穩(wěn)定性水平得到提高。在華中電網(wǎng)主力機組安裝PSS和三峽、隔河巖等電廠PSS退出的條件下,電網(wǎng)內(nèi)某斷面送電容量為900MW和1500MW時,在二灘—普提500kV線路上作三相短路故障,電網(wǎng)穩(wěn)定性情況分析。仿真計算得到的聯(lián)絡(luò)線功率波動情況見圖3。從圖3a、b可以看出,安裝串聯(lián)補償器后,系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大提高,華中電網(wǎng)內(nèi)區(qū)域間振蕩被較好地抑制。從圖3c可以看出,盡管系統(tǒng)中有的電廠的PSS未投入運行,安裝串補仍然可以很好地抑制區(qū)域間低頻振蕩,說明安裝串補后系統(tǒng)對PSS的要求有所降低。上述研究的總結(jié)見表3。從表3可以看出,在各種運行方式和不同PSS運行情況下,安裝串聯(lián)補償器均可有效抑制華中電網(wǎng)內(nèi)的振蕩模式,使聯(lián)絡(luò)線功率振蕩衰減大大加快。在一些方式下僅安裝PSS即可使系統(tǒng)穩(wěn)定,這時安裝串聯(lián)補償器仍可起到加快振蕩衰減速度,進一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。在系統(tǒng)中一些主要發(fā)電機上安裝PSS對改善系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性有較大作用。但對于復雜電力系統(tǒng),僅利用PSS很難對所有的低頻振蕩模式取得較好的阻尼作用,串聯(lián)補償器安裝在聯(lián)絡(luò)線上對抑制低頻振蕩有顯著的效果。計算表明在聯(lián)絡(luò)線安裝串補,在系統(tǒng)各種運行方式及三峽等機組PSS退出運行的情況下,均可以降低低頻振蕩發(fā)生的幾率,提高系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性。同時,安裝串補后系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定極限也有一定程度的提高。3基于pss的試驗系統(tǒng)為驗證PSS和串補的效果,采用實時數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)(RTDS),通過負荷變動、單瞬接地、三相瞬間接地故障下的動態(tài)時域仿真實驗進行了論證。RTDS是全數(shù)字化的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)(EMTP)模擬裝置。考慮RTDS硬件資源的限制,計算時可能出現(xiàn)數(shù)值溢出問題,將華中電網(wǎng)500kV線路等值簡化并用PSASP驗證。本文以簡化3機1電源系統(tǒng)為例進行分析,三臺發(fā)電機分別采用川渝,左一以及華中東網(wǎng)等值機的簡化參數(shù),無窮大電源相當于平衡節(jié)點調(diào)節(jié)系統(tǒng)潮流。系統(tǒng)等值模型見圖4。等值系統(tǒng)模型的初始條件為:川渝、左一等值機出力分別為2070和4500MW,華中東部電網(wǎng)等值機等效為電動機模式;川渝與左一機均裝設(shè)PSS。另外萬縣龍泉和荊門側(cè)采用等效負荷。將川渝與華中的聯(lián)絡(luò)線即萬縣—三峽左一(三萬線320km)、萬縣—龍泉(萬龍線366km)兩回線路保留;并保留三峽左一—龍泉(三龍線58km)三回線和龍泉—荊門(龍荊線80km)線路,以及聯(lián)接無窮大電源的龍泉—孝感(200km單回)線路。擾動選取負荷變動、三相瞬間接地故障,接地故障在0.09s后故障切除,1.0s后自動重合閘。本文選取川渝電網(wǎng)向華中東網(wǎng)送電1000MW時,在加裝PSS和串補的情況下,分別作負荷擾動和接地故障等試驗(主要描述這兩個試驗結(jié)果),觀測系統(tǒng)受干擾后的振蕩情況,表4為送電1000MW時裝設(shè)不同裝置和不同故障下的測試結(jié)果。從表4可以看出,裝設(shè)PSS和串補后,對傳輸線在小擾動和故障后的振蕩抑制作用明顯,擾動后的振蕩平息時間從71s分別減少16s和14s,故障后的振蕩平息時間從47s降低到17s和11s;在相同周期內(nèi)振蕩幅值也大幅度減小。圖5為線路發(fā)生三相接地后,系統(tǒng)中加裝PSS和40%串補裝置前后的線路功率振蕩圖。由圖可知,在系統(tǒng)中裝設(shè)PSS和串補后,在受到相同故障情況下,線路的穩(wěn)定特性得到提高。由計算結(jié)果可見,裝設(shè)PSS和串補均可使受擾動后系統(tǒng)低頻振蕩的幅值更快衰減、平息時間更短,而且隨著輸送容量增大其抑制效果更趨明顯。4暫態(tài)穩(wěn)定性極限a)當負荷擾動的頻率遠低于系統(tǒng)固有頻率時,若其幅值較大則對聯(lián)絡(luò)線功率振蕩也會有相當影響;同固有頻率相同或稍低的負荷擾動會引起聯(lián)絡(luò)線功率的諧振,其諧振幅值同擾動量成正比,同阻尼系數(shù)成反比。b)在大區(qū)域電網(wǎng)正常運行的情況下,電