大区域联网条件下山东电网低频振荡分析

董 霜，朱子钊，牛远方

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

1 山东电网规划概况

山东省是一个水资源匮乏、煤炭供不应求、环保空间有限、土地相对偏少的省份，资源条件成为制约山东省电源发展的重要因素。山东省煤炭资源探明地质储量331亿t，约占全国的3%，人均储量不足全国平均水平的一半。山东省的资源和自然条件决定了在今后相当长的一个时期内，以煤电为主的能源格局不会改变。这就对山东转变电力发展方式提出了迫切要求，积极接纳省外电力将成为今后山东电力发展的战略选择。

2010年，山东电网通过两个500kV双回线路(辛安-聊城双回线路和黄骅-滨州双回线路)与华北电网联网，宁东－山东±660kV直流输电工程单极投运，全年共接纳省外来电207.6亿kWh，同比增长195%，山东电网接纳华北来电最高负荷3500MW，11～12月份宁夏来电最高负荷2000MW。2011年建成宁东－山东±660kV直流输电工程双极投运后，将山东接受省外电能力提高到7500MW；根据国家特高压电网建设和电源基地开发情况，2012年山东电网建成济南和潍坊2个特高压交流工程， 届时，山东电网将通过交流特高压与华北、华中和华东实现直接同步联网。电网互联带来了可观的经济效益，促进了电力工业进一步发展。但如此庞大的电网形成以后，也将使弱阻尼甚至负阻尼低频振荡问题更加突出，原来网架结构薄弱的小干扰稳定问题也将日趋严重。在这一形势下，开展山东电网与交流特高压联网后低频振荡的研究，发现系统运行中可能存在的安全稳定问题并提出相应的应对方案，对于提高山东电网的规划和运行水平、保证山东电网的健康发展具有重要意义。

2 低频振荡的分析方法

分析低频振荡问题，在理论上有成熟的线性化特征分析法，但系统大了以后(超过1000节)计算系统特征根就成为特征分析方法应用的最大瓶颈。对状态变量为几万以上的大区域联网系统，即使要仅求出为数不多的系统弱阻尼低频振荡模式、区域间低频振荡模式也是相当困难的事。文献[1-3]采用对系统进行降阶简化的方法，完成了对规划中的大区域联网系统的小干扰稳定分析；文献[4]采用追踪联网前系统主要低频振荡模式的方法，研究了山东电网低频振荡问题；文献[5]在2阶经典模型的基础上求出了大区域互联系统的主导低频振荡模式；文献[6]在保持系统潮流不变、网架结构不变、发电机总数不变的基础上采用特殊方法求出了与四川电网相关的系统主导低频振荡模式。本文采用中国电力科学研究院PSD-SSAP电力系统小干扰稳定性分析程序进行山东电网小干扰稳定计算和分析。该分析程序采用了QR算法和能够利用稀疏矩阵特性的隐式重启动Arnoldi算法。其中：QR算法只能适合于中小规模电力系统的小干扰稳定性分析，而隐式重启动Arnoldi算法适合大规模电力系统的小干扰稳定性分析。由于计算的网络方式为全国联网，发电机数量众多，计算数据中的状态变量位数大大超过QR算法要求系统维数的限制，所以采用Arnoldi算法来进行山东电网小干扰稳定分析。

电力系统小扰动稳定性相当于一般动力学系统在Lyaponov意义下的渐进稳定性。通过计算线性化系统状态矩阵的特征值、左右特征向量以及阻尼比、机电回路相关比、参与因子和特征值对参数的灵敏度等，从而分析判断系统在小扰动下的行为特征。参与因子反映了系统中各机组对同一振荡模式的参与程度。参与因子大，相关程度就强。在系统小干扰稳定研究中，参与因子常常用来确定PSS的配置地点，在参与因子大的电厂的发电机组配置PSS，一般可以得到良好的效果。特征向量的模值反映了系统中各机组对同一振荡模式的影响程度，表现为振荡的强弱程度。特征向量的相位反映了系统中各机组对同一振荡模式的同调程度。

在大型电力系统中，小扰动稳定性问题实质分为局部振荡模式和全局振荡模式：局部振荡模式的频率范围一般在0.7～2.5Hz之间；全局振荡模式或区域振荡模式频率范围一般在0.1～0.7Hz，地区局部振荡模式又可有单机对系统的振荡和少数几台机组(或机群)间的振荡。

3 山东电网小干扰稳定分析

3.1 小干扰分析边界条件

计算采用的软件为电力科学研究院PSD—SSAP“小干扰稳定性分析程序”(2.2版)。发电机组模型采用详细模型；已完成PSS参数测试机组加入PSS模型；考虑山东电网大容量机组均配置了PSS，未投产机组采用典型参数；负荷模型为华北、山东、东北电网采用恒阻抗负荷模型；华中(含四川、重庆)和华东电网采用60%恒功率+40%恒阻抗的静态电压负荷模型。计算数据采用规划的大区联网数据，联网方式为2012年全国联网方式，电网振荡模式计算采用完全全国联网规模，所有区外电网采用详细的电网模型与参数。分析与山东电网相关的振荡模式、模态图和相关因子。

3.2 山东电网内部振荡模式

该模式特征根为-0.2710+j9.8757，频率：1.5718HZ，阻尼比：0.0274，特征向量见表1(仅列出参与因子最大的前十台机组)。该振荡模式为山东电网内部的局部厂站模式，表现为太阳纸业电厂、科澳厂、里彦厂对山东西南部电网的振荡模式，为弱阻尼模式，会对电网稳定造成一定影响，应该在主要相关电厂，如太阳纸业电厂、里彦电厂、科澳电厂加装PSS装置。

图1 山东电网内部振荡模式模态图

表1 山东电网内部振荡模式特征向量

3.3 山东电网—华北电网振荡模式

该模式特征根为-0.5886+j4.0751，频率：0.6486；阻尼比：0.1358，属于强阻尼振荡模式。2012年山东电网通过辛安—聊城，滨州—黄骅500kV联络线与华北电网相连，由于多数大容量机组均考虑了PSS的配置，因此该振荡模式阻尼较高。相关因子大于0.15的机组共有35台，见图2和表2。

图2 山东-华北低频振荡的模态图

表2 山东-华北低频振荡模式的强相关机组

续表2

3.4 其它与山东省内发电机相关的振荡模式

由于电网互联，华北电网等发生低频振荡时，相关机组也包含山东省内发电机。表3列出了与山东省内发电机相关的弱阻尼(阻尼比小于0.0(3)振荡模式。

表3 与山东省内发电机相关的弱阻尼振荡模式

经过分析，上述弱阻尼振荡模式相关发电厂均包含聊城地区的华宇热电厂、茌平电厂、信源电厂以及希望电厂，这四个发电厂的发电机组均没有安装PSS装置，建议合理配置PSS。

4 结论

通过以上对山东2012年规划电网进行小扰动安全稳定分析可以得到以下结论：由于山东大容量机组大部分考虑了PSS的配置，2012年山东电网与华北电网之间的区域振荡模式阻尼特性较好，阻尼比为0.1358；山东电网内部局部振荡模式为弱阻尼模式，阻尼比低于0.03，建议在强相关发电厂机组加装PSS装置。

小扰动振荡模式阻尼特性与网架结构、实时潮流大小、负荷水平、开机状况、设备检修的情况有关，除正常方式外，对每个特定的运行方式，可能存在特有的振荡模式，其它运行方式的振荡模式，需要在以后的工作中进一步研究。

[1]朱方，赵红光.大区电网互联对电力系统动态稳定性的影响[J].中国电机工程学报，2007，27(1).

[2]汤涌，等.华北-东北联网工程系统调整试验[J].电网技术，2001，25(11).

[3]朱方，等.我国交流互联电网动态稳定性的研究及解决策略[J].电网技术，2004，28(15).

[4]王洪涛，等.电网互联对山东电网内部低频振荡模式的影响[J].中国电力，2004，37(6).

[5]黄莹，徐政，盘武略.基于PSS/E的华东电网低频振荡分析方法[J].电网技术，2005，29(23).

[6]邓集祥，等.大区域联网条件下四川电网低频振荡分析[J].电网技术，2008，32(17).