地区电网动态稳定分析及解决方案研究

李天权,冯鹏,刘峰,吴笃贵,袁愿,邓德能

(1.云南电网公司楚雄供电局,云南 楚雄 675000；2.厦门红相电力设备股份有限公司,福建 厦门 361001)

地区电网动态稳定分析及解决方案研究

李天权1,冯鹏1,刘峰1,吴笃贵2,袁愿2,邓德能2

(1.云南电网公司楚雄供电局,云南 楚雄 675000；2.厦门红相电力设备股份有限公司,福建 厦门 361001)

楚雄电网主要通过500 kV和平变供电,无论是丰水期还是枯水期,均需要从云南电网受入超过50%以上的电力,为全面了解楚雄电网在丰大、丰小和汛前枯大三种运行方式下的动态稳定现状,通过仿真计算和振型分析表明,楚雄电网主要存在全网南北模式和老虎山东西模式两大振荡模式,并利用测试信号法设计出合适的STATCOM阻尼控制器,提出了多种可能的安装方案,仿真结果证明这些方案对提高楚雄电网的动态稳定性具有较好效果。

低频振荡；STATCOM；测试信号法

0 前言

楚雄电网主要通过500 kV和平变供电,无论是丰水期还是枯水期,均需要从云南电网受入超过50%以上的电力。这种强受端的电网结构和就地电源严重缺乏的现状,是造成楚雄电网动态失稳风险的本质原因[1]。

根据 《南方电网安全稳定计算分析导则》中动态稳定性标准,有 “正常方式下,系统中与地区中小电站群强相关的振荡模式在小扰动情况下的最低阻尼比标准应不低于4.5%”。根据 《国家电网安全稳定计算技术规范》中动态稳定性标准,有 “阻尼比小于0为负阻尼,系统不能稳定运行；阻尼比介于0～0.02为弱阻尼；阻尼比介于0.02～0.03为较弱阻尼。在正常方式下,区域振荡模式以及与主要大电厂、大机组强相关的振荡模式的阻尼比一般应达到0.03以上；阻尼比介于0.04～0.05为适宜阻尼；阻尼比大于0.05,系统动态特性较好。”[2-3]

根据楚雄电网建设的 “十二五”规划,可以预见未来几年内楚雄电网的动态稳定形势将会更加严峻。适当提高对系统动态稳定阻尼的要求,改善和增强目前系统的阻尼比,使其保证在极端恶劣的运行状态下系统阻尼仍然能够满足电网关于动态稳定的标准,不论对楚雄电网当前的运行状态还是未来的电网发展都具有极其重要的现实意义。在此前提下,本文设定系统阻尼比达到8%～10%为较强阻尼,大于10%为强阻尼。

近年来,基于GTO和IGBT等普通晶闸管器件的静止同步补偿器 (STATCOM)正在电力系统中得到广泛应用。这种并联型无功补偿装置能够发出或吸收系统中的无功功率,以调节安装点的电压水平,控制电力系统的潮流分布。选择关键线路的潮流作为静止无功补偿器的调制参数,使其输出的无功功率能够根据调制参数的变化而动态改变,可以大幅度改善输电系统中功率振荡的阻尼和暂态稳定性[4]。STATCOM的功率振荡阻尼控制器本质上属于单输入、单输出的超前-滞后相位补偿控制器。设计STATCOM的振荡阻尼控制器所需的基本信息包括区域间振荡模式及其对应的留数[5]。本文采用测试信号法进行STATCOM附加阻尼控制器设计,基于此对楚雄电网加装STATCOM的低频振荡抑制方案进行了仿真分析和效果对比。

1 STATCOM附加阻尼控制器设计

1.1 STATCOM附加阻尼控制器模型

在联络线上安装STATCOM是阻尼低频振荡的一种有效手段,其附加阻尼控制器模型如图1所示。

图1 STATCOM附加控制器模型

附加控制器的基本原理是在STATCOM的电流参考信号 I0上叠加调制信号 Imod,从而改变STATCOM的输出电流I来实现对区域间低频振荡的阻尼。I0由上一级控制器决定。当STATCOM按开环定阻抗控制时,I0可以认为是一个定值。图1中,为输入信号的测量环节；为隔直环节；为附加阻尼控制器的超前-滞后补偿环节,每个超前-滞后补偿环节最多可实现60°的相位补偿；一阶惯性环节用来表示STATCOM的响应延迟,时间常数TSTAC很小,通常只有14～20 ms。

STATCOM附加控制器参数可以采用补偿留数相位的方法来进行整定。由附加控制器表达成传递函数的形式为：

其超前-滞后环节的参数可以用如下方程进行计算：

其中,φ是需要补偿的相位,arg(Rk)是第k个区域间振荡模式的留数相位,ωk是第k个区域间振荡模式的振荡频率。

确定T2、T3后,可以通过分析根轨迹来确定增益K。首先,作出各种运行方式下振荡模式随K变化的根轨迹；然后,利用根轨迹合理选择K,使得第k个振荡模式在各种运行状态下都具有较高的阻尼比。

1.2 附加阻尼控制器的基本设计步骤

由于电力系统的复杂性,难以通过解析法得到各种振荡模式及其对应的扩展留数、特征根等信息。本文采用测试信号法与Prony相结合设计STATCOM的附加阻尼控制器,简要步骤如下：

1)准备好电网的潮流数据和动态数据,并设计多种运行方式以便于通过留数比确定合适的输入量。

2)选择阻尼控制器的加装地点。在阻尼控制器开环的条件下,对其输出量Y施加小扰动,即有：

由于设计阻尼控制器的目的是为了抑制区域间振荡,而区域间振荡一般发生在0.3～2 Hz,所以kω0取值范围在0≤kω0≤6即可以满足要求。

3)设阻尼控制器备选输入量为Q,对系统进行机电暂态仿真至稳态,提取公共周期内Q和Y的变化量ΔQ和ΔY,分别做离散傅里叶变换DFT (ΔY)和 DFT(ΔQ),求得频率特性序列：G∗(s)=DFT(ΔQ)/DFT(ΔY)。

4)拟合出开环传递函数G(s)=ΔQ(s)/ ΔY(s)。辨识出设计控制器需要的扩展留数比和振荡模式等信息。

5)更换控制器加装点,重复 (2)～(4)步骤,获得不同控制点的扩展留数比。

6)综合比较上述结果,确定阻尼控制器最佳加装地点以及最优反馈信号。

2 楚雄电网低频振荡分析

首先利用PSS/E研究楚雄电网在丰大、丰小和汛前枯大三种运行方式下的低频振荡特性。考虑到系统最严重的运行状态,所有的分析都是在基于PSS全部退出的情况下进行的。

楚雄电网主要通过500 kV和平变电站接入云南电网,整个电网可按照和平站两条500 kV出线分为两部分。一部分为武定县电网,其主要通过由和平至厂口的500 kV线路受电；另一部分为除武定县电网后剩余的楚雄电网部分,主要由和平至紫溪、谢家河、元谋的三条220 kV线路受电。两部分区域电网间电气距离较远,相对比较孤立,因此对楚雄电网进行动态稳定分析时可以排除武定县电网的影响,仅考虑由紫溪、谢家河以及元谋220 kV变电站接入的电网。这种考虑方式对最终的分析结果基本无影响,并可简化电网结构,使结论清晰明朗。

分析结果显示,楚雄电网三种运行方式下存在多种机电振荡模式,主要有永仁南北振荡模式、全网南北振荡模式、老虎山片区东西侧振荡模式以及永姚南北振荡模式,且每种振荡模式的阻尼比均小于10%。尤其是全网南北振荡模式和老虎山东西侧振荡模式,广泛存在于每种典型运行方式当中,且阻尼比基本均小于8%。因此,无论是动态稳定性分析还是低频振荡抑制方案的制订,都应当重点考虑上述两种振荡模式。考虑到楚雄电网在丰小方式下,全网的振荡模式最多,振荡阻尼较弱,振荡形式最为复杂,故主要介绍该方式下的振荡情况及及其抑制方案。具体的振荡模式见表1。

表1 楚雄电网丰小方式下的振荡模式

图2列出了两种典型振荡模式的振型图。椭圆框表示全网南北振荡模式。

图2 楚雄地区低频振荡振型图

3 加装STATCOM抑制低频振荡

利用STATCOM及其阻尼控制器可以有效调控电力系统在故障条件下的功率波动,提高功率振荡的阻尼比。由于系统低频振荡主要表现为联络线上的功率振荡,因此STATCOM经常选择与安装点母线相连的关键线路的有功功率作为其阻尼控制器的附件输入。为了方便比较,所有的安装方案选择的安装容量均为10 MVar。

3.1 全网南北模式抑制效果

该模式主要为永仁地区与老虎山西郊侧和烟厂侧地区机组间的振荡,因此可以考虑分别在这三块地区的主要联络母线上安装STATCOM,并于谢家河112母线上施加0.02 s的三相接地短路故障,观察仿真波形,并利用Prony法得到加装前后的系统振荡阻尼比,分析结果见表2。

由于西郊侧机组在全网南北振荡模式中的参与度最高,因此在西郊侧加装STATCOM对该振荡模式的抑制效果最好。另外,就具体的安装点来说,在长距离输电线路的中间位置 (如西郊Y母线)加装STATCOM的阻尼能力最强。西郊Y母线安装方式下的小干扰故障仿真波形见图3。

表2 加装STATCOM前后全网南北低频振荡情况

图3 西郊Y母线安装方案的小干扰故障仿真

3.2 老虎山东西模式抑制效果

该模式主要为老虎山西郊侧与烟厂侧机组间的振荡,考虑在这两块地区的主要联络母线上安装STATCOM。与4.1节类似,在谢家河112母线上施加一个0.02 s的小干扰故障,可以得到加装前后的振荡阻尼比以及仿真波形。

由于烟厂侧在老虎山东西振荡模式中的参与度最高,因此在烟厂侧加装STATCOM对于改善该种低频振荡模式的效果最好。类似于4.1节,在线路中间位置 (如烟厂T双)加装STATCOM的阻尼效果最好。烟厂T方案的小干扰故障仿真波形见图4。

图4 烟厂T方案的小干扰故障仿真图

3.3 STATCOM安装方式的优化

在烟厂T或者西郊Y处安装STATCOM对抑制全网南北模式和老虎山东西模式效果较好,而考虑工程实施中征地等具体困难,上述选择未必是最佳安装方案,可能的选择是在上述变电站临近地区选择安装点,此时最佳的安装点就是谢家河112母线。为此,可简单比较集中式安装 (谢家河方案,容量为20 MVar)和分布式方案 (烟厂T和西郊Y各安装10 MVar)抑制效果的差别。表3列出了安装前后及不同安装方式下系统的低频振荡情况。

表3 加装STATCOM前后老虎山东西振荡模式

由表4可知,集中式安装对抑制全网南北振荡模式的效果较好,分布式安装对抑制老虎山东西模式的效果较好。考虑到全网南北模式本身的阻尼比较小,因此安装方案应强化对全网南北模式的关注程度。

4 结束语

楚雄电网属于强受端电网,在机组PSS退出等极端运行条件下可能出现低频振荡。楚雄电网存在的典型振荡模式是全网南北模式和老虎山东西模式。通过比较研究,可选择在谢家河变电站集中安装或在烟厂T和西郊Y分布式安装STATCOM。

[1] 云南电网公司楚雄供电局.楚雄电网2012年运行方式[R].楚雄：云南电网公司楚雄供电局,2012.

[2] Q/CSG 11004—2009,南方电网安全稳定计算分析导则[S].

[3] Q/GDW 404—2010,国家电网安全稳定计算技术规范[S].

[4] 徐政.基于晶闸管的柔性交流输电控制装置 [M].北京：机械工业出版社,2009.

[5] 林宇锋,徐政,黄莹.TCSC功率振荡阻尼控制器的设计[J].电网技术,2005,29(22)：35-39.

刘峰,云南电网公司楚雄供电局。

Study on Dynamic Stability Problems of Chuxiong Power Grid and related Solutions

LI Tianquan1,FENG Peng1,LIU Feng1,WU Dugui2,YUAN Yuan2,DENG Deneng2
(1.Chuxiong Power Supply Bureau,Yunnan Power Grid Corporation,Chuxiong,Yunnan 675000,China；2.Xiamen RedPhase Instruments co.Ltd,Xiamen,Fujian 361001,China)

According to the three operation modes of Chuxiong power grid during rich wet season,lower wet season and dry season before flood period,it analyses the present dynamic stability situation of Chuxiong power grid.On the basis of the result of characteristics value calculation and oscillating model from the simulation platform,there are two main oscillation modes which are the northsouth pattern and tiger hill east-west pattern.It introduces the design of appropriate STATCOM damping controller by test signal method,and raises several possible installation proposals.Simulation results show that these proposals have remarkable effects on improving the dynamic stability of Chuxiong power grid.

Low Frequency Oscillation；Static Synchronous Compensator；Test Signal Method

TM743

B

1006-7345(2015)01-0051-05

2014-07-21

李天权 (1978),男,助理工程师,云南电网公司楚雄供电局,从事继电保护及变电站自动化技术方面研究工作 (e-mail) 67409107＠qq.com。

冯鹏 (1982),男,助理工程师,云南电网公司楚雄供电局,从事为变电运行技能、管理及调度管理工作 (e-mail)85365923＠qq.com。