基于RTDS的孤立电网的极端运行情况仿真研究

上官安琪，刘冠中，张亚伟，冯 登，廖思阳

(1.武汉大学电气工程学院，湖北武汉430072；2.武汉都市环保工程技术股份有限公司，湖北武汉430071)

基于RTDS的孤立电网的极端运行情况仿真研究

上官安琪1，刘冠中2，张亚伟2，冯 登2，廖思阳1

(1.武汉大学电气工程学院，湖北武汉430072；2.武汉都市环保工程技术股份有限公司，湖北武汉430071)

以中国内蒙古东部地区即将建成的一个高风电渗透率的微电网为研究对象，依据系统不同运行方式及故障情况下的系统备用容量和损失功率，按照四边界法选取了四种极端情况的算例，深入分析该系统孤立运行时，电网的频率电压特性以及控制策略，为实际孤立电网的安全稳定控制提供参考方案。

孤立电网;实时数字仿真;四边界法;动态响应

近年来，建立含有光电、风电等分布式电源的微电网系统已经引起社会各界的广泛关注[1-3]。然而此类微电网也存在着不可忽视的缺点，如规模小、电源数量少、分布式电源和负荷变化大；尤其是孤立运行时，大容量设备的启停会引起电网频率和电压的剧烈波动，且不同运行方式下波动程度的差别较大[4-6]。

目前对于孤立电网运行经验的总结，缺乏深层次的理论和技术分析，传统的孤网运行实验只能验证特定情况下的孤网运行能否稳定，且电网运行方式及电力系统自动装置定值的变化对实验的影响较大，故必须采取更加经济高效的措施来进行孤立电网运行控制特性的研究[7-8]。因此，从电力系统仿真的角度研究孤网运行时发电机组动态特性、系统频率与电压的动态响应，分析得出相应的控制策略，对于提高孤立电网运行时的安全性和供电可靠性，是十分必要的。

本文具体研究的是中国内蒙古东部地区即将建成的一个具有煤矿生产、煤炭发电、风力发电和电解铝负荷的孤立电网系统，其火电总装机容量为1 800 MW，风电装机容量800 MW，风电渗透率高。系统的负荷主要为电解铝负荷，此外还有少量的供热负荷。

为了避免高昂的备用容量费用，系统采取孤岛运行方式，不与大电网相连，等效转动惯量小，少量的功率波动都会引起显著的频率偏移。电源侧含有高渗透率的风电，随机波动性强且功率调节能力有限，而电解铝负荷其调节深度和调节速度都极其有限，这些都会给系统的安全稳定运行带来严峻的考验。

根据实地调研的系统模型参数，以实时数字仿真器RTDS(Real-Time Digital Simulator)为平台，建立了孤立电网的RTDS仿真模型。基于此模型，仿真研究了不同运行方式和各种故障扰动下的系统频率和电压的动态响应特点，并且提出了相应的控制策略。

1 孤立电网RTDS建模与系统运行概况

实时数字仿真器RTDS是一种实时全数字式电磁暂态电力系统模拟装置，于1993年由加拿大ManitOba高压直流研究中心研发成功，它的硬件基于数字信号处理器(DSP)和并行计算，能快速求解电力系统的方程，计算速度足以实现数据的实时输出。

与PSS/E、BPA和Simpow等其他机电暂态仿真程序相比，RTDS里不仅提供了几乎所有的电力系统元件模型，用户还能自定义生成所需的控制元件，可精细地模拟机电暂态程序中没有的部分现象，并且可以模拟较大规模的系统，是进行电力系统现象精确分析的最理想软件之一。此外，RTDS还拥有数字量和模拟量的输入输出接口，可以方便地用于硬件闭环实验，是目前世界上技术最成熟应用最广泛的实时数字仿真系统。

本文在RTDS平台按照实际系统1∶1搭建的孤立电网系统结构如图1所示。

图1 孤立电网系统结构图

根据系统的运行方式和火电机组的组成，系统有3～10#共8台火电机组，总装机容量为1 800 MW。包含两座风力发电厂，接入点为2#铝厂和3#铝厂的负荷母线，总装机容量为800 MW。铝厂一期负荷330 MW，铝厂二期负荷为420 MW，铝厂三期负荷640 MW。厂用电负荷、热负荷、网损共248 MW。系统的电源及负荷具体组成结构如表1所示。

表1 系统电源及负荷构成

系统孤岛运行时，潮流分布合理，供电网络能够维持供电自平衡。系统接入风电功率和检修机组的大小，将直接影响系统备用容量的多少。系统在不同的运行工况下，发电机组出力和系统备用容量各不相同，线路损耗、厂用电等也不同。

2 仿真与分析

2.1 故障分类及选取

在RTDS中，发电机故障停运这一实际的情况可以在软件的RUNTIME界面中通过断开该发电机与系统所连接的出线上的开关来模拟。

为了分析孤立电网在不同情况下的故障后动态响应，本文以四边界法为依据，选取以下四种极端典型算例进行仿真实验：

(1)系统备用容量很大，因发电机故障而损失的有功功率很小；

(2)系统备用容量很大，因发电机故障而损失的有功功率也很大；

(3)系统备用容量很小，因发电机故障而损失的有功功率也很小；

(4)系统备用容量很小，因发电机故障而损失的有功功率很大。

根据上述四边界的分类方法，选取四种典型工况，先分别进行故障前的稳态仿真运行，并记录稳态时的系统备用容量和待断开发电机组的有功出力(即该发电机故障后损失的有功功率)，整理为图2。其中横轴代表因发电机故障停运导致系统中损失的有功功率，纵轴代表系统的备用容量。

图2 按四边界法选取的典型算例

2.2 故障仿真及分析

以2.1节中的分类方法为依据，对系统的几种典型工况进行仿真运算，设置稳态运行4 s后断开故障发电机的出线开关，即让相应的发电机故障退出运行，记录系统的频率和电压变化，分析了系统频率和电压的响应特性相应的控制策略。

2.2.1 风电出力大时小容量机组故障

本算例的运行方式为8台火电机组全部运行，实际出力共1 389.98 MW，风电场有功出力为300 MW，系统的负荷及网损共1 689.98 MW，系统的备用容量为410.02 MW。仿真设置额定容量为100 MW的小机组发生故障停运，此时系统损失有功功率为75.9 MW，远小于系统的备用容量。由于系统有充足的备用容量，发电机一次调频的速度足够，此时系统不用采取安稳措施，网内机组功角都能同步，系统的频率和电压波动均在稳定范围内，系统能稳定运行。

如图3所示，系统频率最低跌落至49.77 Hz，最终稳定在49.94 Hz。母线节点电压在稳定允许范围之内。

图3 100 MW机组故障时系统频率和电压响应曲线

2.2.2 风电出力大时大容量机组故障

本算例的运行方式与算例(1)相同。仿真设置额定容量为350 MW的大机组发生故障停运，此种情况下，系统备用容量很大，为349.8 MW；因发电机故障停运而损失的有功功率也很大，为265.68 MW。系统备用容量大于损失的有功功率。

此时若不采取安稳措施，虽然系统有较充足的备用容量，但由于损失的有功功率过大，仅仅依靠火电机组的一次调频无法维持系统的频率稳定，如图4所示，系统频率最低跌落至48.78 Hz，波动超出了稳定允许范围49 Hz，并最终稳定在49.65 Hz。母线节点电压在稳定允许范围之内。

图4 350 MW机组故障时系统频率和电压响应曲线

2.2.3 无风电出力时小容量机组故障

本算例的运行方式为1台额定容量150 MW的火电机组检修，其他7台火电机组全部满出力运行，无风电接入，此时所有火电机组已运行至输出功率极限状态，系统的备用容量为0。

仿真设置额定容量为100 MW的小机组发生故障停运，由于发电机转矩被限幅，系统已经完全没有备用容量，且铝业负荷的静态模型频率调节系数为负值，在没有任何控制措施情况下，不平衡功率的存在会使系统频率和电压均崩溃，系统无法维持稳定，如图5所示。

2.2.4 无风电出力时大容量机组故障

本算例的运行方式与算例(3)相同，仿真设置1台额定容量为350 MW的大机组发生故障停运。

此种情况下，各发电机组均处于满发状态，系统备用容量为0；因发电机故障停运而损失的有功功率很大，为350 MW。由于发电机的转矩被限幅，发电机达到其机械功率输出极限时，系统仍存在不平衡功率为350 MW。如果不采取任何安全稳定措施，系统频率和电压显然会崩溃。

由于发电机停运损失的功率大于铝厂一期负荷330 MW小于二期负荷440 MW，并且发电机故障停运时系统已无备用因此考虑采取安稳措施，即在故障0.1 s以后切除铝厂负荷。

图5 100 MW机组故障时系统频率和电压响应曲线

若联切一期铝厂负荷330 MW，负荷的联切可以消除部分不平衡功率，但仍有数值为21.02 MW不平衡功率剩余，由于系统已经完全没有备用容量，且发电机组的调节速度十分有限，此时即使是如此少量的功率波动，也引起了系统的频率崩溃，负荷侧母线电压也随后发生了崩溃，如图6所示。

图6 加入安稳措施联切330 MW负荷后的频率和电压响应曲线

若安稳装置在故障后0.1 s联切铝厂二期负荷440 MW，由于被切除的负荷功率远大于发电机故障损失的功率，系统又会出现过频问题，如图7所示，系统的频率反冲至50.6 Hz，超过系统正常运行的频率上限值。

鉴于上述情况，可考虑在安稳切除二期铝负荷的同时联切一台100 MW的发电机，通过减少发电机发出的有功功率，从而抵消联切负荷后系统存在的不平衡功率。仿真结果如图8所示，系统频率最高升至50.12 Hz，并最终稳定在50.02 Hz。母线节点电压也在稳定允许范围之内。

3 结论与展望

本文利用RTDS实时数字仿真平台，详细研究了孤岛系统在各种机端运行方式下的频率和电压响应以及相应控制策略。

由仿真结果可见，当系统备用充足时，小的扰动不会对系统的安全稳定造成大的威胁。当备用容量不足时(如风电小发和大机组检修)，合理地加入安全稳定措施，能够使系统的频率和电压波动维持在允许范围内。但是由于该系统规模较小，而且风电出力的大小不定，当出现极端运行工况如风电机组小发且大火电机组检修的情况下，此时系统的备用容量严重不足。由于切负荷时必须整切整个铝厂，级差单一，即使安全稳定装置按照安稳策略表准确动作，仅仅依靠联切负荷的方式也难以完全消除因系统的原件故障或者风功率扰动所引起的不平衡功率，不平衡功率会导致系统频率的显著偏移，甚至导致系统崩溃。

图7 加入安稳措施联切440 MW负荷后的频率和电压响应曲线

图8 加入安稳措施并联切100 MW发电机后的频率和电压响应曲线

为了增加系统的抗干扰能力，提高系统频率的稳定性，可以在未来考虑对铝厂进行改造，将目前的不可控整流改造为可控硅整流，或者使铝厂负荷分母线运行从而使负荷形成一定的级差，实现负荷的分级调节。此外还可以考虑改造发电机的励磁结构，在励磁控制中引入反馈环节进行协调控制，以增强孤网运行的安全可靠性。

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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

国家科技支撑计划(2015BAA01B04)

上官安琪(1991—)，女，河南省人，硕士研究生，主要研究方向为可再生能源接入技术、电力系统运行控制技术。