海上平台多类型发电机组暂态稳定性研究

王艳红，平朝春，尚超

（中海油研究总院有限责任公司，北京，100028）

1 概述

海洋石油开发工程设施的电力系统的容量相对陆地系统的容量小很多，更容易受到各种扰动的影响，在工程设计阶段有必要进行暂态稳定性分析，以保证开发设施电力系统的安全和稳定[1]。目标油田电力系统如图1所示，CEPI、CEPJ、WHPG、WHPH四个平台共同组成了一个统一的电力系统。联网电力系统的发电机组位于CEPI、CEPJ平台上。CEPI平台配置1台容量为2.6MW的天然气发电机和4台容量均为7.6MW的原油发电机。CEPJ平台配置4台容量均为7.6MW的原油发电机，同时在FPSO上还存在5台7.3MW原油发电机组和1台6.5MW燃气透平发电机组，两种类型机组并网运行，为FPSO及7座井口平台供电。

图1 目标油田电力系统示意图

一方面，CEPI天然气发电机容量和机组型式与原油发电机组相差较大，FPSO上也存在原油和燃气透平两种类型发电机组，如果未来新老油田组网，将存在4种不同容量和类型的发电机组。特别是天然气发电机容量相对原油发电机和透平发电机容量较小，其运行稳定性值得关注。另一方面，天然气发电机实际运行状态不很平稳，偶尔出现发电机组非故障性停机，其出力也达不到设计能力。

本文采用ETAP仿真软件，分析在多类型发电系统中，不同类型发电机在一定扰动作用下的运行稳定性，包括功角、电压、频率等电气量随时间的变化特性，尤其是小功率天然气发电机接入对系统稳定性的影响。

2 分析方法

暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下突然受到大的扰动后，能否经过暂态过程达到新的稳态运行状态或者恢复到原来的状态[2]。电力系统暂态稳定分析主要是分析从扰动发生到扰动消失、电力系统恢复稳定运行期间电力系统中发电机的机械与电气状态的变化过程，主要包括功角稳定、电压稳定和频率稳定三个方面。若三者都稳定，则系统稳定；若有一个不稳定，即认为系统不稳定。

本文选取系统大方式运行（即最大负荷），突加负荷后的暂态稳定性作为研究对象，采用时域仿真法分析电力系统的暂态稳定性，软件采用ETAP。

3 元件模型

利用ETAP进行暂态稳定性分析，需建立相应的电力系统模型，包括发电机模型、调速器模型、励磁器模型、负荷模型及系统网络有关的变压器、电缆等模型。其中，变压器、电缆及负荷模型参照电网实际参数来设置。

3.1 发电机模型

在ETAP中发电机有三种动态模型：等效模型、暂态模型和次暂态模型，等效模型比较简单参数少，暂态模型参数比等效模型复杂，次暂态模型是软件可选模型中最复杂的，参数最多也最接近实际发电机。为得到更为准确的动态分析结果，本文选用发电机的次暂态模型，即六阶模型。

六阶同步发电机模型用微分方程表示如下：

图2 发电机等效模型电路图

对发电机的模型参数使用的是发电机供货商提供的参数，对于无法取得的参数使用典型值。

3.2 调速器模型

调速器由速度感受元件、控制机构、执行机构组成。

在ETAP中燃气透平调速系统的模型主要有GT、GT2、GT3、GTF、GP、MARS、ST60、ST70、LM250、LM600等多种，本文选用适用于索拉透平的调速器模型ST70（Solar Taurus 70 Solonox Gas Fuel Turbine-Governor），其模型框图如图3：

图3 ST70调速器模型

在ETAP中原油发电机调速系统的模型主要有DT和UG8等，本文选用通用的DT模型，其模型框图如图4：

天然气发电机组其类型类似原油发电机组，因此也选用DT作为调速器模型。

3.3 励磁器模型

发电机励磁系统主要包括：励磁电源装置、励磁调节装置、自动灭磁装置、保护装置、控制系统、信号系统和测量仪表等。

本文发电机组励磁系统采用IEEE MODEL AC8B模型，传递函数如图5所示。

3.4 负荷模型

电网各母线负荷采用等效负荷模型，总负荷根据电网各母线实际总负荷设置，功率因数0.8-0.9，一般为80%恒容量（电机负载）+20%恒阻抗（静态负荷）。冲击等效负荷为70%恒容量（电机负载）+30%恒阻抗（静态负荷）。

4 仿真分析

4.1 单一类型发电机组在同一扰动作用下的响应特性

图4 DT调速器模型

图5 IEEE MODEL AC8B励磁系统模型

本分析案例中，只运行其中一种发电机组，分析突加负荷冲击对系统稳定性的影响。CEPI平台中压负荷模型为70%恒容量（电机负载）+30%恒阻抗（静态负荷）。突加负荷均设置为500kW，冲击动作于1s，仿真时长20s，步长0.001s。

仿真曲线见图6～图8，包括发电机电压、频率、功角、有功功率。

图6 天然气发电机仿真曲线

图7 原油发电机仿真曲线

图8 燃气透平发电机仿真曲线

对上述仿真结果汇总对比见表1。

表1 单一类型发电机特性对比

从电气指标的恢复速度来看，原油发电机暂态特性较好，天然气发电机次之，燃气透平发电机恢复最慢；从发电机机械功率来看，原油发电机与燃气透平发电机恢复速度相当，天然气发电机机械功率恢复最快；从各项指标振荡幅度来看，天然气发电机振幅最大，原油发电机次之，燃气透平发电机最小。

换言之，天然气发电机调节速度较快，但电压频率的振幅较大；燃气透平发电机调节速度最慢，但电压频率的振幅最小；原油发电机调节速度优于天然气发电机，电压频率的振幅也低于天然气发电机。

4.2 天然气和原油发电机组的暂态稳定性

本分析案例中，天然气发电机与原油发电机同时运行，分析突加负荷冲击对系统稳定性的影响。CEPI平台中压负荷模型为70%恒容量（电机负载）+30%恒阻抗（静态负荷）。突加负荷均设置为500kW，冲击动作于1s，仿真时长10s，步长0.001s。

仿真曲线见图9。

图9 天然气和原油发电机组仿真曲线

对上述仿真结果汇总对比见表2。

表2 天然气+原油发电机与单一类型发电机特性对比

从发电机指标来看，天然气发电机和原油发电机同时运行的电力系统暂态特性优于天然气发电机单独运行的系统；从发电机输出功率来看，与单一类型发电机相比，由于电网结构较复杂（2电源4平台3海缆），潮流变化调整较慢。

根据上述仿真结果可知，突增负载后，电网各指标均能在一定时间内恢复到稳态，认为天然气发电机与原油发电机组成的电力系统是暂态稳定的。

4.3 燃气透平和原油发电机组的暂态稳定性

本分析案例中，FPSO燃气透平发电机与原油发电机同时运行，分析突加负荷冲击对系统稳定性的影响。FPSO中压负荷模型为70%恒容量（电机负载）+30%恒阻抗（静态负荷）。突加负荷均设置为500kW，冲击动作于1s，仿真时长25s，步长0.001s。

仿真曲线见图10。

图10 燃气透平和原油发电机组仿真曲线

对上述仿真结果汇总对比见表3。

表3 透平+原油发电机与单一类型发电机特性对比

从发电机指标来看，燃气透平发电机和原油发电机同时运行的电力系统暂态特性优于单一类型发电机；从发电机输出功率来看，与单一类型发电机相比，由于电网结构较复杂（1电源8平台7海缆），潮流变化调整较慢。

根据上述仿真结果可知，突增负载后，电网各指标均能在一定时间内恢复到稳态，认为燃气透平发电机与原油发电机组成的电力系统是暂态稳定的。

4.4 天然气、原油和燃气透平三种机组的暂态稳定性

本分析案例中，天然气发电机、燃气透平发电机与原油发电机同时运行，分析突加负荷冲击对系统稳定性的影响。CEPI平台中压负荷模型为70%恒容量（电机负载）+30%恒阻抗（静态负荷），突加负荷设置为500kW，冲击动作于1s。FPSO平台中压负荷模型为70%恒容量（电机负载）+30%恒阻抗（静态负荷），突加负荷设置为500kW，冲击动作于10s。仿真时长20s，步长0.001s。

仿真曲线见图11。

图11 天然气、原油和燃气透平三种机组仿真曲线

对上述仿真结果汇总对比见表4。

表4 三种发电机与单一类型发电机特性对比

从发电机本身指标来看，三类发电机同时运行的电力系统暂态特性优于单一类型发电机；从发电机输出功率来看，与单一类型发电机相比，由于电网结构较复杂（3电源12平台10海缆），潮流变化调整速度比单一类型发电机系统慢。

根据上述仿真结果可知，突增负载后，电网各指标均能在一定时间内恢复到稳态，认为天然气发电机、燃气透平发电机与原油发电机组成的多类型发电机电力系统是暂态稳定的。

5 结论

本文对天然气发电机单机系统、原油发电机单机系统、燃气透平发电机单机系统、天然气发电机与原油发电机组成的系统、燃气透平与原油发电机组成的系统、天然气透平与原油发电机组成的系统共6种运行模式进行了负荷冲击下的暂态稳定性分析，结果表明上述6种运行模式均是暂态稳定的。

单机系统下，恢复速度与振荡幅值往往呈负相关特性，即系统的快速性与稳定性不能兼得，如天然气发电机反应速度较快，但振荡较大，而燃气透平发电机反应速度较慢，但振荡较小。相对于单机系统，2种或3种类型发电机组成的系统可使不同类型的发电机特性互补，从而兼顾快速性与稳定性，得到优于单类型发电系统的暂态特性。

通过分析，初步判断小容量的天然气发电机接入由容量相对较大的原油机和透平组成的发电系统中，对小容量天然气发电机本身而言其暂态稳定性是有利的，能在一定范围内改善天燃气发电机的抗负荷冲击能力。