海上油田群柔性直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

劉國鋒， 魏 澈

(中海油研究總院， 北京 100028)

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海上油田群柔性直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

劉國鋒， 魏 澈

(中海油研究總院， 北京 100028)

該文將柔性直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用于海上油田群孤立電網(wǎng)中，結(jié)合海上電網(wǎng)為孤立配電網(wǎng)絡(luò)且電動(dòng)機(jī)負(fù)載比例高等特點(diǎn)，采用電力系統(tǒng)分析軟件PSCAD仿真分析了送端交流系統(tǒng)故障、受端交流系統(tǒng)故障、單回直流故障閉鎖和大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)等故障和擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性。仿真結(jié)果表明，海上油田群柔性直流輸電系統(tǒng)中需提高裝置的低電壓穿越能力，減少故障閉鎖時(shí)間并配置必要的快速無功補(bǔ)償設(shè)備，以保障電網(wǎng)穩(wěn)定性。

海上油田群；柔性直流輸電；穩(wěn)定性；孤立電網(wǎng)；PSCAD

0 引言

目前國內(nèi)外海上油田電網(wǎng)多以自發(fā)電為主，通常由布置在海洋平臺(tái)上的一座或幾座電站通過海底電纜為周邊海上石油平臺(tái)供電，該電網(wǎng)是典型的集發(fā)、輸、配、用為一體的孤立電網(wǎng)。隨著海上油田的滾動(dòng)開發(fā)，油田群電網(wǎng)的規(guī)模日益擴(kuò)大，最大電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)已達(dá)到17臺(tái)，電站燃料氣緊張、35 kV電壓等級(jí)經(jīng)濟(jì)輸電半徑、用電成本等問題已顯現(xiàn)，并將長期困擾和約束油田的開發(fā)。

柔性直流輸電作為新一代直流輸電技術(shù)，克服了交流輸電和傳統(tǒng)直流輸電的缺點(diǎn)，集合了全控型開關(guān)器件和高頻PWM調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，適用于向海上油田群類似的孤立電網(wǎng)輸電。2005年挪威泰瑞爾柔性直流輸電工程(Troll A)是世界上第一個(gè)從大陸向海上平臺(tái)提供電能的柔性直流輸電系統(tǒng)[1]。目前國內(nèi)中海油文昌項(xiàng)目已有小容量海上油田群間直流輸電案例。對(duì)于柔性直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性分析，許多學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究[2-4]。

該文對(duì)某海上油田群電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組采用柔性直流輸電技術(shù)進(jìn)行介紹。利用仿真軟件PSCAD建立柔性直流輸電系統(tǒng)的等效電磁暫態(tài)仿真模型，分別從送端交流系統(tǒng)故障、受端交流系統(tǒng)故障、單回直流故障閉鎖和大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)故障等方面來進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，最后提出了改善電網(wǎng)穩(wěn)定性的措施和建議。

1 海上油田群柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海上油田群柔性直流輸電系統(tǒng)主要由送端換流站、直流海底電纜、受端換流站、35 kV交流海底電纜和各個(gè)海上平臺(tái)用戶組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)送端交流側(cè)電壓等級(jí)為220 kV，通過換流器得到±80 kV的直流電，經(jīng)過約72 km的直流海底電纜輸送至海上受端換流站。受端換流站逆變?yōu)榻涣?5 kV后通過平臺(tái)間交流海底電纜為各用電平臺(tái)供電。

圖1 海上油田群柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 送端交流系統(tǒng)故障分析

通過PSCAD建模，仿真計(jì)算了換流站外單相故障、換流站母線上單相瞬時(shí)故障和換流站母線三相瞬時(shí)故障三種典型故障工況，其中前兩種故障對(duì)系統(tǒng)影響較小，海洋平臺(tái)上的電動(dòng)機(jī)負(fù)載的母線電壓、功率、轉(zhuǎn)速均波動(dòng)不大，系統(tǒng)能平穩(wěn)運(yùn)行，正常供電。但當(dāng)三相短路發(fā)生在換流站母線上時(shí)，換流站交流母線電壓在故障期間將出現(xiàn)大幅跌落，送端換流站為維持直流母線電壓，將迅速提高電流，柔性直流裝置可能存在以下兩種情況：

(1) 故障很快切除，故障期間換流器的輸出電流和直流母線電壓維持在允許的范圍內(nèi)，柔性直流裝置能成功穿越低電壓，一旦故障消除后能保證持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，如圖2所示。

(2) 故障期間換流器的輸出電流或直流母線電壓不能維持在允許的范圍內(nèi)，柔性直流裝置為保證設(shè)備安全，進(jìn)行脈沖閉鎖保護(hù)，而受端油田群電網(wǎng)則會(huì)失去電源導(dǎo)致停電，如圖3所示。

圖2 送端母線三相故障，穿越低電壓

圖3 送端母線三相故障，脈沖閉鎖保護(hù)

3 受端交流系統(tǒng)故障分析

當(dāng)受端交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，變流器的響應(yīng)特性跟其控制策略有直接關(guān)系，通過PSCAD建模分析了以下四種典型故障工況：(1) 換流站母線非金屬性單相故障；(2) 換流站母線金屬性單相故障；(3) 換流站母線金屬性三相瞬時(shí)故障；(4) 遠(yuǎn)離直流換流站的三相故障。通過對(duì)以上工況仿真分析，發(fā)現(xiàn)故障工況(1)，換流站母線電壓降低不多時(shí)，變流器采用低電壓穿越方式，在確保輸出電流不超過其容限的條件下，繼續(xù)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行；發(fā)現(xiàn)故障工況(4)，換流站母線電壓較高，變流器保持正常運(yùn)行。但在故障工況(2)和(3)下，換流站母線電壓偏低，變流器為保護(hù)自身安全，選擇閉鎖躲過故障，當(dāng)故障清除后則恢復(fù)供電，閉鎖時(shí)間長短將對(duì)系統(tǒng)后續(xù)動(dòng)態(tài)有較大影響。

下面以故障工況(2)為例進(jìn)行說明，假設(shè)換流站母線發(fā)生金屬性單相短路故障，A相電壓嚴(yán)重跌落，如果受端換流器檢測到故障后5 ms快速閉鎖且直到故障清除后5 ms再解除閉鎖；若閉鎖時(shí)間延長，從故障后5 ms開始閉鎖1 s，仿真波形如圖5所示；若閉鎖時(shí)間進(jìn)一步延長為5 s，電動(dòng)機(jī)負(fù)載母線電壓跌落到0，轉(zhuǎn)速下降到0.2 pu，直流在解除閉鎖后瞬時(shí)電流超過2 kA，無功瞬間超過120 MW；隨后需經(jīng)過漫長的恢復(fù)過程，且在恢復(fù)過程中，負(fù)載電壓下降到0.8 pu左右，這種運(yùn)行狀態(tài)往往是油田群生產(chǎn)所不允許的。仿真波形如圖4～圖6所示。

圖4 工況(2)直流閉鎖5 ms，電壓恢復(fù)成功

圖5 工況(2)下直流閉鎖5 s，電壓延遲恢復(fù)

圖6 工況(2)直流閉鎖10 s，電壓延遲恢復(fù)，負(fù)載壓降大

4 單回直流故障閉鎖分析

該方案初始時(shí)兩回直流正常運(yùn)行，向海上油田群電網(wǎng)供電。假設(shè)由于某種原因，其中一回直流故障閉鎖退出。

(1)故障前，海上油田群電網(wǎng)負(fù)荷較小，低于單回直流的輸電極限。

故障前油田群總負(fù)荷為113 MW，一回直流故障閉鎖后，另一回運(yùn)行中的直流系統(tǒng)由于輸出功率迅速增大，導(dǎo)致其直流電壓下降，送端為了維持直流電壓而提升有功功率，導(dǎo)致電流增加，然而考慮到容量限制，電流達(dá)到上限后不能繼續(xù)增加，由于換流器的容量超過了總負(fù)荷容量，直流電壓便緩慢上升并回到其正常值，隨后送端電流也下降到與負(fù)荷對(duì)應(yīng)的較小值，仿真曲線如圖7所示。由于單回直流輸送的功率比故障前增加較多，導(dǎo)致?lián)Q流變壓器上壓降增加，油田群負(fù)荷母線的電壓也會(huì)降低，但這個(gè)情況可通過后續(xù)的EMS控制使其恢復(fù)到參考值。

圖7 海上油田群電網(wǎng)負(fù)荷較小，單回直流閉鎖故障

(2)故障前，海上油田群電網(wǎng)負(fù)荷較高，高于單回直流的輸電極限，則直流故障閉鎖后又細(xì)分為不連鎖切負(fù)載和連鎖切負(fù)載兩種情況。

故障前油田群總負(fù)荷為130 MW，若不連鎖切負(fù)載時(shí)，由于直流輸送的功率不能滿足全部負(fù)荷的需求，導(dǎo)致油田群電網(wǎng)的電壓降低，負(fù)荷由于自身電壓偏差特性而自動(dòng)降低處理，最后達(dá)到新的非正常穩(wěn)態(tài)，即直流電壓偏低(約為正常的63%)、受端電壓偏低(10.5kV母線電壓約為正常的90%)，仿真波形如圖8所示。若閉鎖退出后2 s后連鎖切除約22 MW的負(fù)載(考慮到直流的無功功率輸出)，系統(tǒng)恢復(fù)正常工況，仿真波形如圖9所示。

圖8 海上油田群電網(wǎng)負(fù)荷較高，單回直流閉鎖故障不切負(fù)荷

圖9 海上油田群電網(wǎng)負(fù)荷較高，單回直流閉鎖故障切負(fù)荷

5 大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)故障分析

通常海上油田電網(wǎng)的無功均來自于自設(shè)的發(fā)電機(jī)組，改為由陸地電網(wǎng)供電后，電網(wǎng)的無功主要由海上換流站提供，尤其是在海上平臺(tái)大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)無功需求更大。本文仿真分析了平臺(tái)上4 MW電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)無功補(bǔ)償前后工況。無功補(bǔ)償前，換流站的無功輸出從啟動(dòng)前的45 MW提高到啟動(dòng)中的55.0 MW，直到啟動(dòng)完成才降低到46.7 MW，直接啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)所在母線的電壓從啟動(dòng)前的1.0 pu左右降低到0.84 pu，在啟動(dòng)過程中，電壓一直較低，進(jìn)一步導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)間較長，啟動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)吸收的無功功率最高達(dá)到額定值的4倍左右，16.5 s過后，電機(jī)轉(zhuǎn)速才達(dá)到額定值，啟動(dòng)過程完成，同時(shí)吸收的無功功率降低到約0.42 pu，電壓恢復(fù)正常值，仿真波形如圖10所示。4 MW電動(dòng)機(jī)的同時(shí)投入約8 MW的無功補(bǔ)償，啟動(dòng)時(shí)所在母線電壓下降到約0.9 pu，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程加快，10 s左右完成啟動(dòng)過程，共對(duì)應(yīng)的仿真波形如圖11所示。

圖10 海上平臺(tái)4 MW電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)0補(bǔ)償前

圖11 海上平臺(tái)4MW電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)，補(bǔ)償后

6 結(jié)語

該文利用PSCAD較件對(duì)海上油田群電網(wǎng)柔性直流輸電進(jìn)行建模仿真計(jì)算。結(jié)果顯示，海上油田群電網(wǎng)為一個(gè)長鏈形、放射式、電源集中的供配電網(wǎng)絡(luò)，電網(wǎng)中電動(dòng)機(jī)比例高，建議在工程設(shè)計(jì)中通過增強(qiáng)柔性直流輸電系統(tǒng)的低電壓穿越能力或降低故障后閉鎖時(shí)間，盡快恢復(fù)供電，降低電網(wǎng)失電風(fēng)險(xiǎn)。必要時(shí)可通過提高受斷換流器的無功輸出能力或配置快速無功補(bǔ)償設(shè)備來解決電壓延遲恢復(fù)造成的短期電壓穩(wěn)定問題。

[1] 湯廣福，賀之淵，龐輝. 柔性直流輸電工程技術(shù)研究、應(yīng)用及發(fā)展[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，57(15):3-14.

[2] 黎小林，許樹楷. 中海油文昌柔性直流輸電系統(tǒng)暫態(tài)故障仿真分析[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2011，5(4):10-14.

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Simulation Analysis on Stability of VSC-HVDC
Transmission System for Offshore Oil Fields

LIU Guo-feng，WEI Che

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

This paper presents the application of VSC-HVDC transmission system to isolated offshore oil field power grid. Characteristics of offshore power grid such as isolated power distribution network and high load ratio of motors are thoroughly considered. Simulation based on PSCAD is employed to analyze the effects of faults and disturbances like fault of sending and receiving end of AC system, single DC loop fault lockout and large motor starting etc. Simulation results show that the low voltage ride-through ability of flexible DC transmission system in offshore oil field needs to be enhanced, thus reducing fault lockout time. The right rapid reactive-load compensation equipment is required to guarantee the power grid stability.

offshore oil fields; VSC-HVDC; stability; isolated power grid; PSCAD

2015-02-02

劉國鋒 (1981-)，男，工程師。

1001-4500(2015)03-0054-07

TE53

A