基于加權(quán)等值法的含小水電群電網(wǎng)小干擾穩(wěn)定性分析

，，，，

(國(guó)網(wǎng)咸寧供電公司，湖北 咸寧 437000)

1 引言

對(duì)于富含小水電群的地區(qū)，由于小水電機(jī)組容量小，機(jī)組數(shù)目多，接入方式多樣，其并網(wǎng)后容易引發(fā)一系列穩(wěn)定性方面的問題。大量小水電的并網(wǎng)且大部分機(jī)組采用快速勵(lì)磁，在某些特殊運(yùn)行方式下，容易誘發(fā)低頻振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。最早的互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線上的低頻振蕩現(xiàn)象是1964年美國(guó)西部的西北聯(lián)合系統(tǒng)與西南聯(lián)合系統(tǒng)以230kV線路互聯(lián)時(shí)觀察到的，聯(lián)絡(luò)線上持續(xù)的0.1Hz的低頻振蕩常常導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線解列。我國(guó)在八十年代初在進(jìn)行滇南、滇中聯(lián)網(wǎng)，華北、華中聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)時(shí)也曾發(fā)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線上的低頻振蕩現(xiàn)象[2]。

本文對(duì)小水電群并網(wǎng)后的電力系統(tǒng)進(jìn)行小干擾穩(wěn)定性分析，由此來找出系統(tǒng)可能存在的弱阻尼模式，從而采取相關(guān)措施來抑制可能發(fā)生的低頻振蕩現(xiàn)象。而由于小水電數(shù)目多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故需要對(duì)富含小水電群的電力系統(tǒng)進(jìn)行等值，在進(jìn)行等值前，首先需要對(duì)系統(tǒng)的機(jī)組進(jìn)行同調(diào)機(jī)群的判別，利用電氣距離法將經(jīng)同一變電站上網(wǎng)的小水電機(jī)組近似劃分為一個(gè)同調(diào)機(jī)群。其次，對(duì)同調(diào)機(jī)群進(jìn)行等值，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)等值程序應(yīng)用最廣泛的是頻域聚合，而頻域聚合法過程復(fù)雜，等值時(shí)間長(zhǎng)，因此本文提出基于加權(quán)平均思想的參數(shù)聚合[3]，此方法不僅保證了等值的精度，而且簡(jiǎn)化了參數(shù)聚合的程序，從而大大提高計(jì)算速度，有利于工程的實(shí)現(xiàn)。

2 加權(quán)等值法

加權(quán)等值法的基本思想是以同調(diào)機(jī)群中各發(fā)電機(jī)額定容量與等值機(jī)額定容量的比值對(duì)發(fā)電機(jī)各參數(shù)予以加權(quán)。在進(jìn)行加權(quán)等值前，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行同調(diào)進(jìn)群的判別，本文的同調(diào)機(jī)群是通過電氣距離法判別得來，電氣距離De是系統(tǒng)中兩機(jī)組的距離，也可以體現(xiàn)兩機(jī)組的關(guān)聯(lián)程度。對(duì)于兩臺(tái)發(fā)電機(jī)來說，當(dāng)其電氣距離小于某一閾值Dε時(shí)，可將其劃分為同調(diào)機(jī)組；而對(duì)于多機(jī)系統(tǒng)來說，則先將其進(jìn)行系統(tǒng)聚類，再根據(jù)電氣距離法得到同調(diào)機(jī)群；本論文所研究的小水電群所處的網(wǎng)絡(luò)大部分是輻射狀網(wǎng)絡(luò)，接于同一母線上的發(fā)電機(jī)間的電氣距離較近，故本文可將接于同一母線上的發(fā)電機(jī)組可近似劃分為一個(gè)同調(diào)機(jī)群[4]。

加權(quán)法的等值過程主要是通過發(fā)電機(jī)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)電磁回路、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、原動(dòng)機(jī)及調(diào)速器系統(tǒng)環(huán)節(jié)來完成的。

2.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程的聚合

設(shè)通過相關(guān)識(shí)別得知某個(gè)相關(guān)機(jī)群G={1，j，N}，其中包括N臺(tái)相關(guān)發(fā)電機(jī)。鑒于合成的等值機(jī)的容量為各臺(tái)電機(jī)的容量(MVA)之和，G表示待聚合的等值機(jī)，可推導(dǎo)出等值發(fā)電機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)的詳細(xì)模型參數(shù)。即

(1)

假設(shè)發(fā)電機(jī)j搖擺方程為：

(2)

式中，Mj為發(fā)電機(jī)j的慣性時(shí)間常數(shù)，Pmj為輸入機(jī)械功率，Pej為輸出電磁功率，Dj為阻尼系數(shù)。各參數(shù)值均以其自身額定容量為基值的標(biāo)幺值。將N臺(tái)同調(diào)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行疊加，并假設(shè)各同調(diào)機(jī)的轉(zhuǎn)速相同，則得到聚合后的等值機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：

(3)

其中MG,PmG,PeG,DG均以式(2)～(4)進(jìn)行加權(quán)等值。

(4)

2.2 發(fā)電機(jī)電磁回路的聚合

2.3 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的聚合

以IEEE-1 型勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)說明，如圖1所示。

圖1 勵(lì)磁單元傳遞函數(shù)

圖中，KA,TA為勵(lì)磁系統(tǒng)放大環(huán)節(jié)的增益和時(shí)間常數(shù)，KE,TE為勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁環(huán)節(jié)的增益和時(shí)間常數(shù)，KF,TF為勵(lì)磁系統(tǒng)反饋環(huán)節(jié)的增益和時(shí)間常數(shù)，VRMAX,VRMIN為勵(lì)磁系統(tǒng)的最大、最小輸出；其中SE為勵(lì)磁環(huán)節(jié)的飽和系數(shù)，eFD為勵(lì)磁環(huán)節(jié)的輸出電壓。等值系統(tǒng)也為上圖的傳遞函數(shù)框圖，參數(shù)按照加權(quán)平均的方法即式(4)求得。

2.4 原動(dòng)機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)聚合

由于參與等值的機(jī)組均為小水電，故水輪機(jī)傳遞函數(shù)如圖2所示。

圖2 調(diào)速器和原動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)

(5)

K為調(diào)速系統(tǒng)放大倍數(shù)，T1為調(diào)速器時(shí)間常數(shù)，T2為倒閥時(shí)間常數(shù)，T3為伺服時(shí)間常數(shù)，TW為水錘效應(yīng)時(shí)間常數(shù)，則等值機(jī)參數(shù)可由式(1)～(4)求得。

3 小水電群的小干擾穩(wěn)定性分析

對(duì)富含小水電群的電力系統(tǒng)進(jìn)行小干擾穩(wěn)定性分析時(shí)，其特點(diǎn)是要對(duì)眾多小水電采用加權(quán)法進(jìn)行等值，本文中加權(quán)法等值是對(duì)小水電群的發(fā)電機(jī)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)電磁回路、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、原動(dòng)機(jī)及調(diào)速器系統(tǒng)分別等值，最后可得到各片區(qū)的等值發(fā)電機(jī)組，形成整個(gè)系統(tǒng)的等值模型。

3.1 IEEE 10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例

對(duì)新英格蘭系統(tǒng)IEEE 10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行等值，并將等值系統(tǒng)與原系統(tǒng)進(jìn)行仿真比較。如圖3，10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)包含10臺(tái)發(fā)電機(jī)，39個(gè)節(jié)點(diǎn)和46條線路，選擇第9號(hào)發(fā)電機(jī)G9為參考發(fā)電機(jī)，且將G9等效為外部電力系統(tǒng)，第5號(hào)發(fā)電機(jī)G5為研究對(duì)象。所有發(fā)電機(jī)均采用三階模型，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用三階模型，運(yùn)用加權(quán)平均的聚合方法進(jìn)行參數(shù)聚合。

圖3 10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

調(diào)用基于格納姆矩陣的發(fā)電機(jī)相關(guān)識(shí)別程序進(jìn)行識(shí)別[4]，得到3組同調(diào)機(jī)群：機(jī)群1(G8,G10)、機(jī)群2(G2,G3)、機(jī)群3(G4,G6,G7)，表1列出機(jī)群2(G2,G3)的原系統(tǒng)參數(shù)、加權(quán)聚合法的聚合參數(shù)為例進(jìn)行比較。

表1 機(jī)群2等值發(fā)電機(jī)參數(shù)

選取故障為：在第0.5s時(shí)，線路25～26發(fā)生三相短路故障。在第0.56s時(shí)切除故障，此時(shí)系統(tǒng)沒有失去穩(wěn)定；在第0.7s 時(shí)切除故障，此時(shí)系統(tǒng)失去穩(wěn)定。在PSASP 環(huán)境下對(duì)原系統(tǒng)及加權(quán)法等值系統(tǒng)進(jìn)行仿真對(duì)比，曲線為以G9發(fā)電機(jī)為參考機(jī)時(shí)，G5發(fā)電機(jī)的功角曲線?？梢钥闯?，等值前的發(fā)電機(jī)功角曲線與等值后發(fā)電機(jī)功角曲線幾乎重合，說明加權(quán)聚合法的等值效果好，詳細(xì)結(jié)果如下圖。

圖4 G5功角曲線圖(系統(tǒng)未失穩(wěn))

圖5 G5功角曲線圖(系統(tǒng)失穩(wěn))

3.2 A地區(qū)中Y片區(qū)電力系統(tǒng)算例分析

采用10機(jī)39節(jié)點(diǎn)算例的等值方法對(duì)研究地區(qū)的小水電進(jìn)行等值，在兩條不同的線路設(shè)置三相短路故障，命名為故障A和故障B，如圖6所示。

圖6 三相短路故障A和三相故障B

兩個(gè)故障均為在1s時(shí)線路的首端發(fā)生三相短路，在1.1s時(shí)切除此故障線路。得到發(fā)電機(jī)組G1的功角圖(以發(fā)電機(jī)組G2為參考機(jī)組)。

由以上兩個(gè)圖可知：發(fā)生三相短路故障A時(shí)，等值前后系統(tǒng)的功角曲線幾乎重合，發(fā)生三相短路故障B時(shí)，等值前后系統(tǒng)的功角曲線同樣幾乎重合。這說明加權(quán)聚合法的等值效果達(dá)到預(yù)期良好效果。

圖7 G1功角曲線圖(故障 A)

圖8 G1功角曲線圖(故障 B)

4 A地區(qū)小干擾穩(wěn)定性分析

對(duì)小水電等值模型進(jìn)行小干擾穩(wěn)定性分析，可得到如下結(jié)果：(衰減阻尼比小于3%為弱阻尼。研究地區(qū)可分夏季和冬季兩種方式進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)全年負(fù)荷監(jiān)測(cè)及負(fù)荷預(yù)計(jì)的情況，又可以將運(yùn)行方式分為大負(fù)荷運(yùn)行和小負(fù)荷運(yùn)行，故整體上運(yùn)行方式可以分為夏大、夏小、冬大、冬小運(yùn)行方式。)

表2 研究地區(qū)小干擾穩(wěn)定性分析結(jié)果

5 結(jié)論

通過對(duì)研究地區(qū)的小水電機(jī)組進(jìn)行加權(quán)等值，并進(jìn)行小干擾穩(wěn)定性分析，可得以下結(jié)論：①利用加權(quán)等值法的仿真效果良好；②由于大量小水電的接入，使得系統(tǒng)的阻尼變?nèi)?，因此更容易引發(fā)低頻振蕩現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。