張 強(qiáng),袁 鵬,王天寧
(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院,遼寧 沈陽 110006;2.沈陽工程學(xué)院 研究生部,遼寧 沈陽 110136)
隨著全網(wǎng)新能源蓬勃發(fā)展,紅沿河核電裝機(jī)容量不斷提升,大規(guī)模弱送端能源基地問題持續(xù)顯現(xiàn)。紅沿河核電站將成為遼寧乃至東北全網(wǎng)最大的單一電廠裝機(jī)容量超過600 萬千瓦的點(diǎn)式電源,裝機(jī)容量占目前全網(wǎng)網(wǎng)供負(fù)荷的9%~17%。電網(wǎng)轉(zhuǎn)動慣量、頻率、電壓調(diào)節(jié)能力持續(xù)下降。未來隨著呼倫貝爾、黑龍江東部、遼寧南部和赤峰4 大送出系統(tǒng)電源不斷發(fā)展,東北電網(wǎng)南北機(jī)群振蕩阻尼比不斷降低,電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定問題不容忽視。
在交直流電力系統(tǒng)中,諸多參數(shù)都對系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性造成了影響。低頻振蕩現(xiàn)象不僅威脅著大區(qū)域電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性,而且還制約了遠(yuǎn)距離輸電的傳送容量[1]。低頻振蕩的研究方法主要有特征值分析法[2]、時(shí)域仿真法[3]、信號分析法[4]。
1)特征值分析法將系統(tǒng)在工作點(diǎn)附近線性化,形成狀態(tài)矩陣并分析系統(tǒng)的靈敏度、振蕩模式等。求解狀態(tài)方程的特征根,若特征根的實(shí)部全為負(fù),則系統(tǒng)穩(wěn)定;若存在正實(shí)部,則系統(tǒng)不穩(wěn)定[5]。
2)時(shí)域仿真法利用系統(tǒng)擾動產(chǎn)生的非線性方程計(jì)算出系統(tǒng)變量完整的時(shí)間響應(yīng),并通過曲線仿真得出系統(tǒng)振蕩模式的阻尼特性及頻率。
3)信號分析法主要是通過實(shí)測或仿真數(shù)據(jù),辨識得到系統(tǒng)的振蕩模式、頻率等信息,定量分析振蕩阻尼問題。常用到的信號分析法[6]包括傅立葉變換分析法[7]、小波分析法[8]、Prony 法[9]、HHT[10]等。
電力系統(tǒng)穩(wěn)定分為功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定。電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定屬于功角穩(wěn)定,是指電力系統(tǒng)受到小擾動和大擾動后,在自動調(diào)節(jié)和控制裝置的作用下,能恢復(fù)到受擾動前的運(yùn)行狀態(tài)或者接近可以接受的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)[11]。功角穩(wěn)定可分為小擾動動態(tài)穩(wěn)定和大擾動動態(tài)穩(wěn)定[12]。在小擾動動態(tài)穩(wěn)定分析中,因?yàn)閿_動量足夠小,所以系統(tǒng)可用線性化狀態(tài)方程描述;在大擾動動態(tài)穩(wěn)定分析中,擾動量必須用非線性方程來描述[11]。動態(tài)穩(wěn)定的主要表現(xiàn)形式為低頻振蕩。低頻振蕩有兩種表現(xiàn)形式:一是區(qū)域間振蕩,是系統(tǒng)的一部分機(jī)群相對于另一部分機(jī)群的振蕩,涉及面廣,危害大,會通過聯(lián)絡(luò)線向全系統(tǒng)傳遞[13];二是局部振蕩,是電氣距離很近的幾個(gè)發(fā)電機(jī)之間的相互振蕩,或者作為一個(gè)整體時(shí)系統(tǒng)內(nèi)其他機(jī)組之間的振蕩。局部振蕩局限于區(qū)域內(nèi),屬于小范圍內(nèi)的振蕩,通常表現(xiàn)為單個(gè)電廠通過長距離送出線路的低頻振蕩問題[14]。
電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩的本質(zhì)原因是系統(tǒng)的某些固有的振蕩頻率缺少足夠的阻尼。系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性取決于系統(tǒng)的固有特性,與擾動的大小無關(guān)[15]。
動態(tài)功角穩(wěn)定計(jì)算分析的目的是在規(guī)定的運(yùn)行方式和擾動下,對系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行校驗(yàn),確定系統(tǒng)中是否存在負(fù)阻尼或弱阻尼振蕩形式,為電網(wǎng)運(yùn)行斷面潮流控制、涉網(wǎng)參數(shù)配置和各種安穩(wěn)措施提出相應(yīng)的要求。
在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中,大擾動動態(tài)穩(wěn)定主要是通過時(shí)域法進(jìn)行分析;小擾動動態(tài)穩(wěn)定主要通過頻域法進(jìn)行分析。
時(shí)域法主要研究電網(wǎng)受到大擾動時(shí)(如短路故障、機(jī)組跳閘、大規(guī)模負(fù)荷脫網(wǎng)等擾動形式),采用數(shù)值積分的時(shí)域仿真技術(shù),并配合Prony分析手段,對時(shí)域仿真得出的發(fā)電機(jī)相對功角曲線、線路功率曲線等進(jìn)行擬合,得出相應(yīng)的振蕩模式和阻尼比,應(yīng)用機(jī)電暫態(tài)仿真技術(shù)進(jìn)行分析[16]。
頻域分析方法主要采用電力系統(tǒng)線性化模型和特征值分析方法,相當(dāng)于一般動力學(xué)系統(tǒng)在李亞普諾夫意義下的漸近穩(wěn)定性小干擾法,對系統(tǒng)振蕩頻率和阻尼比進(jìn)行綜合判定[17]。
電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定主要表現(xiàn)形式為低頻振蕩,主要通過對其振蕩頻率和阻尼比進(jìn)行穩(wěn)定性判定。動態(tài)穩(wěn)定振蕩頻率通常在0.1 Hz~2.5 Hz之間(近些年電網(wǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)超低頻振蕩情況,即振蕩頻率小于0.1 Hz),振蕩頻率趨近0.1 Hz 為區(qū)域間振蕩模式;振蕩頻率趨近2.5 Hz 為區(qū)域內(nèi)振蕩模式。區(qū)域間和區(qū)域內(nèi)振蕩模式的頻率界線隨著電網(wǎng)不同而有所差別,早期以1.0 Hz 為界,隨著電網(wǎng)的發(fā)展,有下降趨勢,華東電網(wǎng)頻率界限下降至0.7 Hz左右。
阻尼比是衡量電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo),在《國家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定(ζ 為阻尼比):當(dāng)ζ≤0 時(shí),系統(tǒng)屬于負(fù)阻尼,將會出現(xiàn)增幅振蕩;當(dāng)0<ζ≤0.02 時(shí),系統(tǒng)屬于弱阻尼;當(dāng)0.02<ζ≤0.03時(shí),系統(tǒng)屬于較弱阻尼;當(dāng)0.04<ζ≤0.05時(shí),系統(tǒng)屬于適宜阻尼;當(dāng)ζ>0.5時(shí),系統(tǒng)屬于強(qiáng)阻尼。
各電網(wǎng)公司的動態(tài)穩(wěn)定判定標(biāo)準(zhǔn)略有差別。
1)國家電網(wǎng)公司和內(nèi)蒙古電網(wǎng)規(guī)定略有差別:小擾動下阻尼比不能低于2%~5%(西北5%、華北2%,其余為3%);大擾動下阻尼比不能低于1.0%~1.5%。
2)南方電網(wǎng)公司對不同的振蕩模式,判定標(biāo)準(zhǔn)不一:系統(tǒng)中區(qū)域間振蕩模式與大機(jī)組強(qiáng)相關(guān)的局部振蕩模式在小擾動下阻尼比應(yīng)大于3.5%;系統(tǒng)中與地區(qū)中小電站群強(qiáng)相關(guān)的振蕩模式在小擾動下阻尼比不能低于4.5%;系統(tǒng)中區(qū)域間振蕩模式與大機(jī)組強(qiáng)相關(guān)的局部振蕩模式在大擾動下阻尼比應(yīng)大于2.0%;系統(tǒng)中與地區(qū)中小電站群強(qiáng)相關(guān)的振蕩模式在大擾動下阻尼比不能低于3.0%。
東北電網(wǎng)地處中國東北地區(qū),包括三省一蒙(黑龍江省、吉林省、遼寧省、內(nèi)蒙古東部地區(qū))。通過三回直流與主網(wǎng)和俄羅斯相聯(lián),向南通過±800 kV魯固直流和±500 kV高嶺背靠背換流站與華北電網(wǎng)相聯(lián);向北通過±500 kV 黑河直流與俄羅斯相聯(lián)。東北電網(wǎng)在南北方向上長,在東西方向上相對較窄,4 大電源基地分置電網(wǎng)四角,分別為遼寧南部、黑龍江東部、呼倫貝爾和赤峰,如圖1 所示。負(fù)荷中心為遼寧電網(wǎng)(占東北電網(wǎng)負(fù)荷約50%)和魯固直流送出,電力流向呈現(xiàn)“東西匯集,中、南送電”格局。隨著魯固直流投運(yùn),電力潮流呈現(xiàn)由北至南、盈余電力向扎魯特匯聚的局面,是較為典型的“啞鈴”結(jié)構(gòu),這使東北電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定問題日益凸顯。
圖1 骨干網(wǎng)架
在目前網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下,東北電網(wǎng)主振模式為南部-北部機(jī)群的振蕩模式,即遼寧、蒙東赤峰機(jī)群對黑龍江、蒙東呼倫貝爾機(jī)群振蕩模式,如圖2 所示。在正常方式下,振蕩中心靠近遼吉斷面的吉林電網(wǎng)側(cè);在檢修方式下,振蕩中心仍位于遼吉斷面附近,根據(jù)檢修方式設(shè)置的不同,振蕩中心向南或北略有偏移,但是偏移不大。東北電網(wǎng)低頻振蕩特性變化情況如表1 所示。東北電網(wǎng)主振模式的振蕩周期為0.6 Hz 左右,目前阻尼比大于5%,屬于強(qiáng)阻尼模式,發(fā)生區(qū)域間振蕩的概率很低。隨著4 大送端電源基地的裝機(jī)容量不斷提高,電網(wǎng)的阻尼比進(jìn)一步減弱,正常方式下存在弱阻尼,檢修方式下甚至存在負(fù)阻尼的風(fēng)險(xiǎn)。
圖2 東北電網(wǎng)低頻區(qū)間振蕩
表1 東北電網(wǎng)低頻振蕩特性變化情況
低頻振蕩是全網(wǎng)問題,全網(wǎng)阻尼比較小時(shí),任意一處產(chǎn)生擾動,機(jī)組功角均可能出現(xiàn)等幅振蕩現(xiàn)象。若紅沿河核電站的6 臺機(jī)組全部投運(yùn)且在滿發(fā)方式下,赤峰外送500 kV 送出線路發(fā)生單相瞬時(shí)故障時(shí),存在明顯的低頻振蕩問題。圖3 是東北電網(wǎng)低頻區(qū)間震蕩曲線,由圖可以明顯看出,功角近似等幅震蕩。
圖3 東北電網(wǎng)低頻區(qū)間振蕩
在上述方式下,赤峰機(jī)組和遼寧機(jī)組均產(chǎn)生等幅振蕩現(xiàn)象。
通過上述分析可以得出,在大擾動下,東北全網(wǎng)均存在功角振蕩問題,擾動越靠近電網(wǎng)電源送端,振蕩收斂性越差;擾動越靠近振蕩中心,收斂性越好。
電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性受電源結(jié)構(gòu)、電源分布、電源調(diào)節(jié)的勵磁系統(tǒng)和調(diào)試系統(tǒng)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、負(fù)荷分布、負(fù)荷類型等多個(gè)因素影響,下面進(jìn)行詳細(xì)分析。
我國機(jī)電仿真分析的負(fù)荷模型主要是基于“恒阻抗+電動機(jī)”模式,東北電網(wǎng)負(fù)荷模型采用50%恒阻抗加50%電動機(jī)模型。
通過對東北電網(wǎng)負(fù)荷模型中恒阻抗占比分別為40%、50%、60%的情況進(jìn)行分析,電網(wǎng)主振模式的振蕩周期為0.632 Hz,阻尼比依次為8.160%、8.011%、7.876%,屬于強(qiáng)阻尼模式,如表2 所示。通過分析可以得出,恒阻抗占比越低,電動機(jī)占比越高,系統(tǒng)阻尼比相對較高,對系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生有利影響,但影響不大,發(fā)生區(qū)域間振蕩的概率很低,振蕩中心靠近遼吉斷面的吉林電網(wǎng)側(cè),該振蕩模式下不存在小擾動動態(tài)失穩(wěn)問題。
表2 不同恒阻抗/靜特性負(fù)荷方式下東北電網(wǎng)主振模式
通過對東北電網(wǎng)中大負(fù)荷、腰負(fù)荷、小負(fù)荷3種方式進(jìn)行分析(見表3)可以看出,大負(fù)荷(69 000 MW)方式下,東北電網(wǎng)主振模式的振蕩周期為0.613 Hz,阻尼比為8.748%;腰負(fù)荷(58 000 MW)方式下,東北電網(wǎng)主振模式的振蕩周期為0.632 Hz,阻尼比為8.011%;小負(fù)荷(54 000 MW)方式下,東北電網(wǎng)主振模式的振蕩周期為0.641 Hz,阻尼比為7.988%。通過分析可以得出,負(fù)荷規(guī)模越大時(shí),系統(tǒng)的振蕩頻率越小,阻尼比越高。
表3 不同負(fù)荷水平方式下東北電網(wǎng)主振模式
通過對東北電網(wǎng)中不同魯固直流送出水平進(jìn)行分析(見表4),當(dāng)魯固直流送出為6 100 MW方式下,東北電網(wǎng)主振模式的振蕩周期為0.632 Hz,阻尼比為8.011%;當(dāng)魯固直流送出為8 000 MW 的方式下,東北電網(wǎng)主振模式的振蕩周期為0.625 Hz,阻尼比為7.945%;當(dāng)魯固直流送出為10 000 MW 的方式下,東北電網(wǎng)主振模式的振蕩周期為0.613 Hz,阻尼比為7.763%。通過分析可以得出,魯固直流外送容量越大,東北電網(wǎng)主振頻率越低,阻尼比越高,振蕩中心靠近遼吉斷面的吉林電網(wǎng)側(cè),該振蕩模式下不存在小擾動動態(tài)失穩(wěn)問題。
表4 不同魯固直流送出方式下東北電網(wǎng)主振模式
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是電能傳輸?shù)奈镔|(zhì)基礎(chǔ)和“筋骨”,是系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性最重要的保障。通過分析加強(qiáng)電源基地外送網(wǎng)架、負(fù)荷中心首入網(wǎng)架、電網(wǎng)南北聯(lián)絡(luò)網(wǎng)架可以看出,網(wǎng)架加強(qiáng)措施均可以提升動態(tài)穩(wěn)定的系統(tǒng)阻尼比(見表5),同時(shí)也可以增加電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性[18],具有十分重要的工程意義。
表5 加強(qiáng)網(wǎng)架對東北電網(wǎng)主振頻率和阻尼比影響
針對當(dāng)前東北電網(wǎng),由采用同步發(fā)電機(jī)的水、火、核電在電網(wǎng)中不同分布位置進(jìn)行分析可知,當(dāng)同步發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)末端的電源基地時(shí),相應(yīng)系統(tǒng)的阻尼比呈下降趨勢;當(dāng)同步發(fā)電機(jī)接入網(wǎng)架中心位置時(shí),系統(tǒng)阻尼比呈上升趨勢。同步電源分布對動態(tài)穩(wěn)定性影響如表6所示。
表6 同步電源分布對動態(tài)穩(wěn)定性影響
針對當(dāng)前東北電網(wǎng),由提高新能源發(fā)電比例對動態(tài)穩(wěn)定性的影響分析可知,振蕩頻率變高,振蕩阻尼比具有下降的趨勢,但是仍具有不確定性,如表7 所示。受新能源接入的網(wǎng)架、替換的電源分布、新能源集聚性、新能源類型等諸多因素影響,不能簡單地認(rèn)為增大新能源發(fā)電比例一定會降低東北電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性,需對具體電網(wǎng)進(jìn)行深入和詳細(xì)地分析。
表7 不同新能源占比對動態(tài)穩(wěn)定性影響
針對同步發(fā)電機(jī)快速勵磁系統(tǒng)給電網(wǎng)帶來負(fù)阻尼情況,現(xiàn)代電力系統(tǒng)在大型同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)中均配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)[19],有力提升系統(tǒng)阻尼。但隨著電網(wǎng)快速發(fā)展,PSS 的參數(shù)需隨著電網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)行校核和修正才可有效地保障電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性。近些年,在工程實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),僅通過裝設(shè)在勵磁系統(tǒng)中的PSS 不能完全滿足電網(wǎng)需求,同時(shí)需要調(diào)整、優(yōu)化調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)。目前,正研究在調(diào)速系統(tǒng)中增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。
遼寧南部電網(wǎng)的紅沿河核電廠將新增#5、#6機(jī)組,使單座電廠裝機(jī)容量超過6 000 MW,加重了東北電網(wǎng)南北主振模式。若依舊采取目前的PSS、調(diào)速器模型和參數(shù),系統(tǒng)阻尼比將降低至2.58%,低于3%的電網(wǎng)要求。若將紅沿河核電#2~#6 機(jī)組9型調(diào)速系統(tǒng)的有功功率測量延時(shí)時(shí)間由0.545 s 調(diào)整為2.038 s,原動機(jī)輸出功率范圍Pmax由1.05 改為1.0,將PSS 的增益Kp由4 增大到8,限幅由5%增大到10%后,阻尼比將由2.58%提升至7.02,效果顯著,是經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性最好的措施。
本文立足東北電網(wǎng)實(shí)際情況,著重從負(fù)荷模型、負(fù)荷規(guī)模、魯固直流輸送容量、網(wǎng)架加強(qiáng)措施、電源分布、新能占比、同步電源的勵磁(PSS)和勵磁系統(tǒng)的影響方面開展東北電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定靈敏度分析,研究提升電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性能的有效措施,得出如下結(jié)論:
1)優(yōu)先采用PSS、調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)優(yōu)化措施,提升電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性。
現(xiàn)代電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定問題的重要誘因就是快速勵磁和調(diào)速系統(tǒng)。在提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的同時(shí)帶來負(fù)阻尼和弱阻尼效應(yīng),表現(xiàn)為電壓和功率為驅(qū)動的功角曲線長期不能平復(fù)現(xiàn)象。因此,優(yōu)化和調(diào)整電力系統(tǒng)PSS、調(diào)速系統(tǒng)的模型和參數(shù)是提升電網(wǎng)阻尼和動態(tài)穩(wěn)定性最經(jīng)濟(jì)、最快速、最有效的措施。隨著電網(wǎng)的發(fā)展,裝設(shè)于勵磁系統(tǒng)的PSS將不斷完善,同時(shí)也必將推進(jìn)裝設(shè)于調(diào)速系統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定器的研發(fā)和應(yīng)用。
2)加強(qiáng)網(wǎng)架是應(yīng)對電網(wǎng)各類安全穩(wěn)定問題的最穩(wěn)固的舉措。
現(xiàn)代電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定問題的其他重要誘因就是電力的長距離、弱聯(lián)系輸送。加強(qiáng)網(wǎng)架可以顯著地縮短電力輸送的電氣距離,不僅可以提升電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定,同時(shí)也可以提升電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定性,是電力系統(tǒng)面臨“雙高”電網(wǎng)的必然選擇,也是電網(wǎng)發(fā)展長治久安的基石。針對電網(wǎng)各自情況,優(yōu)先加強(qiáng)送出系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),然后加強(qiáng)區(qū)域間網(wǎng)架結(jié)構(gòu),最后加強(qiáng)受端網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。
3)注重防范區(qū)域間大功率輸送的全網(wǎng)偏小負(fù)荷運(yùn)行方式下的動態(tài)穩(wěn)定問題。
全網(wǎng)負(fù)荷偏小時(shí),電網(wǎng)中心地區(qū)同步機(jī)組出力較小,電網(wǎng)的阻尼較小。如同時(shí)出現(xiàn)電源基地大規(guī)模電源送出或區(qū)域間(交流系統(tǒng)內(nèi))大功率輸電,則電網(wǎng)將面臨較為嚴(yán)重的動態(tài)穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。而我國資源和生產(chǎn)力呈逆分布,以及處于電網(wǎng)末端高占比新能源將造成區(qū)域間電力大規(guī)模傳輸,給電網(wǎng)帶來不可避免的沖擊。
4)加強(qiáng)大規(guī)模弱送端能源基地有功、無功靈活性資源配置,提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
大規(guī)模弱送端能源基地將不可避免地加重電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定問題。除了依靠長周期性的網(wǎng)架建設(shè)外,需提高電源基地送出系統(tǒng)的動態(tài)電壓和頻率穩(wěn)定性,從電源側(cè)提升系統(tǒng)的阻尼特性。