海洋平台微电网电压稳定性评估*

张安安 黄维维 杜振华 李红伟 吴华兵

(1. 西南石油大学电气信息学院 四川成都 610500； 2. 中海油节能环保服务有限公司 天津 300457)

海洋平台微电网电压稳定性评估*

张安安1黄维维1杜振华2李红伟1吴华兵1

(1. 西南石油大学电气信息学院 四川成都 610500； 2. 中海油节能环保服务有限公司 天津 300457)

针对海洋平台微电网的特点，设计了海洋平台微电网电压稳定性评估方案，对海洋平台微电网电压稳定性问题进行了分析研究。以渤海地区某海洋平台微电网为例，综合应用特征值法和L指标法识别出了海洋平台微电网的电压薄弱节点，进而对系统的电压薄弱节点进行了静态电压稳定裕度的评估，分析了该系统的电压运行水平；最后根据该平台微电网搭建仿真模型，在考虑典型故障场景下进行了暂态电压稳定性分析，比较其时域仿真结果与静态评估结果，验证了方案的有效性。本文研究可为有效监测海洋平台微电网电压运行情况，提高电压的运行质量等方面提供一定的借鉴意义。

海洋平台；微电网；电压稳定性；L指标法；特征值法；PV曲线法；QV曲线法

海洋平台微电网[1]作为海上工作平台的主要供电系统，其供电的稳定性直接关系到海上大型设备的正常运转乃至整个海洋平台的正常运行[2-3]。海洋平台微电网除了一般陆地微电网所具有的供电灵活、能源利用率高、传输费用低和系统线损小等特点[4-5]外，还因处于海洋这一特殊的环境而具有自身的特殊性：系统容量相对有限，一般由容量相同的几台燃气轮机机组并联运行供电；负载工况的变化比较剧烈，大型负载的启动会对电网造成很大冲击；系统传输线为长距离海底电缆，其电容效应较大，对电网影响明显；系统的工作环境复杂恶劣，对电气设备的性能造成严重影响，系统维护成本很高；系统主要使用燃气轮机作为分布式电源，不是传统意义的无污染能源等[6-7]因此，海洋平台微电网电压稳定性问题较为突出[8]。

目前国内外学者研究重点多在陆地微电网上，虽有部分学者正在研究海上风电的并网运行情况，但对海洋平台微电网的关注还比较少。本文研究正是基于海洋平台微电网的特殊性，提出了一套针对海洋平台微电网电压稳定性分析的具体方案，主要分为静态和暂态2个部分：首先在对电容效应较大的长距离海底电缆进行参数等值计算的基础上编写潮流算例，对渤海地区某实际海洋平台微电网的静态电压稳定性进行评估；再考虑燃气轮机机组并联运行情况，结合该电网的实际情况在PSCAD/EMTDC软件中搭建仿真模型进行暂态电压稳定性分析。本文研究可为有效监测海洋平台微电网电压运行情况，提高电压的运行质量等方面提供一定借鉴意义。

1 评估方案设计

1.1 渤海地区某海洋平台微电网概况

根据我国渤海某海洋平台微电网建立仿真模型(图1)，按照各部分结构和功能的不同，可划分为11个平台(P1～P11，其中P11平台包括7个井口平台和1个脱水平台，这里作为一个负荷平台)。该模型共包含25个母线节点，其中节点22～25为发电机节点，其余均为负荷节点。

1.2 评估方案设计

本文设计的海洋平台微电网电压稳定性评估方案分为静态和暂态2个部分，其中静态部分又分为系统电压薄弱节点的识别和电压稳定裕度评估2个部分。由于使用静态方法不能实时跟踪系统的运行情况，在靠近电压稳定临界点处可能会出现不稳定解，并考虑到静态电压稳定性指标不一定适用于海洋平台微电网，因此选用3种方法进行对比分析。特征值法是基于潮流法中的雅克比矩阵式，当计算出的负荷节点的最小特征值λ大于0时系统稳定，等于0时系统电压临界稳定，小于0时系统处于电压崩溃状态[9-10]；L指标法也是基于潮流算法中的某些基本参量，根据负荷节点计算出的L值小于1时系统电压稳定，等于1时系统电压临界稳定，大于1时系统电压崩溃[11-13]。应用上述2种方法得到系统的电压薄弱节点，然后对薄弱节点进行加载再重复计算负荷节点的特征值和L值，直到系统电压崩溃，绘制出系统最小特征值曲线和L值曲线图，找到系统的电压稳定裕度所对应的薄弱节点的负载最大值。最后利用PV曲线法和QV曲线法对薄弱节点的电压稳定裕度进行评估比较[14]，对特征值法和L指标法评估结果进行检验,通过时域仿真验证母线的电压变化情况，并针对系统的代表性故障进行分析。本文设计的海洋平台微电网电压稳定性评估方案流程如图2所示。

图1 渤海地区某海洋平台微电网模型

在对微电网进行潮流计算时，涉及到输电线路的电阻、电感、电容等参数，因为海洋平台微电网的输电过程是采用长距离海底电缆进行，其电容效应较大，与陆地电网输电电缆有很大区别，不能简单根据一般输电线进行等值计算，计算时需要根据海底电缆实际情况分别给出各条海底电缆参数[15]，因此在编写潮流算例时应根据长距离海底电缆的特性选择相应的电缆参数，并在搭建仿真模型中使用该电缆参数。

图2 本文设计的海洋平台微电网电压稳定性评估方案流程

2 仿真分析

2.1 静态电压稳定性分析

在图1所示的海洋平台微电网模型中，计算出系统潮流以及缩减型系统雅克比矩阵后，可得到系统中各负荷节点的特征值，如表1所示。从表1可以看出，负荷节点14的特征值最小，因此可判定节点14为该系统的电压薄弱节点。

当节点14的负载逐渐增大时，该节点的特征值的变化情况如图3所示。当节点14的负载增大至额定负载的5.2倍，即有功功率和无功功率分别约为9.6 MW和7.2 Mvar时，该节点的特征值发生跳变，表明系统已达电压崩溃点。

表1 渤海地区某海洋平台微电网负荷节点的特征值

图3 渤海地区某海洋平台微电网节点14处特征值曲线

同理，根据得到的系统潮流，计算出图1所示的海洋平台微电网中各负荷节点的L指标值，如表2所示。从表2可以看出，节点14的L指标值最大，因此可判定节点14为系统中电压薄弱节点，这与上述最小特征值法的分析结果一致。

表2 渤海地区某海洋平台微电网负荷节点的L指标值

当节点14的负荷增加时，该节点处L值的变化情况如图4所示。当节点14的负载增大至5.25倍额定负载，即有功功率和无功功率分别约为9.6 MW和7.2 Mvar时，该节点的L指标值接近1，表明系统电压临界崩溃。

图4 渤海地区某海洋平台微电网节点14 处L指标值曲线

根据L指标法和特征值法可判定图1所示微电网中节点14为系统的电压薄弱节点，因此，增加薄弱节点处的负载，并计算相应电压值，绘制出图5所示的PV曲线和QV曲线，其中绿色点和红色点分别表示节点14电压运行点和电压临界崩溃点，红色双箭头所示的距离即为电压稳定裕度，黑色虚线所示的距离为该算例系统的薄弱节点电压可运行范围。

图5 渤海地区某海洋平台微电网节点14处PV和QV曲线

根据图5，节点14负载分别约为9.6 MW(有功功率)和7.2 Mvar(无功功率)，若负载再进一步增加则会引起整个系统电压崩溃，这与前面的特征值法和L指标法电压稳定裕度的评估结果一致，此时该节点电压已降至约0.57 pu。

比较前面3种静态电压稳定性分析方法，认为L指标法在对海洋平台微电网电压稳定评估中更稳定、简单、有效，不会出现特征值法对薄弱节点识别不明和PV曲线、QV曲线法工作量大的情况。

2.2 暂态电压稳定性时域仿真分析

2.2.1 薄弱节点加载仿真验证

从图5所示的节点14处PV曲线和QV曲线可以看出：当负荷节点处负载低于最大限制值有功功率9.6 MW、无功功率7.2 Mvar时，测试系统可保持稳定状态；当节点负荷超过这个限制值后，则会引起整个系统的电压崩溃。使用PSCAD软件对算例海洋平台微电网模型进行模拟，将其中薄弱节点14的负载逐渐增大到最大限制值，得到该节点的电压变化情况，如图6所示。

图6 渤海地区某海洋平台微电网节点14处电压随负载变化

从图6可以看出，当节点14处负载增大时，它的运行电压逐渐下降，当负载增大至5倍实际系统自带负载比例时，电压已经下降到临界稳定值0.57 pu，这与前面静态电压分析结果基本一致。

2.2.2 负载的接入、切除对暂态电压稳定性的影响

以系统薄弱节点14为研究对象，在第5 s时分别模拟其接入负载、切除负载以及负载故障切除后再过10 s重新接入的情况，以探究系统的电压稳定特性，仿真结果如图7所示。 从图7a、b可以看出，节点14在接入负载或切除负载时，其电压能迅速恢复稳定，系统能在较短时间内达到稳定状态，但2个稳定状态间的电压值变化较大；从图7c可以看出，当节点14的负载发生故障并被切除后，若能尽快清除故障并接入负载，则对系统电压稳定性的影响较小，这说明海洋平台上主要负载发生故障后，若能快速恢复故障，则对系统电压稳定性没有太大影响。

图7 渤海地区某海洋平台微电网薄弱节点14负载启动、切除、切除再次接入时电压的变化情况

2.2.3 发电机故障对暂态电压稳定性的影响

模拟P3平台上某台发电机故障，以研究发电机故障对系统电压稳定性的影响，仿真结果如图8所示。从图8a可以看出，当P3平台上某发电机发生故障后，系统薄弱节点14的电压不断下降；从图8b可以看出，若发电机故障后能及时接入平台上的备用发电机，可使系统薄弱节点14的电压快速恢复稳定。

图8 渤海地区某海洋平台微电网平台P3上某发电机故障对系统电压稳定性的影响

2.2.4 平台线路故障对暂态电压稳定性的影响

当系统发电平台P3(容量43.5 MW，32.6 Mvar)发生短路故障或海底电缆短路时，系统薄弱节点14的电压变化情况如图9所示。从图9a可以看出，发电平台P3发生短路故障时，节点14的电压不断下降，经过较长时间后重新到达稳定状态，但此时该节点电压较低，对系统电压稳定性影响较大。在这种故障情况下，考虑15 s后快速切除故障或让该平台退出微电网，其电压变化情况如图9b、c所示。从图9b、c中可以看出，快速切除故障或让故障平台退出微电网都能使薄弱节点14的电压快速恢复到新的稳定状态，但后者在30 s时由于系统发电容量不能支撑系统恢复到原来的平衡状态而产生电压下降突变，对系统电压稳定性产生较大影响。因此，如果发电平台故障比较复杂，且不能在短时间解决，那么解列部分平台也能够勉强满足系统电压稳定性要求。

图9 渤海地区某海洋平台微电网平台P3线路故障对系统电压稳定性的影响

3 结论

1) 综合应用静态和暂态电压稳定评价方法设计了海洋平台微电网电压稳定性评估方案，静态、暂态仿真结果都验证了方案的有效性，为海洋平台微电网的设计和校验等方案提供了参考。

2) 研究发现最小特征值法在判定系统薄弱节点时针对性不够，而L指标法能有效应用到海洋平台微电网电压稳定性评估和分析中，且指向明确，应用更加简单，因此可以将L指标作为海洋平台微电网运行情况的监测指标之一。

3) 薄弱节点(平台)负载的变化对系统影响较大，因此设计时应考虑预留足够的功率裕度。

4) 发电平台故障对系统电压稳定性影响较大，若能在较短时间内使该平台重新应用或接人另一个平台电网，则系统能快速恢复到新的稳定状态，因此应考虑将网络结构设计为环网状，以提高其可靠性。

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(编辑：吕欢欢)

Assessment of voltage stability for offshore platform micro-grids

Zhang An’an1Huang Weiwei1Du Zhenhua2Li Hongwei1Wu Huabing1

(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China;2.CNOOCEnergySavingandEnvironmentalProtectionServicesCo.,Ltd.,Tianjin300457,China)

According to the characteristics of offshore platform micro-grids, an assessment program of offshore platform micro-grid voltage stability was developed to study the voltage stability. Taking the micro-grid in a Bohai offshore platform as an example, the eigenvalue computation and theLindex method were combined to identify the voltage weak nodes. Then the static voltage stability margin of such nodes was evaluated, and the level of voltage stability of the system was obtained. Finally, transient voltage stability was analyzed in typical fault scenarios. Time domain simulation results and static assessment results were compared to verify the effectiveness of the program. The research here could provide some reference for the effective monitoring of micro grid operation of offshore platforms to improve the quality of voltage operation.

offshore platform; micro-grid; voltage stability;Lindex method; eigenvalue method; PV curve method; QV curve method

*国家自然科学基金青年基金“自律分散的电压/无功协调控制机理与方法研究(编号：51107107)”、中国博士后基金“源-荷协同的离岸电气系统混合博弈发电机理及方法研究(编号：2014M562335)”、四川省教育厅科研创新团队(自然科学)资助项目“海上电气系统智能监测与安全控制(编号：15TD0005)”部分研究成果。

张安安，男，副教授，2010年毕业于四川大学电力系统及其自动化专业，获工学博士学位，主要从事电压无功优化、海上电气系统控制等研究工作。地址：四川省成都市新都区西南石油大学(邮编：610500)。E-mail:ananzhang@swpu.edu.cn。

黄维维，女，西南石油大学控制科学与工程专业在读硕士研究生，主要从事电气传动与控制研究。地址：四川省成都市新都区西南石油大学(邮编：610500)。 E-mail:851294567@qq.com。

1673-1506(2016)04-0143-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.04.023

TM761

A

2015-07-20 改回日期：2015-11-13

张安安，黄维维，杜振华，等.海洋平台微电网电压稳定性评估[J].中国海上油气，2016,28(4)：143-148.

Zhang An’an，Huang Weiwei，Du Zhenhua,et al.Assessment of voltage stability for offshore platform micro-grids[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(4):143-148.