特高压联网及大规模新能源接入的电网动态特性及PSS适应性分析

梁纪峰，曾四鸣，姜 山，杜晓东，李晓军

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，石家庄 050021；2.国网河北省电力有限公司，石家庄 050021)

0 引言

近年来，风电、光伏等新能源发电快速发展，截至2019年底，我国新能源发电装机容量突破4亿k W，其中河北省南部电网(简称“河北南网”)新能源发电装机容量达到1 027万k W，装机占比达到了26%。大规模的随机性新能源并入电网构成了随机-确定性多源耦合电力系统，电网的电力电子化特征越来越明显，系统的转动惯量和风险抵御能力不断降低。同时伴随华北电网特高压交直流混联电网的建成，华北电网内部的西电东送格局发生了根本改变，逐步由传统的山西电网和蒙西电网经河北电网转供京津和山东的潮流走向，转变为华北电网内部省间相互支援、灵活互济，导致河北南网及华北电网的网架结构和网络特性均发生了很大变化，加之地区电网的发展、电源的建设和负荷水平的增加，河北南网发生低频振荡的风险不断积聚[1-3]。

目前抑制电力系统低频振荡最常用、最有效的技术措施是在发电机励磁系统安装电力系统稳定器(PSS)[4]。但是现有的PSS均采用单机-无穷大数学模型逐机进行参数整定，且参数整定后长期维持不变，无法随电网运行方式的变化实时调整，无法满足电网运行方式下的阻尼增强目的。因此，随着在大规模随机性新能源通过特高压电网远距离输送，尤其是电力现货交易市场的建设，研究现有PSS在电网复杂运行方式变化情况下的适应性和系统动态稳定水平具有重要意义。

1 河北南网动态特性分析

1.1 网架结构

截至2019年底，河北南网投运2座特高压交流变电站，分别为1 000 k V雄安站和邢台站，2站之间保持双回特高压线路联系。雄安站分别通过特高压双回线与1 000 k V张北、晋北、天津南特高压站相连，并通过500 k V雄安-易水双回线向河北南网供电，下注功率约700 MW；1 000 k V邢台站分别通过特高压双回线与1 000 k V洪善、泉城、豫北特高压站相连，并通过500 k V邢台-武邑双回、邢台-彭村双回、邢台-宗州双回共6回线路向河北南网供电，下注功率约2 600 MW；共有12回特高压线路将河北南网与外部电网联系起来。

2019年底，河北南网共有统调火力发电厂26座，装机容量合计29 254 MW，水电装机容量1 262 MW，风电装机容量2 818 MW、光伏发电装机容量7 547 MW。河北南网电源接入电网比较分散，除沧东电厂等9座电厂的部分发电机母线直接接入500 k V系统外，其余火力发电机母线分别接入220 k V电压等级。

1.2 动态特性变化

电网交直流互联势必经历一个从弱联系到强联系的发展过程，过渡阶段会存在十分突出的小干扰安全稳定问题，在某些极端的运行方式下容易诱发区间模式的低频振荡事故。河北南网动态特性计算分析，分别基于国调中心下发的2015年与2019年全国联网典型运行方式计算数据，采用中国电科院PSASP7.31版本软件开展小干扰稳定计算分析[5]。通过选取与河北南网机组有关的机电振荡模式进行分析，其中0.19 Hz为频率最低的大区电网机电振荡模式，对比2015水平年与2019水平年计算结果，可知该模式是由于特高压交直流联网及大规模新能源接入后新增的区间振荡模式，该振荡模式与河北南网相关的机组参与因子如表1所示。

表1 河北南网参与振荡机组参与因子

通过上述特高压联网及大规模新能源接入前后小干扰稳定对比计算分析可以发现，在华北特高压交直流联网及河北南网新能源大规模接入后，华北电网内部新增了大区电网低频振荡模式，振荡频率低于0.2 Hz，涉及机组数量较多，且包括河北南网的邯峰电厂等机组。随着河北-山东特高压交流环网的建成投运，河北南网与山东电网间的电网潮流相较以往有了大幅变化，因此，应针对上述新增的低频振荡模式，及时研究制定相应的低频振荡预控措施，提高河北南网动态稳定水平，防止振荡事故发生。

2 河北南网现有PSS适应性分析

基于河北南网动态稳定特性计算结果，选取阻尼比偏低的2个发电机组:邯郸热电1号机组及邢台热电1号机组进行原有PSS适应性分析。计算基于河北南网2019年度丰大、丰小、枯大和枯小4个典型运行方式计算数据。

2.1 丰大方式

根据河北南网丰大方式的小干扰稳定计算结果，配置原PSS参数在丰大运行方式下无弱阻尼和负阻尼，系统在丰大运行方式下能够满足小干扰稳定条件。图1为丰大运行方式下邯郸热电1号机组及邢台热电1号机组的有功功率振荡曲线，邯郸热电1号机组功率振荡5次，邢台热电1号机组功率振荡4次，具有较好的低频振荡抑制效果。

图1 丰大方式原PSS参数下机组有功功率振荡曲线

2.2 丰小方式

根据河北南网丰小方式小干扰稳定计算结果，配置原PSS参数在丰小运行方式下无弱阻尼和负阻尼，在丰小运行方式下能够满足小干扰稳定条件。

图2为丰小运行方式下邯郸热电1号机组和邢台热电1号机组的有功功率振荡曲线，邯郸热电1号机组功率振荡＞10次，平息较慢，PSS抑制效果不明显，邢台热电1号机组振荡10次，具有较好低频振荡抑制效果。

图2 丰小方式原PSS参数下机组有功功率振荡曲线

2.3 枯大方式

根据河北南网枯大方式的小干扰稳定计算结果，配置原PSS参数在枯大运行方式下无弱阻尼和负阻尼，系统在枯大运行方式下能够满足小干扰稳定条件。

图3为枯大运行方式下邯郸热电1号机组和邢台热电1号机组的有功功率振荡曲线，邯郸热电1号机组功率振荡6次，邢台热电1号机组功率振荡8次，具有较好的低频振荡抑制效果。

图3 枯大方式原PSS参数下机组有功功率振荡曲线

2.4 枯小方式

根据河北南网枯小方式的小干扰稳定计算结果，配置原PSS参数在枯小运行方式下无弱阻尼和负阻尼，系统在枯小运行方式下能够满足小干扰稳定条件。

图4为枯小运行方式下邯郸热电1号机组和邢台热电1号机组的有功功率振荡曲线，邯郸1号机组功率振荡8次，邢台热电1号机组功率振荡11次，具有较好的低频振荡抑制效果。

图4 枯小方式原PSS参数下机组有功功率振荡曲线

3 结论

通过上述计算分析发现，河北南网既有PSS在多数方式下能够为系统提供高阻尼，但在丰小方式下为系统提供阻尼不足，存在低频振荡抑制效果不理想的情况，表明既有PSS无法为河北南网提供全运行方式下的低频振荡抑制作用。

通过基于全国联网数据的电网仿真计算分析，发现大规模新能源接入及特高压联网后河北南网出现了新的大区低频振荡模式，现有PSS参数在不同运行方式下为系统提供的阻尼不尽相同，在多数情况下呈强阻尼的PSS在某种运行方式下无法及时有效抑制系统的低频振荡。建议进一步研究适应电网多种运行方式的新型PSS，以增强相关机组及电网的阻尼水平，防止大电网低频振荡事故的发生。