基于暂态功角弱稳定模式的紧急控制技术分析与研究

钟当书 蒙飞

（国网宁夏电力有限公司调度控制中心 宁夏回族自治区银川市 750001）

宁夏新能源资源丰富，2010年，宁夏被确定为全国首个国家新能源综合示范区。2013年初，宁夏新能源装置总量不足300 万千瓦，随着国家相关新能源政策出台，2014年进入高速发展时代，2014年底，宁夏新能源装机已经超过690 万千瓦，同年，首次出现新能源限电。2015年，新能源装机规模已经达到1128 万千瓦，成为第一个新能源发电超过用电负荷的省级电网，新能源消纳能力逐年下降，截至2020年，宁夏新能源已经突破2000 万千瓦，新能源装机比例达到46%，成为省内第一大电网，如何实现新能源高效消纳已经成为制约新能源发展的主要技术难题；如何保障跨区直流线路的安全稳定运行，拓展跨区消纳空间，防止电力事故下新能源大面积脱网，实现大面积脱网或者系统故障时紧急控制，已经成为当下电网攻关的技术性难题。

当多直流输电电网存在多个机组同时运行的情况时，如果此时发生严重的电网事故，这些运行的机组将会受到不同程度的干扰，多个协调性较差的机组群之间会发生相对运行，运动情况随时间的变化而变化，失稳模式会由原来的非主导模式变为主导模式，导致大量的机组脱网，引发连锁性故障，破坏电网频率的稳定性，进而破坏电网的暂态安全稳定。针对上述问题，本论文结合该领域前沿学术，着重解析了互动模式下的稳定性问题以及相对运行特性的机组群之间的稳定性问题，通过对弱稳定模式原理的分析和研究，为多直流送端电网的安全稳定运行提出新的概念，从而保证输电线路的安全稳定运行及进一步拓展跨区新能源消纳空间。

1 弱稳定模式演化原理

电力系统同时有n 组发电机处于开机状态时，输电线路或者电网或者严重故障，会导致电网暂态稳定鄱湖，假如在场景C 的故障现象下发生暂态功角失稳。其运行方程表达式如公式（1）：

式中：Mk为机组惯量；δk为功角；Pmk为原动机功率；Pek为电功率。

图1：紧急控制示意图

图2：弱稳定模式识别步骤

图3：弱稳定模式算法流程

公式（3）中，失稳轨迹δi为实际轨迹动态鞍点δDSP；稳定轨迹δi为虚拟动态鞍点δVDSP。

图1 中，用矩形表示二维的稳定与边界，上下边侧表示Zi模式的稳定域边界，左右侧边表示Zj模式的稳定域边界，浅色矩形代表原稳定域，深色矩形代表控制后的稳定域。

2 弱稳定模式的辨别方法

由图2 可以看出，假如同向调节群数量不断增多，将会在电力系统中出现更多的暂态功角弱稳定模式，通常情况下，这些调节群时不确定的，随机性很强，很男计算，需要经过大量复杂的运算才能得到结果，如果互补群的划分是确定的，IEEAC 算法可以快速计算出系统稳定裕度。

3 紧急控制初始启动值确定

电力系统扰动范围以及暂态稳定性与输电线路输送的有功功率成正比关系，即故障越严重，系统扰动越大，对暂态稳定性的影响越严重。这种情况下就需要更大的控制量及更先进的控制算法。因此，以故障设备故障前输送功率某一时刻作为控制量的初始预估值，由于紧急控制具有离散型，所以，可基于控制措施的排序和最小过切原则搜索到大于DP0的措施作为紧急控制的初始措施。

其中，Pcont为故障设备故障前时刻的有功功率；α 为比例常数，根据工程经验可取0.2～0.5。

动态灵敏度指标：

为了反应暂态功角稳定紧急控制的灵敏度，引入了动态灵敏度指标概念，以切机为例，动态灵敏度指标公式如下：

4 暂态稳定紧急控制搜索策略

弱功角暂态稳定首先根据动态灵敏度对调节群进行排序，组成一组规则数据，然后对这组数据进行不断的迭代搜索，在搜索的过程中，为了防止丢失公式的最优可行解，每一次迭代搜索将会切除动态灵敏度较大的发电机机组，然后重新开始迭代搜索，最后将得到的可行解进行时域仿真校验，如果系统稳定保存计算结果并退出，如果系统不稳定或者主导失稳模式不改变，则继续迭代，λh值不变，最终获得最优解；否则搜索策略重新按公式（5）计算动态灵敏度指标，λh重新赋值为0.2。

5 算法流程

弱稳定模式的算法流程比较简单，首先识别故障前运行方式下系统的弱稳定类型，再通过迭代算法计算暂态过程动态灵敏度指标，从而确定当前运行工况下紧急控制措施，再通过实时仿真判别系统是否稳定或流程是否无条件终止，具体算法流程如图3。

6 弱稳定模式下的紧急控制措施在电网的应用

电力系统仅仅控制措施相对较多，在源网荷侧都有不同的一种或者多种控制手段，发电机侧控制手段包括切机组、关闭汽轮、快速调节发电机组出力以及发电机励磁仅仅控制等，而负荷端的紧急控制措施有负荷批量精准控制、负荷转移、无功设备投退等，而多直流的输电线路发生故障时的紧急控制措施比较少，常用的办法是HVDC 控制技术和电力系统解列，这些控制措施只能顾此失彼，保证总体电网的安全稳定运行，以牺牲电量换取电力系统的安全稳定，尤其是宁夏作为直流大送端电网，严重制约新能源跨区高效消纳，而基于弱稳定模式的紧急控制措施很大程度上解决了大面积拖网事故的发生概率，保障了输电线路的安全性，拓展了新能源的消纳空间。现阶段，宁夏电网已经形成±660kV 银东、±800kV 灵绍、±800kV 昭沂三条直流外送通道，该技术已经在三条直流线路中应用，实践表明，该技术应用以来，输电线路在电网发生故障时闭锁次数明显降低，大大提高了功率输送能力，为宁夏新能源产业的高质量发展做出较大贡献。

7 总结

本论文为新能源基地直流外送电网暂态安全稳定紧急控制优化决策提供一整套解决方案。兼顾首摆稳定性与功率振荡恢复速度的双目标紧急控制策略优化搜索方法。

（1）本论文详细阐述了暂态弱稳定模式的原理及算法，提升了输电线路在故障状态时的紧急控制措施，保证了输电线路的安全稳定运行。

（2）本论文对多直流送端电网的输电安全性给出一定的指导意见，促进跨区直流线路新能源消纳具有一定的指导作用。