張安安 黃維維 杜振華 李紅偉 吳華兵

(1. 西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院 四川成都 610500； 2. 中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司 天津 300457)

海洋平臺(tái)微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評(píng)估*

張安安1黃維維1杜振華2李紅偉1吳華兵1

(1. 西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院 四川成都 610500； 2. 中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司 天津 300457)

針對(duì)海洋平臺(tái)微電網(wǎng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了海洋平臺(tái)微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評(píng)估方案，對(duì)海洋平臺(tái)微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題進(jìn)行了分析研究。以渤海地區(qū)某海洋平臺(tái)微電網(wǎng)為例，綜合應(yīng)用特征值法和L指標(biāo)法識(shí)別出了海洋平臺(tái)微電網(wǎng)的電壓薄弱節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的電壓薄弱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度的評(píng)估，分析了該系統(tǒng)的電壓運(yùn)行水平；最后根據(jù)該平臺(tái)微電網(wǎng)搭建仿真模型，在考慮典型故障場景下進(jìn)行了暫態(tài)電壓穩(wěn)定性分析，比較其時(shí)域仿真結(jié)果與靜態(tài)評(píng)估結(jié)果，驗(yàn)證了方案的有效性。本文研究可為有效監(jiān)測海洋平臺(tái)微電網(wǎng)電壓運(yùn)行情況，提高電壓的運(yùn)行質(zhì)量等方面提供一定的借鑒意義。

海洋平臺(tái)；微電網(wǎng)；電壓穩(wěn)定性；L指標(biāo)法；特征值法；PV曲線法；QV曲線法

海洋平臺(tái)微電網(wǎng)[1]作為海上工作平臺(tái)的主要供電系統(tǒng)，其供電的穩(wěn)定性直接關(guān)系到海上大型設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)乃至整個(gè)海洋平臺(tái)的正常運(yùn)行[2-3]。海洋平臺(tái)微電網(wǎng)除了一般陸地微電網(wǎng)所具有的供電靈活、能源利用率高、傳輸費(fèi)用低和系統(tǒng)線損小等特點(diǎn)[4-5]外，還因處于海洋這一特殊的環(huán)境而具有自身的特殊性：系統(tǒng)容量相對(duì)有限，一般由容量相同的幾臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行供電；負(fù)載工況的變化比較劇烈，大型負(fù)載的啟動(dòng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大沖擊；系統(tǒng)傳輸線為長距離海底電纜，其電容效應(yīng)較大，對(duì)電網(wǎng)影響明顯；系統(tǒng)的工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，對(duì)電氣設(shè)備的性能造成嚴(yán)重影響，系統(tǒng)維護(hù)成本很高；系統(tǒng)主要使用燃?xì)廨啓C(jī)作為分布式電源，不是傳統(tǒng)意義的無污染能源等[6-7]因此，海洋平臺(tái)微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題較為突出[8]。

目前國內(nèi)外學(xué)者研究重點(diǎn)多在陸地微電網(wǎng)上，雖有部分學(xué)者正在研究海上風(fēng)電的并網(wǎng)運(yùn)行情況，但對(duì)海洋平臺(tái)微電網(wǎng)的關(guān)注還比較少。本文研究正是基于海洋平臺(tái)微電網(wǎng)的特殊性，提出了一套針對(duì)海洋平臺(tái)微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性分析的具體方案，主要分為靜態(tài)和暫態(tài)2個(gè)部分：首先在對(duì)電容效應(yīng)較大的長距離海底電纜進(jìn)行參數(shù)等值計(jì)算的基礎(chǔ)上編寫潮流算例，對(duì)渤海地區(qū)某實(shí)際海洋平臺(tái)微電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估；再考慮燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行情況，結(jié)合該電網(wǎng)的實(shí)際情況在PSCAD/EMTDC軟件中搭建仿真模型進(jìn)行暫態(tài)電壓穩(wěn)定性分析。本文研究可為有效監(jiān)測海洋平臺(tái)微電網(wǎng)電壓運(yùn)行情況，提高電壓的運(yùn)行質(zhì)量等方面提供一定借鑒意義。

1 評(píng)估方案設(shè)計(jì)

1.1 渤海地區(qū)某海洋平臺(tái)微電網(wǎng)概況

根據(jù)我國渤海某海洋平臺(tái)微電網(wǎng)建立仿真模型(圖1)，按照各部分結(jié)構(gòu)和功能的不同，可劃分為11個(gè)平臺(tái)(P1～P11，其中P11平臺(tái)包括7個(gè)井口平臺(tái)和1個(gè)脫水平臺(tái)，這里作為一個(gè)負(fù)荷平臺(tái))。該模型共包含25個(gè)母線節(jié)點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)22～25為發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，其余均為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。

1.2 評(píng)估方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的海洋平臺(tái)微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評(píng)估方案分為靜態(tài)和暫態(tài)2個(gè)部分，其中靜態(tài)部分又分為系統(tǒng)電壓薄弱節(jié)點(diǎn)的識(shí)別和電壓穩(wěn)定裕度評(píng)估2個(gè)部分。由于使用靜態(tài)方法不能實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)的運(yùn)行情況，在靠近電壓穩(wěn)定臨界點(diǎn)處可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定解，并考慮到靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)不一定適用于海洋平臺(tái)微電網(wǎng)，因此選用3種方法進(jìn)行對(duì)比分析。特征值法是基于潮流法中的雅克比矩陣式，當(dāng)計(jì)算出的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的最小特征值λ大于0時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定，等于0時(shí)系統(tǒng)電壓臨界穩(wěn)定，小于0時(shí)系統(tǒng)處于電壓崩潰狀態(tài)[9-10]；L指標(biāo)法也是基于潮流算法中的某些基本參量，根據(jù)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)計(jì)算出的L值小于1時(shí)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，等于1時(shí)系統(tǒng)電壓臨界穩(wěn)定，大于1時(shí)系統(tǒng)電壓崩潰[11-13]。應(yīng)用上述2種方法得到系統(tǒng)的電壓薄弱節(jié)點(diǎn)，然后對(duì)薄弱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載再重復(fù)計(jì)算負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的特征值和L值，直到系統(tǒng)電壓崩潰，繪制出系統(tǒng)最小特征值曲線和L值曲線圖，找到系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定裕度所對(duì)應(yīng)的薄弱節(jié)點(diǎn)的負(fù)載最大值。最后利用PV曲線法和QV曲線法對(duì)薄弱節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定裕度進(jìn)行評(píng)估比較[14]，對(duì)特征值法和L指標(biāo)法評(píng)估結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),通過時(shí)域仿真驗(yàn)證母線的電壓變化情況，并針對(duì)系統(tǒng)的代表性故障進(jìn)行分析。本文設(shè)計(jì)的海洋平臺(tái)微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評(píng)估方案流程如圖2所示。

圖1 渤海地區(qū)某海洋平臺(tái)微電網(wǎng)模型

在對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí)，涉及到輸電線路的電阻、電感、電容等參數(shù)，因?yàn)楹Ｑ笃脚_(tái)微電網(wǎng)的輸電過程是采用長距離海底電纜進(jìn)行，其電容效應(yīng)較大，與陸地電網(wǎng)輸電電纜有很大區(qū)別，不能簡單根據(jù)一般輸電線進(jìn)行等值計(jì)算，計(jì)算時(shí)需要根據(jù)海底電纜實(shí)際情況分別給出各條海底電纜參數(shù)[15]，因此在編寫潮流算例時(shí)應(yīng)根據(jù)長距離海底電纜的特性選擇相應(yīng)的電纜參數(shù)，并在搭建仿真模型中使用該電纜參數(shù)。

圖2 本文設(shè)計(jì)的海洋平臺(tái)微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評(píng)估方案流程

2 仿真分析

2.1 靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析

在圖1所示的海洋平臺(tái)微電網(wǎng)模型中，計(jì)算出系統(tǒng)潮流以及縮減型系統(tǒng)雅克比矩陣后，可得到系統(tǒng)中各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的特征值，如表1所示。從表1可以看出，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)14的特征值最小，因此可判定節(jié)點(diǎn)14為該系統(tǒng)的電壓薄弱節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)14的負(fù)載逐漸增大時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的特征值的變化情況如圖3所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)14的負(fù)載增大至額定負(fù)載的5.2倍，即有功功率和無功功率分別約為9.6 MW和7.2 Mvar時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的特征值發(fā)生跳變，表明系統(tǒng)已達(dá)電壓崩潰點(diǎn)。

表1 渤海地區(qū)某海洋平臺(tái)微電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的特征值

圖3 渤海地區(qū)某海洋平臺(tái)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)14處特征值曲線

同理，根據(jù)得到的系統(tǒng)潮流，計(jì)算出圖1所示的海洋平臺(tái)微電網(wǎng)中各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的L指標(biāo)值，如表2所示。從表2可以看出，節(jié)點(diǎn)14的L指標(biāo)值最大，因此可判定節(jié)點(diǎn)14為系統(tǒng)中電壓薄弱節(jié)點(diǎn)，這與上述最小特征值法的分析結(jié)果一致。

表2 渤海地區(qū)某海洋平臺(tái)微電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的L指標(biāo)值

當(dāng)節(jié)點(diǎn)14的負(fù)荷增加時(shí)，該節(jié)點(diǎn)處L值的變化情況如圖4所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)14的負(fù)載增大至5.25倍額定負(fù)載，即有功功率和無功功率分別約為9.6 MW和7.2 Mvar時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的L指標(biāo)值接近1，表明系統(tǒng)電壓臨界崩潰。

圖4 渤海地區(qū)某海洋平臺(tái)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)14 處L指標(biāo)值曲線

根據(jù)L指標(biāo)法和特征值法可判定圖1所示微電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)14為系統(tǒng)的電壓薄弱節(jié)點(diǎn)，因此，增加薄弱節(jié)點(diǎn)處的負(fù)載，并計(jì)算相應(yīng)電壓值，繪制出圖5所示的PV曲線和QV曲線，其中綠色點(diǎn)和紅色點(diǎn)分別表示節(jié)點(diǎn)14電壓運(yùn)行點(diǎn)和電壓臨界崩潰點(diǎn)，紅色雙箭頭所示的距離即為電壓穩(wěn)定裕度，黑色虛線所示的距離為該算例系統(tǒng)的薄弱節(jié)點(diǎn)電壓可運(yùn)行范圍。

圖5 渤海地區(qū)某海洋平臺(tái)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)14處PV和QV曲線

根據(jù)圖5，節(jié)點(diǎn)14負(fù)載分別約為9.6 MW(有功功率)和7.2 Mvar(無功功率)，若負(fù)載再進(jìn)一步增加則會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)電壓崩潰，這與前面的特征值法和L指標(biāo)法電壓穩(wěn)定裕度的評(píng)估結(jié)果一致，此時(shí)該節(jié)點(diǎn)電壓已降至約0.57 pu。

比較前面3種靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析方法，認(rèn)為L指標(biāo)法在對(duì)海洋平臺(tái)微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定評(píng)估中更穩(wěn)定、簡單、有效，不會(huì)出現(xiàn)特征值法對(duì)薄弱節(jié)點(diǎn)識(shí)別不明和PV曲線、QV曲線法工作量大的情況。

2.2 暫態(tài)電壓穩(wěn)定性時(shí)域仿真分析

2.2.1 薄弱節(jié)點(diǎn)加載仿真驗(yàn)證

從圖5所示的節(jié)點(diǎn)14處PV曲線和QV曲線可以看出：當(dāng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處負(fù)載低于最大限制值有功功率9.6 MW、無功功率7.2 Mvar時(shí)，測試系統(tǒng)可保持穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷超過這個(gè)限制值后，則會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的電壓崩潰。使用PSCAD軟件對(duì)算例海洋平臺(tái)微電網(wǎng)模型進(jìn)行模擬，將其中薄弱節(jié)點(diǎn)14的負(fù)載逐漸增大到最大限制值，得到該節(jié)點(diǎn)的電壓變化情況，如圖6所示。

圖6 渤海地區(qū)某海洋平臺(tái)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)14處電壓隨負(fù)載變化

從圖6可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)14處負(fù)載增大時(shí)，它的運(yùn)行電壓逐漸下降，當(dāng)負(fù)載增大至5倍實(shí)際系統(tǒng)自帶負(fù)載比例時(shí)，電壓已經(jīng)下降到臨界穩(wěn)定值0.57 pu，這與前面靜態(tài)電壓分析結(jié)果基本一致。

2.2.2 負(fù)載的接入、切除對(duì)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

以系統(tǒng)薄弱節(jié)點(diǎn)14為研究對(duì)象，在第5 s時(shí)分別模擬其接入負(fù)載、切除負(fù)載以及負(fù)載故障切除后再過10 s重新接入的情況，以探究系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定特性，仿真結(jié)果如圖7所示。 從圖7a、b可以看出，節(jié)點(diǎn)14在接入負(fù)載或切除負(fù)載時(shí)，其電壓能迅速恢復(fù)穩(wěn)定，系統(tǒng)能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但2個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)間的電壓值變化較大；從圖7c可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)14的負(fù)載發(fā)生故障并被切除后，若能盡快清除故障并接入負(fù)載，則對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響較小，這說明海洋平臺(tái)上主要負(fù)載發(fā)生故障后，若能快速恢復(fù)故障，則對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性沒有太大影響。

圖7 渤海地區(qū)某海洋平臺(tái)微電網(wǎng)薄弱節(jié)點(diǎn)14負(fù)載啟動(dòng)、切除、切除再次接入時(shí)電壓的變化情況

2.2.3 發(fā)電機(jī)故障對(duì)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

模擬P3平臺(tái)上某臺(tái)發(fā)電機(jī)故障，以研究發(fā)電機(jī)故障對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響，仿真結(jié)果如圖8所示。從圖8a可以看出，當(dāng)P3平臺(tái)上某發(fā)電機(jī)發(fā)生故障后，系統(tǒng)薄弱節(jié)點(diǎn)14的電壓不斷下降；從圖8b可以看出，若發(fā)電機(jī)故障后能及時(shí)接入平臺(tái)上的備用發(fā)電機(jī)，可使系統(tǒng)薄弱節(jié)點(diǎn)14的電壓快速恢復(fù)穩(wěn)定。

圖8 渤海地區(qū)某海洋平臺(tái)微電網(wǎng)平臺(tái)P3上某發(fā)電機(jī)故障對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響

2.2.4 平臺(tái)線路故障對(duì)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電平臺(tái)P3(容量43.5 MW，32.6 Mvar)發(fā)生短路故障或海底電纜短路時(shí)，系統(tǒng)薄弱節(jié)點(diǎn)14的電壓變化情況如圖9所示。從圖9a可以看出，發(fā)電平臺(tái)P3發(fā)生短路故障時(shí)，節(jié)點(diǎn)14的電壓不斷下降，經(jīng)過較長時(shí)間后重新到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，但此時(shí)該節(jié)點(diǎn)電壓較低，對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響較大。在這種故障情況下，考慮15 s后快速切除故障或讓該平臺(tái)退出微電網(wǎng)，其電壓變化情況如圖9b、c所示。從圖9b、c中可以看出，快速切除故障或讓故障平臺(tái)退出微電網(wǎng)都能使薄弱節(jié)點(diǎn)14的電壓快速恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，但后者在30 s時(shí)由于系統(tǒng)發(fā)電容量不能支撐系統(tǒng)恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)而產(chǎn)生電壓下降突變，對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。因此，如果發(fā)電平臺(tái)故障比較復(fù)雜，且不能在短時(shí)間解決，那么解列部分平臺(tái)也能夠勉強(qiáng)滿足系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性要求。

圖9 渤海地區(qū)某海洋平臺(tái)微電網(wǎng)平臺(tái)P3線路故障對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響

3 結(jié)論

1) 綜合應(yīng)用靜態(tài)和暫態(tài)電壓穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)了海洋平臺(tái)微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評(píng)估方案，靜態(tài)、暫態(tài)仿真結(jié)果都驗(yàn)證了方案的有效性，為海洋平臺(tái)微電網(wǎng)的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)等方案提供了參考。

2) 研究發(fā)現(xiàn)最小特征值法在判定系統(tǒng)薄弱節(jié)點(diǎn)時(shí)針對(duì)性不夠，而L指標(biāo)法能有效應(yīng)用到海洋平臺(tái)微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評(píng)估和分析中，且指向明確，應(yīng)用更加簡單，因此可以將L指標(biāo)作為海洋平臺(tái)微電網(wǎng)運(yùn)行情況的監(jiān)測指標(biāo)之一。

3) 薄弱節(jié)點(diǎn)(平臺(tái))負(fù)載的變化對(duì)系統(tǒng)影響較大，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮預(yù)留足夠的功率裕度。

4) 發(fā)電平臺(tái)故障對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響較大，若能在較短時(shí)間內(nèi)使該平臺(tái)重新應(yīng)用或接人另一個(gè)平臺(tái)電網(wǎng)，則系統(tǒng)能快速恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，因此應(yīng)考慮將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為環(huán)網(wǎng)狀，以提高其可靠性。

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(編輯：呂歡歡)

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

*國家自然科學(xué)基金青年基金“自律分散的電壓/無功協(xié)調(diào)控制機(jī)理與方法研究(編號(hào)：51107107)”、中國博士后基金“源-荷協(xié)同的離岸電氣系統(tǒng)混合博弈發(fā)電機(jī)理及方法研究(編號(hào)：2014M562335)”、四川省教育廳科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(自然科學(xué))資助項(xiàng)目“海上電氣系統(tǒng)智能監(jiān)測與安全控制(編號(hào)：15TD0005)”部分研究成果。

張安安，男，副教授，2010年畢業(yè)于四川大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位，主要從事電壓無功優(yōu)化、海上電氣系統(tǒng)控制等研究工作。地址：四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)(郵編：610500)。E-mail:ananzhang@swpu.edu.cn。

黃維維，女，西南石油大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事電氣傳動(dòng)與控制研究。地址：四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)(郵編：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

張安安，黃維維，杜振華，等.海洋平臺(tái)微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評(píng)估[J].中國海上油氣，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.