微电网负荷振荡故障分析
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作者:宋永彬 乔亚军
摘 要：某海域常年稳定运行微电网，随着近年周边平台陆续接入，微电网扩容后运行稳定性逐渐减弱，某天突发负荷较大幅度波动引发全网振荡，该故障暴露出电网隐患常年存在，并且逐渐恶化直至威胁安全生产，引发深层次技术思考。本文从技术层面深入探讨故障原因，通过动力系统的暂态稳定性数学模型理性分析，最后提出彻底解决该问题多种途径。
关键词：励磁控制 燃料控制阀 电网振荡 阻尼作用 微电网
某油田群为提高电力供应稳定性，组建海上平台微电网系统。电力系統包含4个动力平台12台双燃料12MW单轴机组及4台10MW双燃料双轴机组。油田群区域内20多座平台通过海底动力电缆完成电力系统组网。组网机组的运行模式经过多次专家讨论，全部机组采用有功有差和无功有差方式并列运行，增设一套微电网管理系统。各平台机组原有无差控制模式的有功自动平衡和无功横流补偿全部退出。电网管理系统投用10年，电网承受多次故障冲击，基本运行稳定。
1 故障描述
2019年7月底开始动力平台在网10MW双轴组机A负载瞬间波动冲击到电网，10MW双轴机组BC在承接负载后造成直接关停，振荡波及电网，持续40多分钟仍然无法停止，电网操作人员将A机组减载退出电网，振荡随即衰减直至消失，电网恢复稳定，如图1。故障期间电网10台发电机在网，6台备用（维护）。油田总负载约75MW，按照电网额定容量计算，每台机组带载率为64%，总旋转余量为12×8+10×2-75=41MW。A机负荷波动幅度2MW～8MW间，对整个电网容量的冲击并不大，远没有超出正常电网的承担能力，电网振荡是隐藏问题的暴露。
2 理论分析
在一个典型互相连接的发电动力系统内，在不考虑极性、变频、减速齿轮等因素的情况下，所有同步发电机的转子都旋转于相同的平均转速。发电机输出上网的电能与原动机提供的机械能对等。在理想稳定工况下输出的电能与输入的机械能保持平衡。原动机输入到发电机转子的机械能等于力矩和转速的乘积，并且力矩的方向为转子的旋向，但施加在发电机转子上的电力矩是转子旋转的反向。当电力系统由于故障或负载冲击会造成发电机输出的电能发生变化。发电机侧电能变化相对原动机侧机械能的改变通常要快速的多。由于这个差异造成对频率/转速的不同响应，会瞬时打破上述电能和机械能的平衡。力矩的不平衡将造成转子向不平衡方向加速或减速以达到新的平衡状态。在此过程中，如出现其他的瞬态干扰，则可能出现干扰叠加造成系统振荡。
数个发电机并列的动力系统的暂态稳定性可以用典型的数学模型动力系统模拟表示，如图2所示。每一个重量都是一个发电机和原动机系统的转动惯量。任何一个节点的扰动都会造成整个系统的振荡（见图3）。由于系统的阻尼作用，在下一次干扰发生前振荡会最终平衡。振荡的频率与系统中的重量和阻尼相关，所以不同系统的固有振荡频率是不一样的。如果干扰持续不断的存在于某个节点，并且每次干扰发生于上一次干扰导致系统振荡且未完全恢复之前，则系统会在一定的阻尼因素下持续振荡，并且随干扰的强度和频率变化。如果干扰的频率与系统固有频率恰好一致，则会造成振幅叠加，严重的情况会造成系统走向临界状态。
同理，故障或负载冲击可以看作是一个对孤立的电力系统的瞬态干扰，会打破发电机的输出电能和输入机械能的平衡，造成孤立电力系统本身的振荡。另外，与典型的模拟动力系统不同，每个发电机本身的惯量是动态的自身控制平衡，即是潜在的对系统的干扰来源之一。由此可知每个发电机的状态都对系统的影响是很大的。在实际电网中还有由于励磁系统对电机转子激励和转子力矩同步响应的滞后会对功率输出产生的小信号干扰。小信号干扰会一直危害系统的稳定性，通常会发生在相邻机组之间，或不同母排的两组或数组机组之间，频率大致在0.7～3Hz范围。如果小信号造成的振荡与如上瞬态干扰造成的系统振荡叠加，同样会加剧破坏系统的稳定。所以综上所述，本次电网振荡是由于A机的负载波动冲击造成的瞬间干扰破坏了系统的稳定性，在阻尼作用下系统恢复稳定之前，其中在网的其他机组由于接载失衡，随即自身控制产生波动变成干扰来源，对系统进一步干扰导致微电网发生振荡。
3 故障处理探讨
由于微电网多年运行，先后有多个批次平台接入电网。固有运行特征发生变化，当有功负荷较大，在容性负荷情况下，阻尼力矩变为负阻尼，易发生系统低频振荡。联络线负荷增加，阻尼减弱，故此低频振荡都在联络线负荷较大时发生，削弱输送功率利于电网稳定。如果电网感性负荷较大，功角会减小，阻尼增大，利于系统稳定。本次对故障机组减载直到退网，负荷振荡立即消失就是这个道理。
因电力系统及自动化技术革新，数字化励磁控制器、机组控制系统以及燃料控制阀产品迭代使得系统时间常数大为减少，从而降低了电力系统的阻尼特性。当功角较大，励磁将提供阻尼，当励磁增益在一定范围内增加时候，负阻尼将会增大，励磁时间常数及转子绕组时间常数越小，负阻尼越大。弱化励磁系统响应，利于提高系统稳定性。本次处理重新计算了励磁PID参数，使得各机组励磁动态特性更加协调，响应增益有了7倍数量级降幅。
微电网虽配置了一套电网管理系统，但是该系统仅对频率、电压进行二次调节，约为10s调节一次，这种调节只对稳态有效，暂态调节必须依靠机组控制系统和励磁控制系统快速响应。微电网系统机组间相对联系较弱，电力系统弱阻尼特性进一步加剧了系统不稳定性！当联络线一端机组对另一端机组产生相对摇摆，这种振荡式被称区域振荡，其振荡频率在0.2～0.5Hz。微电网机组间联系较弱，系统等效电抗大，功角大，阻尼转矩小，容易发生负阻尼及振荡失步，加强系统联系可以防止负阻尼，这样会增加投资，而且随着电力系统不断拓展，原有电网强联系也会逐渐弱化。当燃料控制阀迭代响应速度显著增加时，会对系统提供负阻尼，在电力系统联系弱化、容性负荷、以及励磁增益过大，阻尼转矩会变负，电力系统不稳定。要想提高系统稳定性，就需要减少负阻尼，增加正阻尼。
同时，要摸清各个机组的负载特性（包括负载调速和励磁调压微电网）是否适合并网运行。合适的负载转速增益要兼顾负载控制漂移（小波动）和负载冲击时的阶跃响应，并与其他在网机组负载特性尽量保持一致，以减少扰动时调节不同步超出正常控制的可能。
参考文献
[1] 李富生，李瑞生，周逢权.微电网技术及工程应用[M].北京：中国电力出版社， 2013.
[2] 吴红霞.微电网关键技术及工程应用研究[J].供用电，2019（4）：1.
[3] 王成山.微电网技术及应用[J].中国电机工程学报，2016（1）：2-17.
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