一次調頻對電網頻率特性影響及頻率相關穩控措施研究

胡立錦，楊永全，常喜強，張新燕，姚秀萍

(1.重慶電力公司建設分公司重慶 410021;2.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047;3.新疆電力調度通信中心，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

隨著電網跨區域互聯、直流輸電容量的不斷增加以及風能、核能等電源的飛速發展，相對降低了電網的自調節能力，大規模接入的風電機組甚至引入了額外的隨機功率擾動，使電網穩定性進一步惡化。合理規范并分析發電機組一次調頻主要技術指標變化對電網頻率特性的影響，保障機組良好的一次調頻能力，對電網的安全穩定運行和未來智能電網環境下的優化調度具有重要的意義［3-5］。

近年來，對發電機組一次調頻特性的研究多集中在對一次調頻能力在線估計［4］的試驗研究［5］和對一次調頻穩定性的研究等兩方面。文獻［6］中針對單機不穩定機組并網后可能穩定這一現象進行了動態分析，證明了當電網有足夠的一次調頻穩定儲備時，單機不穩的機組并入電網運行時，其自身的不穩定隨之消失，但在一定程度上降低了電網的一次調頻穩定性。文獻［7］理論分析了調差系數設置與電網頻率穩定性和調頻能力的關聯關系。文獻［8］闡述了機組一次調頻應具備的特征，并以此為基礎給出了評價機組一次調頻性能的4個指標;討論了有效擾動的必備因素，自動發電控制對一次調頻效果評價的影響及處理方法等問題。

這里以靜態評價方法為基礎，具體分析發電機組一次調頻主要技術指標變化對電網頻率特性的影響，尋找調差系數、頻率偏差死區和負荷調節范圍等因素與電網頻率的關系，并以某地區實際運行電網為例建立仿真模型，參考電網具體要求進行仿真分析，對電網發電機組一次調頻系統的參數設置提出建議。

1 一次調頻基本原理

現代發電機組調節系統的控制回路一般如圖1所示，其中δ為機組的轉速不等率(亦稱調差系數)。正常情況下，當電網的頻率在給定的死區范圍內時，機組將嚴格按照AGC或手動負荷指令控制發電機組的出力。一旦電網出現負荷擾動，不平衡的功率將促使頻率快速變化，當電網頻率越過死區范圍時，一次調頻回路投入運行，同時將根據轉速不等率的設置，改變機組的出力，維護電網的穩定和平衡。圖2為發電機一次調頻的作用圖，當功率波動為PL→PL2→PL1時，平衡運行點變化為a→b→c→d。

圖1 機組調節控制系統框圖

圖2 電力系統的功率-頻率關系

2 一次調頻指標對電網頻率特性影響分析

2.1 頻率偏差死區作用分析

調速系統設置死區有兩個用途:其一是當設置的死區較小時，可以過濾轉速小擾動信號，使機組功率穩定;其二是當設置死區較大時，使機組不參與電網一次調頻，只帶基本負荷。調速器死區設置過小及過大都是不合理的，死區過小，輕微的頻率偏差都會引起調速器動作，導致機組頻繁調節;死區過大，即使發生較大功率缺額時調速器也不動作，將影響系統一次調頻。當頻率偏差超過死區邊界時，調頻死區估計值為

當頻率偏差重歸死區邊界時，調頻死區估計值為

考慮調頻指令信號的延遲因素，一般定義ΔfD與Δfd的加權平均值作為系統實際死區值以配合調速器死區設定。

所謂痕跡(trace)是指事物存在或事情發生后留下的標記或印跡[1]。痕跡管理(Managemen By Marks MBM)，顧名思義，就是要把所有的管理都體現于痕跡，把工作的每一個步驟都留有痕跡，即使是小小的一個環節都要留有痕跡，以便以后有證可查[2]。痕跡管理就是在各種管理工作過程中，從時間和管理內容方面。留下無間隙或無空白、死角的縝密的工作記錄，包括交接班記錄和相關活動的證據[3]。

2.2 調差系數作用分析

發電機隨電網頻率波動發出功率的單位變化量為單位調節功率，其倒數即為調差系數，用δ表示，即

當單臺機組在同一同步器下運行時，轉速由初始值n0變為額定值nN的變化量與額定值nN比值的百分比為系統的調速不等率，可以推導得出調速不等率在數值上等于調差系數。

對于復雜的電網系統調差系數決定了系統頻率與負荷之間的關系，對系統中各發電機組進行等值可得

在電網出現負荷擾動時，較小的δ可以獲得調頻機組較大的功率支持，但不利于機組自身的穩定;反之較大的δ不利于電網應對突發擾動或事故時的頻率穩定，但有利于機組自身設備的穩定運行。實際中需考慮機組響應一次調頻指令的程度和出現功率超調而過分低估或高估調速不等率δ數值的情況對計算結果精確度的影響。

2.3 負荷調節范圍影響分析

設置機組一次調頻最大幅度是因為快速大幅度變負荷危及到機組的安全運行。對于燃煤發電機組，機組通過調速器(DEH)快速一次調頻變負荷的最大幅度應通過試驗確定，主要以汽輪機調門快速變化時主蒸汽壓力、溫度等與機組安全運行參數的允許變化幅度和速率為依據。而對于已投入AGC控制回路的系統在系統發生擾動時，往往容易引起AGC指令的變化，使機組的一次調頻動作與AGC指令變化的響應疊加在一起，此時還應考慮AGC指令對系統的影響。

3 仿真實例分析

某地區孤立電網結構如圖3所示，電網通過220 kV新邵陽變電站與主電網相連。地區電網夏季外送極限方式下，外送功率為130 MW，占全網發電負荷比例為15.7%;冬季受電極限方式下，輸入極限功率130 MW，占全網發電負荷比例為14.9%。

圖3 某地區電網結構圖

兩個極限方式下，如果不考慮系統低頻減載和低壓減載措施，在發生城東—新瑪電線路三相短路跳雙回線故障后，當火電機組轉速不等率、調頻死區、調頻負荷范圍采用不同定值時，仿真并分析孤網頻率及發電機原動機功率變化情況。

3.1 調差系數對系統頻率特性的影響分析

調差系數是反映機組調頻能力的重要指標，既反映了機組一次調頻能力的強弱，又表明了穩定性的好壞。調差系數越大，機組對電網的調頻能力越小，機組運行越穩定;調差系數越小，機組對電網的調頻能力越強，但機組運行的穩定性差。當調差系數一般設置為3%～6%變化時，得到系統穩定計算曲線如圖4、圖5所示。

受電極限方式下，從圖4中可以看到，如果火電機組調差系數取為3%，則機組功率會產生較大的過調，頻率上升超過51.5 Hz，導致發電機OPC保護動作，系統頻率恢復時間較長，穩定性較差。火電機組調差系數取為5%或者6%，對系統頻率的調節能力和調節過程相差不大，系統恢復頻率均在49.5 Hz以上。

圖4 受電極限方式機組調差系數對孤網影響曲線

圖5 外送極限方式機組調差系數對孤網影響曲線

外送極限方式下，從圖5中可以看到，如果火電機組調差系數取為3%，則系統頻率波動較大，穩定性較差。火電機組調差系數取為5%或者6%，對系統頻率的調節能力和調節過程相差不大，系統恢復頻率均在50.5 Hz以下。

3.2 調頻偏差死區對系統頻率特性的影響分析

圖6 受電極限方式機組死區設置對孤網影響曲線

圖7 外送極限方式機組死區設置對孤網影響曲線

不同死區設置仿真曲線如圖6、圖7所示。電網機組目前實際調速器死區設置分別為5轉(天河機組)和2轉(其他機組)。由圖6、圖7中可以看到，參照該地區電網一次調頻管理規定，孤島電網機組調速器死區設置為2轉(電液型)或者6轉(機械、液壓)，對發電機功率調節和孤網頻率變化影響都不大。因此，目前機組的實際設置可繼續采用，若進一步調查及核實天河機組的調速器類型和死區設置，還是能在一定程度上改善電網性能。

3.3 負荷調節范圍對系統頻率特性的影響分析

圖8、圖9為不同運行方式下改變一次調頻限幅比例電網影響曲線。

圖8 電極限方式機組限幅對孤網影響曲線

圖9 外送極限方式機組限幅對孤網影響曲線

電網受電極限方式下，如果一次調頻向上限幅10%，則發生聯絡線斷開故障后，即使全部機組功率全部上調10%，仍然不能彌補電網功率缺額，孤網頻率將停留在47 Hz以下，還需要采取低頻減載措施才能保證系統頻率穩定。外送極限方式下，如果一次調頻向下限幅10%，則發生聯絡線斷開故障后，即使全部機組功率全部減少出力10%，孤網仍有剩余功率，系統頻率最高大于52 Hz，將引發電機OPC保護動作，因此還需要采取高周切機措施防止OPC動作以及使系統頻率恢復。

從圖8中可以看到，設置較大的一次調頻限幅，可以在較大范圍內調節機組功率，有利于系統頻率的恢復。極限方式下，電網機組限幅20%可以滿足孤網對系統頻率調節的需求。但電網目前除天河電廠外，其他火電廠發電機組大都為供熱機組，在考慮供電的同時，需保證穩定的供熱，因此一次調頻幅度不能設置的過大;非供熱火電機組受鍋爐蓄熱能力限制，向上調頻幅度亦不能過大。

圖10 機組限幅對天河系統影響曲線

天河電廠只通過1條220 kV線路接入系統，發生單機帶天鋁負荷的可能性較大，且在此情況下，只有通過調節天河機組出力，才有可能保證天鋁負荷的供電并維持單機帶負荷系統的頻率在正常水平。圖10為發生天河—綠洲220 kV線路三相故障后，在天河機組采用不同限幅定值下單機帶負荷系統的頻率和機組出力變化情況。從圖中可以看到，當天河機組向下限幅整定為20%時，由于壓出力速度較慢，孤網初始頻率波動最高值超過55 Hz，機組OPC保護將動作立即關停機組;當天河機組向下限幅整定為50%時，孤網初始頻率波動最低值又低于49 Hz，如果天鋁廠內配置低頻減載裝置，則部分負荷將被低頻切除;當天河機組向下限幅整定為30%時，孤網頻率波動最高53.5 Hz、最低49.1 Hz、穩態值約在50.5 Hz，能夠滿足系統對頻率的要求，同時波動過程中又不致引起穩控裝置的動作，但需要引起注意的是，在單機帶負荷運行情況下，天河機組OPC保護的51.5 Hz保護功能不能夠投入，否則OPC反復動作，孤網頻率最低到30 Hz以下，天河機組不能夠帶負荷穩定運行。

4 結論

電網能源結構、地理布局、運行方式、機組參數等的多元化使得電網頻率特性的可控性和可預見性大幅降低，對電網頻率特性及其主要影響因素進行研究具有不可言喻的必要性和價值。從影響頻率特性的一次調頻方式入手，討論和分析不同一次調頻評價指標對電網頻率特性的影響規律，結合某地區實際電網仿真并得出以下結論。

(1)調差系數較大時頻率下降較大，調速系統能調出的有功功率較少，系統的穩定性較好，調差系數設置過小容易引起系統波動加劇，不利于系統恢復穩定，在滿足系統其他參數整定的前提下可以適當調高調差系數以優化系統頻率響應程度。

(2)死區設置對電網頻率特性影響較小，一般滿足設置:電液型汽輪機調節控制系統的火電機組和燃機死區控制在±0.033 Hz(±2 r/min)內;機械、液壓調節控制系統的火電機組和燃機死區控制在±0.10 Hz(±6 r/min)內;水電機組死區控制在±0.05 Hz內。若要進一步提高死區設置的準確性需根據當地電網實際和相關技術標準進行試驗整定。

(3)燃煤機組由于鍋爐蓄熱能力有限，燃燒調整需要較長時間，在加負荷方面以6% ～10%為宜;當不平衡功率超過一次調頻負荷上限，通過低周減載保證電網頻率在允許范圍。在減負荷方面可以將一次調頻下限設置為-50%，防止OPC反復動作造成機組和電網振蕩;若不平衡功率大于50%，還應采用其他電網穩定措施。

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