調速系統對孤網頻率穩定性影響分析

任 華，姚秀萍，，常喜強，周 專

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047;2.新疆電力調度通信中心，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

隨著中國經濟的發展，中國的電網規模在不斷擴大，區間聯網送電規模也在不斷增大，這有利于對各地區自然資源合理利用，大力發展清潔能源。但區間聯絡線由于輸電走廊限制等原因相對較弱，一旦發生解列事故，容易形成送端(受端)孤立電網，將導致局部系統功率嚴重失衡，送端電網功率大量剩余，而受端電網功率嚴重缺額，系統的頻率穩定問題就會凸顯出來［1-3］。

常規機組的調速系統對系統頻率穩定性有很大的影響。當系統功率發生變化時常規機組調速系統動作使頻率穩定在一定范圍［4］。現以新疆阿勒泰地區電網為研究對象，分析調速系統調速特性以及調速系統對孤網頻率穩定性的影響，得出孤網中不同容量機組調速系統對孤網頻率影響不同;水電機組調速系統和火電機組調速系統對孤網頻率影響不同;不同容量水電、火電機組調速系統之間的配合對孤網頻率影響不同。運用PSASP仿真驗證了相關結論。對實際電網運行、水電和火電機組調速系統之間的配合具有重要的參考價值。

1 電力系統頻率調節過程

電力系統功率頻率特性是指系統有功功率不平衡時頻率的變化特性，它是負荷頻率特性、發電機頻率特性以及電壓影響的綜合結果。

電網中有功功率和頻率相互影響，當系統中有功功率不平衡量為ΔP時，系統中的頻率變化量Δf可表示為

若系統中的發電機和負荷同時參與系統頻率調節，則系統的單位調節功率(Ks)可表示為

式中，KGi為某臺發電機的單位調節功率;KLj為電網中負荷類型的單位調節功率。

在電網負荷發生變化時，依靠發電機的調速器以及負荷的調節效應的共同作用而使電網在新的頻率下穩定運行［5-6］。電網頻率調節過程如圖1所示。

圖1 電網頻率調節示意圖

如圖1所示，電網正常穩定運行在a點，此時電網功率平衡。當電網中負荷從PL變為PL1時系統將出現功率缺額，導致發電機轉速下降，從而使系統中的頻率下降。若系統中常規機組調速系統沒有投運，系統中發電機組出力保持不變，系統中只能通過負荷調節效應穩定在b點，系統中的頻率將大幅下降。在有調速器的情況下，調速器和負荷調節效應同時參與消除出現的功率缺額。調速器動作增大發電機組出力，頻率降低使得負荷有功功率PL減小，最終穩定在c點，系統頻率穩定在合理的范圍內。

2 機組一次調頻的調節機理

調速器是通過改變發電機的蒸汽汽流(或進水量)使之滿足發電機的轉速調節需求，從而達到功率調節的目的。根據自動調節原理，通過轉速反饋來實現閉環控制，方法即為測量轉速，將其放大后反饋到輸入端并與給定值作比較來控制調節汽閥行程的大小，從而改變蒸汽流量，實現控制轉速的目的。轉速調節系統的框圖如圖2所示。

圖2 轉速調節系統框圖

在閉環控制系統中，調速系統根據給定值和實際值的偏差進行調節。由于反饋回路的存在，若實際輸出值不等于給定值，調節系統將進行調節，直到給定值與實際輸出值基本相等為止。圖3為火電機組調速器控制系統框圖。

圖3 調速器控制系統框圖

電網中參與系統頻率調節的機組有水電機組調速系統和火電機組調速系統。當系統有功功率平衡遭到破壞，引起頻率變化時，原動機的調速系統將自動改變原動機的進汽(水)量，相應增加或減少發電機的出力。

3 仿真分析

阿勒泰電網目前通過雙回97 km的220 kV豐泉一、二線和單回128.97 km的110 kV托鐵線(正常方式下斷開備用)與主網相連。阿勒泰地區電網公司所屬發電廠總裝機容量為1048 MW，其中火電600 MW、水電250 MW、風電198 MW。阿勒泰地區總負荷為283.4 MW。阿勒泰電網地理接線示意圖如圖4所示。

圖4 阿勒泰電網地理接線示意圖

圖5 全部調速系統不參與時特征曲線

賽爾電廠(2×300 MW)投運之后，正常情況下阿勒泰電網將通過豐泉一、二線向主網輸送功率。現以阿勒泰電網為研究對象，仿真220 kV豐泉一、二線發生永久性斷線，阿勒泰電網將與主網解裂孤網運行，分析孤網內各調速系統對孤網頻率穩定性的影響。

3.1 方案1

220 kV豐泉一、二線發生永久性斷線后，阿勒泰電網將出現功率富裕，孤網內頻率將上升，安全自動裝置動作切除部分機組。假定孤網內所有機組的調速系統不參與一次調頻。網內頻率變化只能通過切除機組和負荷調節效應來調節。而負荷調節效應只能在小范圍內調節，此時只能通過安全自動裝置動作切除機組，使功率平衡、頻率穩定在合理范圍內。圖5為切除孤網內部分機組出力后孤網內頻率和各機組出力曲線。

圖6 水電機組參與，火電機組不參與時特征曲線

由圖4可知，若孤網系統中所有機組調速系統不參與調節時孤網內安全自動裝置動作切除過剩的功率。在所有機組調速系統不參與調節時系統中的頻率不會發生大的波動，孤網內只能通過安全自動裝置以及負荷調節效應使系統中的頻率穩定在合理范圍內［8］。同時各機組出力只在解網時一個大的波動很快恢復到原始出力保持出力不變。但是由圖4可以看出，安全自動裝置切多余的功率全部為火電或切水、火電時孤網內的頻率不相同，在切同樣多的功率情況下切火電最后穩定頻率要比切水、火電的要低且波動要大。

3.2 方案2

假定網內水電機組調速系統參與系統頻率調節，而火電機組調速系統不參與系統頻率調節。孤網內頻率變化，通過安全自動裝置切除部分過剩功率，其他過剩功率通過水電機組調速系統和負荷調節效應同時參與調節使孤網內頻率在合理范圍內波動。圖6為安全自動裝置動作切除機組部分出力后孤網內頻率及水、火電機組出力的仿真曲線。

從圖6可以看出，水電機組調速系統參與調節，火電機組調速系統不參與調節時，孤網內頻率會產生波動，最高頻率達54.5 Hz，最低頻率為48.2 Hz。水電機組出力在額定出力以下波動，而火電機組出力在額定出力以上波動。由此可得水電機組調速系統在調節系統頻率的同時引起系統中火電機組出力的波動。

圖7 水電機組不參與，火電機組參與時特征曲線

3.3 方案3

假定水電機組調速系統不具有調節效應，而火電機組調速系統具有調節效應。孤網內頻率變化，通過安全自動裝置切除部分過剩功率，其他過剩功率通過火電機組調速系統和負荷調節效應同時參與調節使孤網內頻率在合理范圍內波動［9-10］。圖7為安全自動裝置動作切除機組部分出力后孤網內頻率及水、火電機組出力的仿真曲線。

從圖7可以看出，火電機組調速系統參與調節，水電機組調速系統不參與調節時，孤網內頻率會產生波動，最高頻率達50.45 Hz，最低頻率為49.89 Hz。水電機組出力為額定出力，而火電機組出力在額定出力以下波動。對比圖6和圖7可得，火電機組調速系統對孤網頻率調節能力強，對孤網的沖擊影響比較大。

3.4 方案4

假定水電機組調速系統、火電機組調速系統都參與孤網頻率調節。孤網內頻率變化通過安全自動裝置切除部分機組出力、水電機組調速系統、火電機組調速系統和負荷調節效應來共同調節。圖8為安全自動裝置動作切除機組部分出力后孤網內頻率及水、火電機組出力的仿真曲線。

圖8 全部調速系統都參與時特征曲線

由圖8可以看出，當孤網中所有機組調速系統都參與頻率調節時，孤網內頻率波動特別大。孤網內所有機組調速系統都參與頻率調節有可能導致機組調速系統調節過度，使孤網內頻率下降特別厲害引發低頻減載裝置動作。

通過對孤網內調速系統有沒有參與孤網頻率調節仿真分析，可以得出孤網運行時系統中的頻率變化只能靠穩控裝置動作以及負荷調節效應來使系統中的頻率穩定在一合理范圍，但是此時系統對頻率調節能力非常差。通過仿真對比分析水電機組調速系統與火電機組調速系統對孤網頻率穩定的影響，可以得出孤網中水電機組調速系統能快速地響應系統中的頻率變化，但是孤網水電機組調速系統參與系統頻率調節時系統中的頻率波動比較大，而火電機組調速系統能使系統頻率很快穩定在一合理范圍。孤網內水電和火電機組調速系統同時參與系統頻率調節時可以提高系統對頻率的調節能力，兩者能夠彌補之間的不足。

4 結論

通過對阿勒泰電網仿真分析可得在孤網運行時調速系統對孤網頻率穩定性影響比較大。當地區電網中大部分負荷是由水電機組供應時，由于水電機組調速系統的動態反調特性影響使地區電網與主網解列后的頻率穩定性降低。應盡快在地區電網內建設火電機組，利用火電機組一次調頻作用中和水電機組動態反調特性，提高地區電網與主網解列后頻率穩定性。孤網內各水電機組都參與頻率調節時能快速響應系統中頻率的變化，但是孤網內頻率波動較大。在安排電網運行方式進行時，因考慮孤網時頻率受水電和火電機組調速系統的影響不同，合理安排機組的運行方式。

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