考慮負荷頻率特性的可中斷負荷切除策略研究

張 曼， 繆源誠， 常寶立， 黃志光， 時艷強

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國家電網有限公司華東分部，上海 200120)

0 引言

隨著潰入電網的特高壓直流規模激增[1-2]，直流閉鎖引起的頻率穩定問題已成為大受端電網面臨的最重大風險之一[3-4]。一方面，單一直流輸電規模不斷提高，電網面臨更大頻率沖擊源的威脅；另一方面，隨著直流受電規模增大，直流對網內常規電源的置換效應進一步加劇，相同功率缺額導致的電網頻率跌落更大，電網頻率特性呈現惡化趨勢。文獻[5—6]分析了直流故障造成大受端電網大功率缺額引起的系統頻率下降事故，同時分析了大受端電網頻率響應特性。文獻[7]分析了因受端電網交流故障引發的多饋入直流同時換相失敗故障案例。

目前電網故障后的負荷暫態控制，主要通過第二道防線的穩控系統和第三道防線的低頻低壓減負荷裝置實現，以解決故障導致大功率缺額所引發的頻率穩定問題。文獻[8]提出了特高壓直流配套穩控系統的典型設計原則和技術方案。文獻[9] 提出了以在線監視為基礎的綜合考慮事故等級的緊急減負荷風險評估和協調決策框架。

電網發生嚴重故障(如單回、兩回及以上特高壓直流同時閉鎖)時，可能觸發第三道防線大量低頻低壓減負荷裝置動作。由于其切負荷量大，一旦低頻減載動作容易觸發599號令[10]所規定的電力事故等級，造成嚴重社會影響。

為了進一步加強第二道防線，拓展第三道防線,充分利用可中斷負荷，減小低周減載首輪動作可能，降低觸發嚴重事故等級的風險，本文提出了一種可中斷負荷就地按頻率切除方案，在系統發生易引發低周減載的大功率缺額時，利用分布式就地裝置按頻率先切除可中斷負荷，提升系統恢復頻率至安全值。進一步提出可中斷負荷切除策略的定值選擇方法，按照“避免過切高周、欠切恢復頻率不足”原則，合理選擇可中斷負荷起切頻率定值和切負荷量，并考慮負荷頻率調節系數[11-12]的變化，對所選方案進行適應性分析。仿真結果證明了該方案的合理性和可行性。

1 大受端電網頻率控制現狀

1.1 頻率控制主要手段

在中國電網的三道防線中，第二道防線中基于故障聯切負荷的緊急控制以及第三道防線中基于頻率響應的切負荷校正控制，是目前解決大電網頻率穩定問題的主要手段[13-15]。

對于低頻減載，DL/T 428—2010[16]規定，當電力系統在實際可能的各種運行方式下因故發生突然的有功功率缺額后，必須能及時切除相應容量的部分負荷，使保留運行的系統部分能迅速恢復到額定頻率附近繼續運行，不發生頻率崩潰，也不使事件后的系統頻率長期懸浮于某一過高或過低數值。自動低頻減負荷裝置動作后，應使運行系統穩態頻率恢復到49.5 Hz水平，因負荷過切引起恢復時的系統頻率過調，其最大值不應超過51 Hz。

1.2 大受端電網面臨的頻率問題

對于特高壓直流密集饋入的受端電網，直流輸送容量持續增加，大量直流功率替代受端電網常規機組，系統轉動慣量水平降低、頻率調節能力下降，直流閉鎖造成的大功率沖擊，極易誘發全網頻率問題。

國內低頻減載第一輪動作頻率值均設定在49.0 Hz。經過計算，特高壓直流發生雙極閉鎖就存在低頻減載裝置動作的風險，易觸發599號令所規定的電力事故等級，造成嚴重社會影響和巨大經濟損失。

2 計算模型及理論依據

2.1 研究思路

根據文獻[16]的建議，采用單機等值模型進行方案研究，避免采用全網模型時，由于母線電壓變化、系統暫穩制約等因素，而影響頻率問題的研究。

由于電網中負荷頻率調節系數隨不同運行工況會存在變化情況，在單機等值模型中對負荷頻率調節系數的適應性分析做仿真分析。方案制定完成后，通過全網實際模型進行仿真校驗。

2.2 計算模型

采用單機帶集中負荷的等值系統進行計算，參考技術規范，在計算模型中進行如下考慮[16]：

(1) 由于系統發生突然有功功率缺額引起系統頻率下降，系統潮流和電壓也要發生動態變化，從而影響負荷量的變化。在進行方案的整定計算時，可忽略電壓對負荷的影響。對此，負荷模型采用恒功率模型，并考慮其負荷頻率特性。

(2) 為了求得可能的最大頻率偏移，可不考慮系統中旋轉備用的作用。即關閉調速器模型，從而保證計算結果具有一定裕度。

對于單機等值模型，發電機的慣性時間常數和負荷的頻率因子對仿真結果有較大影響。對此，以華東電網2016年典型方式BPA數據為基礎，對直流閉鎖故障進行暫態仿真，然后采用單機等值模型進行近似曲線擬合，得出單機模型中發電機慣性時間常數取為7 s，負荷頻率調節系數取為2.0。

方案制定后，全網模型校核采用華東電網2016年典型方式數據和模型，負荷模型采用40%恒阻抗模型和60%恒功率模型，未考慮馬達模型。

2.3 單機模型仿真理論依據

單機模型下，由于無旋轉備用，損失發電全部是由負荷的頻率效應來承擔的[16]，對此滿足如下公式：

(1)

當系統頻率下降時，由于負荷的頻率調節效應，負荷吸收的有功功率也會減小[18-19]，不同KL將導致負荷有功功率變化量的不同。KL越大，頻率下降時負荷有功功率減小的越多，即越有利于頻率的恢復。

在實際電力系統運行中，由于負荷的不斷發展和變化，導致KL也是動態變化的。若整定可中斷負荷的切除策略時，僅將系統負荷作為一個綜合負荷，其負荷頻率調節系數KL按固定值考慮，得出的策略將不能適應實際電網中KL的變化，有可能出現過切或欠切的情況。因此，在策略研究的時候，考慮負荷頻率調節系數的典型變化范圍。

3 可中斷負荷就地按頻率切除策略研究

基于負荷控制的基本原則，可中斷負荷就地按頻率切除策略研究重點是避免過切高周、欠切恢復頻率不足[16-17]，選擇合理的起切頻率定值和切負荷量。用BPA單機等值模型進行方案研究，方案確定后，用華東電網2016年典型方式數據下的大系統機電仿真程序仿真校核方案可行性和合理性。

策略研究按以下步驟進行：

(1) 根據DL/T 428—2010技術規定，方案研究時，要求本輪可中斷負荷切除后恢復頻率不低于49.5 Hz，最高頻率不高于51 Hz。在滿足該頻率要求的基礎上，盡可能減少切負荷量，對此，按照最高恢復頻率不超過50.5 Hz進行研究。

(2) 由于切可中斷負荷對用戶仍然存在影響，方案須具有一定可靠性，而可中斷負荷就地按頻率切除需早于低周減載首輪動作，因此，其頻率定值fh0暫按不大于49.5 Hz，不小于49.0 Hz區間進行選擇，延時取為0.3 s。

(3) 在49.25 Hz頻率定值下，通過仿真選擇切負荷量的方法為：在典型KL(如2.0)下，先計算若本輪不動作，會導致頻率跌至49.01 Hz(即略大于低頻減載首輪動作定值)的功率缺額；接著考慮本輪動作，計算頻率恢復至49.5 Hz和50.5 Hz所需切負荷量F1和F2(F2>F1)；然后計算若本輪不動作，會導致頻率跌至49.24 Hz(即略小于可中斷負荷動作定值)的功率缺額；最后考慮本輪動作，計算頻率恢復至49.5 Hz和50.5 Hz所需切負荷量F3和F4(F4>F3)。取其交集，作為可選切負荷量，即：若F4>F1，則(F1，F4)為可選切負荷量范圍。

(4) 用不同負荷頻率因子KL重復此過程，得到幾個范圍，并取交集。

(5) 在49.50 Hz頻率定值下，按以上兩個步驟重新計算可選切負荷量范圍。

(6) 比較頻率定值為49.25 Hz和49.5 Hz的計算結果，選擇合理的頻率定值fh0。

(7) 在選取的頻率定值fh0下，對不同切負荷值進行仿真研究，計算其恢復頻率。最終選擇合理的切負荷值。

(8) 用2016年典型方式全網實際模型對整體方案進行仿真校核。

3.1 可中斷負荷起切頻率定值fh0選擇

在單機等值模型下，通過仿真計算選擇起切頻率定值fh0。

(1)fh0=49.25 Hz分析。當門檻值取49.25 Hz時，通過仿真計算，可得到結果如表1—3所示。

表1 門檻值取49.25 Hz切負荷比例計算(KL=1.5)Tab.1 Calculation of load shedding percentage under 49.25 Hz frequency setting value(KL=1.5)

表2 門檻值取49.25 Hz切負荷比例計算(KL=2.0)Tab.2 Calculation of load shedding percentage under 49.25 Hz frequency setting value(KL=2.0)

表3 門檻值取49.25 Hz切負荷比例計算(KL =2.5)Tab.3 Calculation of load shedding percentage under 49.25 Hz frequency setting value(KL=2.5)

表中計算了故障后系統頻率恢復至49.5～50.5 Hz之間所需的切負荷比例。當KL在1.5～2.5之間變化時，對不同KL下得到的范圍取交集，切負荷比例需在2.51%～3.72%之間。如果假設切負荷量取最小值2.5%，通過仿真，當KL為1.5時最高恢復頻率為50.08 Hz，恢復效果比較理想。

(2)fh0=49. 5 Hz分析。當門檻值取49.5 Hz時，通過仿真計算，得到了KL等于1.5，2.0或2.5時，故障后系統頻率恢復至49.5～50.5 Hz之間所需的切負荷比例。在KL在1.5～2.5之間變化時，如果要滿足KL變化時的恢復頻率在49.5～50.5 Hz之間，切負荷量需在2.51%～2.99%。

但是假設切負荷量取最小值2.5%，通過仿真，當KL為1.5時最高恢復頻率為50.33 Hz，雖然未超過50.5 Hz，但恢復頻率偏高。同時，若起切頻率設在49.5 Hz，當發生功率缺額時很容易達到起切頻率定值觸發該輪動作。

綜上，起切頻率為49.5 Hz時，切負荷量在計算范圍內取值時，最高恢復頻率略高，而且發生功率缺額時很容易觸發該輪動作。起切頻率為49.25 Hz時，切負荷量在計算范圍內取值時，恢復頻率比較理想，因此可中斷負荷切除頻率定值設為49.25 Hz更為合適。

3.2 切負荷值選擇

基于49.25 Hz的可中斷負荷切除頻率定值，KL在1.5～2.5之間時，選取2%，2.5%，3% 3個比較有代表性的切負荷比例，對比不同切負荷比例下的恢復頻率(見表4—6)，從而選出最優的切負荷比例。

表4 切負荷量2.5%系統恢復頻率(KL=1.5)Tab.4 System recovery frequency under 2.5% load shedding percentage(KL=1.5)

表5 切負荷量2.5%系統恢復頻率(KL=2.0)Tab.5 System recovery frequency under 2.5% load shedding percentage(KL=2.0)

表6 切負荷量2.5%系統恢復頻率(KL=2.5)Tab.6 System recovery frequency under 2.5% load shedding percentage(KL=2.5)

(1) 當切負荷量取2.5 %時，對于KL在1.5～2.5之間變化時，沒有高周風險，且恢復頻率都在49.5～50.08 Hz之間，恢復頻率效果較好。

(2) 當切負荷量取2%時，對于KL在1.5～2.5之間變化時，沒有高周風險，但整體恢復頻率偏低，當KL=2.5時，恢復頻率最低達到49.40 Hz，因此不建議選取2%切負荷量。

(3) 當切負荷量取3%時，當KL=1.5時，恢復頻率最高達到50.25 Hz，與切負荷量2.5%相比，恢復頻率略高，而且考慮到可中斷負荷的具體可實施量，不建議選取3%。

綜上，選取2.5%作為可中斷負荷的切除量。

4 單機模型仿真校核

對方案在汛低和夏高方式(KL=2.0)的BPA單機模型下進行了校核。在汛低方式下，校核方法主要針對多回特高壓直流中發生單回直流雙極閉鎖的故障方式進行仿真。而對于夏高方式，由于單回特高壓直流雙極閉鎖損失發電比例較低，因此考慮更加嚴重的兩回特高壓直流同時發生雙極閉鎖。記錄可中斷負荷按頻率切除和低頻減載的動作情況、最低頻率及恢復頻率，如表7和表8所示。

表7 汛低方式單機模型校核結果(KL=2.0)Tab.7 Checking results of the single-machine model under flood off-peak scenario(KL=2.0)

表8 夏高方式單機模型校核結果(KL=2.0)Tab.8 Checking results of the single-machine model under summer peak scenario(KL=2.0)

由校核結果可知，在汛低和夏高兩種方式下，三大特高壓直流分別發生單回或兩回直流雙極直流閉鎖時，可中斷負荷就地按頻率切除系統動作，減小了低周減載首輪動作可能。

5 全網模型仿真校核

對方案在汛低和夏高方式的BPA全網模型下進行了校核，校核故障方式與單機模型校核時一致。記錄可中斷負荷按頻率切除和低頻減載的動作情況、最低頻率及恢復頻率，如表9和表10所示。

表9 汛低方式全網模型校核結果Tab.9 Checking results of the detailed grid model under flood off-peak scenario(KL=2.0)

表10 夏高方式全網模型校核結果Tab.10 Checking results of the detailed grid model under summer peak scenario

由校核結果可知，由于全網模型中考慮了一次調頻作用，最低頻率和恢復頻率都比單機校核結果高。

汛低方式下，當直流1發生雙極閉鎖故障時，可中斷負荷按頻率切除系統未動作；當直流2和直流3雙極閉鎖時，可中斷負荷就地按頻率切除系統動作，未觸發低頻減載動作。

夏高方式下，當直流1，2同時發生雙極閉鎖故障時，可中斷負荷按頻率切除系統未動作；當直流1，3和直流2，3發生兩回直流雙極閉鎖時，可中斷負荷就地按頻率切除系統動作，未觸發低頻減載動作。同時，在2017年和2018年各典型方式下該方案均通過了校核，具有較好的適應性。

6 結語

通過分析，考慮KL在1.5～2.5之間的變化，得出如下結論：

(1) 起切頻率為49.5 Hz，切負荷量在計算范圍內取值時，最高恢復頻率略高，而且發生功率缺額時很容易觸發該輪動作；起切頻率為49.25 Hz，切負荷量在計算范圍內取值時，恢復頻率比較理想，因此建議可中斷負荷切除頻率定值49.25 Hz。

(2) 當頻率啟動門檻值選為49.25 Hz，通過對比2.5%和2%的切負荷比例，取2.5%時恢復頻率效果較好，也不存在高周風險，能夠滿足要求。如切負荷比例取3%，恢復頻率略高，而且考慮到可中斷負荷的具體可實施量，不建議選取3%。

綜上，可中斷負荷就地按頻率切除的起切頻率可選取49.25 Hz，切負荷比例取2.5%。單機模型和全網模型的校核結果表明，可中斷負荷就地按頻率切除系統能夠在電網發生易引發低周減載的大功率缺額時，切除可中斷負荷，減小了低周減載首輪動作可能，提高了系統的頻率穩定性。