抽水蓄能發電對直流受端多態頻率穩定的影響

王作家，竺煒，程志勇

抽水蓄能發電對直流受端多態頻率穩定的影響

王作家，竺煒*，程志勇

（長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南省 長沙市 410004）

為了應對直流受端多態頻率穩定問題，利用暫、動、靜態頻率穩定性的性能指標，即瞬間變化率的倒數、阻尼比和靜態偏差量的倒數，研究了有無抽水蓄能發電時等值機慣性時間常數和靜特性系數的變化；分析了抽水蓄能發電后對暫、動、靜態頻率穩定性的影響，得出各狀態的性能指標并與之前相比較。最后，搭建模型進行仿真。通過理論分析得出，抽水蓄能發電提高了直流受端電網的暫、動和靜態頻率穩定性，算例仿真驗證了理論分析的正確性。研究結果為抽水蓄能發電對直流受端電網多態頻率穩定性的影響提供了重要的理論依據。

抽水蓄能；直流接入；暫-動-靜態頻率穩定性；性能指標

0 引言

由于我國能源和經濟的不對稱分布，所以采用遠距離輸電可以優化資源配置，保護自然環境，符合國家的能源發展戰略[1]。特高壓直流輸電在這方面具有顯著優勢[2-3]，從能源豐富的西部地區向經濟發達的東部地區輸電，是實現“西電東送”戰略的重要方式[4]，且我國已掌握大量800 kV及以下的特高壓直流輸電工程建設和運行經驗[5-6]。昌吉—古泉特高壓直流輸電工程將直流電壓從目前的800kV提升到1100kV，成為目前國際上電壓等級最高、容量最大、距離最遠的輸電工程[7]。隨著直流容量占比增加，直流受端電網的轉動慣量逐漸減小，受端系統的調節能力也減弱。因此，受端電網易發生頻率振蕩，隨著新能源的接入，直流受端區域頻率問題更加嚴峻[8-10]，研究直流受端多態頻率穩定性具有重要意義。

文獻[11]針對直流受端電網頻率安全問題，提出了兩段式頻率安全緊急控制策略，利用其控制策略來實現故障后系統頻率的緊急控制。文獻[12]利用ADPSS軟件研究了800kV錦蘇直流閉鎖對受端電網頻率穩定性的影響。而文獻[13]則是把逆變站模擬成同步發電機，以此來增加受端系統的轉動慣量，但該方法只是提高了受端電網的暫態頻率穩定性，并未改善其動、靜態頻率穩定性。

目前，隨著烏東德直流輸電工程的饋入，廣東電網已通過9回直流饋入“西電”，且落點集中于珠江三角洲區域，但多直流換相失敗、頻率波動問題突出。針對這些問題，文獻[14-15]詳細研究了直流輸電故障對受端廣東電網頻率穩定性的影響。文獻[16]則針對多直流接入的廣東電網，分析其面臨的主要問題，并提出了合理化建議。文獻[17-18]分析了直流換相失敗對受端廣東電網的影響。

以上文獻基本是從直流故障或頻率控制方面闡述了對受端電網的影響，且并未探究受端電網發生頻率振蕩的根本原因。文獻[19]詳細研究了影響受端電網多態頻率穩定性的因素，推導出相關的主導因子，并提出了其機組的控制策略。本文在文獻[19]的基礎上，利用其得到的性能指標，研究了抽水蓄能發電對受端多態頻率穩定性的影響，為提高頻率穩定性提供重要的理論依據。

1 抽水蓄能發電后的等值機慣量及靜特性系數變化

目前，電網中擾動頻發，由于機組轉子具有慣性，頻率變化不大，但其變化過程經歷暫態、動態和靜態。其直流受端區域暫態、動態、靜態頻率波動過程如圖1所示。可用性能指標來定義頻率波動過程中暫態、動態、靜態的變化過程，3種狀態定義的指標如表1所示。

設受端區域有臺機組，接入恒功率直流，替換其中臺機組，但區域總額定有功容量不變。則直流接入比為

圖1 暫、動、靜頻率波動過程

表1 暫、動、靜態頻率穩定性指標

此時等值機的慣性時間常數及功-頻靜特性系數分別為

若受端區域各機組的慣性時間常數及功-頻靜特性系數基本一致，則式(2)可表示為

由式(3)和式(4)可知，抽水蓄能發電后，其受端區域等值機的慣性時間常數和功-頻靜特性系數都增大。

2 抽水蓄能發電對直流受端系統的動態頻率特性分析

2.1 基于簡單模型的動態頻率特性分析

當抽水蓄能未發電時，若區域等值機組以頻率反饋調速方式進行控制，則頻率反饋簡單模型如 圖2所示。

圖2 抽水蓄能未發電時的頻率反饋簡單模型

式(5)進行拉氏變換后，可得抽水蓄能發電前的區域功-頻開環函數為

故抽水蓄能發電前的動態頻率阻尼比為

若抽水蓄能接入發電后，其頻率反饋簡單模型如圖3所示。則其頻率響應為

圖3 抽水蓄能發電時的頻率反饋簡單模型

其中

由此可得抽水蓄能發電后的動態阻尼比為

圖4 阻尼比比值變化

2.2 基于典型模型的動態頻率特性分析

目前國內汽輪機組一般都采用功-頻反饋調節，由于機械功率測量困難，功率反饋量一般取自機端電功率(有功功率)。在動態分析時，功率反饋通道實為前饋通道，將負荷擾動前饋量引入控制系統中[21]。功頻調節的典型模型如圖5所示。

圖5 抽水蓄能未發電時的功頻反饋典型模型

由圖5可得，當該區域等值機組采用功–頻反饋調節方式進行控制時，抽水蓄能發電前的區域頻率的動態響應為

其中

故抽水蓄能發電前的動態頻率阻尼比為

當抽水蓄能發電后，其典型模型如圖6所示。

圖6 抽水蓄能發電時的功頻反饋典型模型

其頻率響應為

同理，需要對式(21)進行降階，則式(21)可 寫成

由此可得抽水蓄能發電后的動態頻率響應為

故抽水蓄能發電后的動態阻尼比為

由式(20)、(24)可得

由式(25)可知，其結果與式(16)相同，由此可表明，無論是基于頻率反饋簡單模型，還是基于 功-頻反饋調節的典型模型，抽水蓄能發電后，其動態穩定性都比抽水蓄能發電前好。

3 抽水蓄能發電對直流受端系統的暫態頻率特性分析

3.1 基于簡單模型的暫態頻率特性分析

若抽水蓄能發電后，此時的頻率響應為

則抽水蓄能發電后的瞬間頻率波動率為

由式(26)、(28)可得

即抽水蓄能發電后，基于簡單模型的暫態頻率穩定性變好。

3.2 基于典型模型的暫態頻率特性分析

若等值機組以功-頻反饋調速方式進行調節，其頻率反饋通道不通，則功率反饋成為擾動前饋量。由圖4可得

當抽水蓄能發電后，其由負荷擾動引起的瞬間頻率波動率為

由式(31)、(32)可得

由此可見，抽水蓄能發電后，基于典型模型的暫態頻率穩定性也是變好的。

4 抽水蓄能發電對直流受端系統的靜態頻率特性分析

4.1 基于簡單模型的靜態頻率特性分析

若受端區域的等值機組采用頻率反饋調節方式，則在階躍負荷擾動下，應用終值定理，受端區域抽水蓄能發電前的穩態頻率降為

當抽水蓄能發電后，則在階躍負荷擾動下，應用終值定理，則受端區域的穩態頻率降為

故可得

即抽水蓄能發電后，基于簡單模型的靜態頻率穩定性變好。

4.2 基于典型模型的靜態頻率特性分析

若受端區域的等值機采用功-頻率反饋調節方式，則在階躍負荷擾動下，應用終值定理，則抽水蓄能發電前的穩態頻率降為

當抽水蓄能發電后，則受端區域穩態頻率降為

故可得

由此可見，抽水蓄能發電后，基于典型模型的靜態頻率穩定性也是變好的。

5 基于抽水蓄能發電前后的典型模型時域頻率特性仿真分析

設受端區域的調速系統詳細模型如圖7所示，其中PID=8+0.4/+200/(+200)，max=0.7，1= 0.02 s，e=0.05 s，S=0.3 s。

圖7 功頻調速器模型

當抽水蓄能接入12%及15%時，并采用如圖6所示的控制方式，則負荷擾動后頻率曲線如圖8所示。

圖8 抽水蓄能發電前后的多態頻率特性圖

由圖8可知，與未接入抽水蓄能相比，當抽水蓄能接入發電時：

1）頻率波動變小，說明暫態穩定性變好。

2）振蕩過程中，曲線波動較小，振蕩時間變短，說明動態穩定性變好。

3）振蕩結束后，頻率偏差變小，說明靜態穩定性變好。

4）隨著抽水蓄能接入比例的增大，多態頻率穩定性變好。

6 結論

通過動態、暫態、靜態穩定性的性能指標，即阻尼比、瞬間變化率的倒數和靜態偏差量的倒數，分析了有抽水蓄能發電和無抽水蓄能發電時，在電網側擾動下，直流受端區域頻率的多態穩定性變化情況。研究發現，抽水蓄能發電后，其暫態、動態、靜態頻率穩定性比無抽水蓄能時都變好，且抽水蓄能接入比越大，其效果越好，理論和仿真驗證了其有效性。

研究結果給抽水蓄能發電接入直流受端區域提供了理論依據，對提高直流受端區域頻率穩定性具有重要意義。

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Influence of Pumped Storage Power Generation on Multi-state Frequency Stability of DC Receiver

WANG Zuojia, ZHU Wei*, CHENG Zhiyong

(School of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science&Technology,Changsha 410004, Hunan Province, China)

In order to deal with the problem of multi-state frequency stability at DC receiving end, this paper studied the variation of inertia time constant and static characteristic coefficient of equivalent machine with or without pumped storage power generation by using the performance indexes of transient, dynamic and static frequency stability, namely reciprocal of instantaneous change rate, damping ratio and reciprocal of static deviation. The influence of pumped storage power generation on transient, dynamic and static frequency stability was analyzed. The performance indexes of each state were obtained and compared with those before. Finally, the model was built for simulation. Through theoretical analysis, it is concluded that pumped storage power generation improves the transient, dynamic and static frequency stability of the DC receiving end power grid. The correctness of theoretical analysis was verified by numerical simulation. The research results provid an important theoretical basis for the influence of pumped storage power generation on the multi-state frequency stability of DC receiving end power grid.

pumped storage; DC access; temporary-dynamic-static frequency stability; performance index

10.12096/j.2096-4528.pgt.19038

TM 612

2019-03-25。

(責任編輯 辛培裕)