胡立錦，楊永全，常喜強(qiáng)，張新燕，姚秀萍

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

0 引言

隨著電網(wǎng)跨區(qū)域互聯(lián)、直流輸電容量的不斷增加以及風(fēng)能、核能等電源的飛速發(fā)展，相對(duì)降低了電網(wǎng)的自調(diào)節(jié)能力，大規(guī)模接入的風(fēng)電機(jī)組甚至引入了額外的隨機(jī)功率擾動(dòng)，使電網(wǎng)穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化。合理規(guī)范并分析發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻主要技術(shù)指標(biāo)變化對(duì)電網(wǎng)頻率特性的影響，保障機(jī)組良好的一次調(diào)頻能力，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和未來智能電網(wǎng)環(huán)境下的優(yōu)化調(diào)度具有重要的意義［3-5］。

近年來，對(duì)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻特性的研究多集中在對(duì)一次調(diào)頻能力在線估計(jì)［4］的試驗(yàn)研究［5］和對(duì)一次調(diào)頻穩(wěn)定性的研究等兩方面。文獻(xiàn)［6］中針對(duì)單機(jī)不穩(wěn)定機(jī)組并網(wǎng)后可能穩(wěn)定這一現(xiàn)象進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，證明了當(dāng)電網(wǎng)有足夠的一次調(diào)頻穩(wěn)定儲(chǔ)備時(shí)，單機(jī)不穩(wěn)的機(jī)組并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其自身的不穩(wěn)定隨之消失，但在一定程度上降低了電網(wǎng)的一次調(diào)頻穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［7］理論分析了調(diào)差系數(shù)設(shè)置與電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性和調(diào)頻能力的關(guān)聯(lián)關(guān)系。文獻(xiàn)［8］闡述了機(jī)組一次調(diào)頻應(yīng)具備的特征，并以此為基礎(chǔ)給出了評(píng)價(jià)機(jī)組一次調(diào)頻性能的4個(gè)指標(biāo);討論了有效擾動(dòng)的必備因素，自動(dòng)發(fā)電控制對(duì)一次調(diào)頻效果評(píng)價(jià)的影響及處理方法等問題。

這里以靜態(tài)評(píng)價(jià)方法為基礎(chǔ)，具體分析發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻主要技術(shù)指標(biāo)變化對(duì)電網(wǎng)頻率特性的影響，尋找調(diào)差系數(shù)、頻率偏差死區(qū)和負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍等因素與電網(wǎng)頻率的關(guān)系，并以某地區(qū)實(shí)際運(yùn)行電網(wǎng)為例建立仿真模型，參考電網(wǎng)具體要求進(jìn)行仿真分析，對(duì)電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置提出建議。

1 一次調(diào)頻基本原理

現(xiàn)代發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制回路一般如圖1所示，其中δ為機(jī)組的轉(zhuǎn)速不等率(亦稱調(diào)差系數(shù))。正常情況下，當(dāng)電網(wǎng)的頻率在給定的死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，機(jī)組將嚴(yán)格按照AGC或手動(dòng)負(fù)荷指令控制發(fā)電機(jī)組的出力。一旦電網(wǎng)出現(xiàn)負(fù)荷擾動(dòng)，不平衡的功率將促使頻率快速變化，當(dāng)電網(wǎng)頻率越過死區(qū)范圍時(shí)，一次調(diào)頻回路投入運(yùn)行，同時(shí)將根據(jù)轉(zhuǎn)速不等率的設(shè)置，改變機(jī)組的出力，維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定和平衡。圖2為發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻的作用圖，當(dāng)功率波動(dòng)為PL→PL2→PL1時(shí)，平衡運(yùn)行點(diǎn)變化為a→b→c→d。

圖1 機(jī)組調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)框圖

圖2 電力系統(tǒng)的功率-頻率關(guān)系

2 一次調(diào)頻指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)頻率特性影響分析

2.1 頻率偏差死區(qū)作用分析

調(diào)速系統(tǒng)設(shè)置死區(qū)有兩個(gè)用途:其一是當(dāng)設(shè)置的死區(qū)較小時(shí)，可以過濾轉(zhuǎn)速小擾動(dòng)信號(hào)，使機(jī)組功率穩(wěn)定;其二是當(dāng)設(shè)置死區(qū)較大時(shí)，使機(jī)組不參與電網(wǎng)一次調(diào)頻，只帶基本負(fù)荷。調(diào)速器死區(qū)設(shè)置過小及過大都是不合理的，死區(qū)過小，輕微的頻率偏差都會(huì)引起調(diào)速器動(dòng)作，導(dǎo)致機(jī)組頻繁調(diào)節(jié);死區(qū)過大，即使發(fā)生較大功率缺額時(shí)調(diào)速器也不動(dòng)作，將影響系統(tǒng)一次調(diào)頻。當(dāng)頻率偏差超過死區(qū)邊界時(shí)，調(diào)頻死區(qū)估計(jì)值為

當(dāng)頻率偏差重歸死區(qū)邊界時(shí)，調(diào)頻死區(qū)估計(jì)值為

考慮調(diào)頻指令信號(hào)的延遲因素，一般定義ΔfD與Δfd的加權(quán)平均值作為系統(tǒng)實(shí)際死區(qū)值以配合調(diào)速器死區(qū)設(shè)定。

所謂痕跡(trace)是指事物存在或事情發(fā)生后留下的標(biāo)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(xiàn)于痕跡，把工作的每一個(gè)步驟都留有痕跡，即使是小小的一個(gè)環(huán)節(jié)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(shí)間和管理內(nèi)容方面。留下無(wú)間隙或無(wú)空白、死角的縝密的工作記錄，包括交接班記錄和相關(guān)活動(dòng)的證據(jù)[3]。

2.2 調(diào)差系數(shù)作用分析

發(fā)電機(jī)隨電網(wǎng)頻率波動(dòng)發(fā)出功率的單位變化量為單位調(diào)節(jié)功率，其倒數(shù)即為調(diào)差系數(shù)，用δ表示，即

當(dāng)單臺(tái)機(jī)組在同一同步器下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速由初始值n0變?yōu)轭~定值nN的變化量與額定值nN比值的百分比為系統(tǒng)的調(diào)速不等率，可以推導(dǎo)得出調(diào)速不等率在數(shù)值上等于調(diào)差系數(shù)。

對(duì)于復(fù)雜的電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)決定了系統(tǒng)頻率與負(fù)荷之間的關(guān)系，對(duì)系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)組進(jìn)行等值可得

在電網(wǎng)出現(xiàn)負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，較小的δ可以獲得調(diào)頻機(jī)組較大的功率支持，但不利于機(jī)組自身的穩(wěn)定;反之較大的δ不利于電網(wǎng)應(yīng)對(duì)突發(fā)擾動(dòng)或事故時(shí)的頻率穩(wěn)定，但有利于機(jī)組自身設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)際中需考慮機(jī)組響應(yīng)一次調(diào)頻指令的程度和出現(xiàn)功率超調(diào)而過分低估或高估調(diào)速不等率δ數(shù)值的情況對(duì)計(jì)算結(jié)果精確度的影響。

2.3 負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍影響分析

設(shè)置機(jī)組一次調(diào)頻最大幅度是因?yàn)榭焖俅蠓茸冐?fù)荷危及到機(jī)組的安全運(yùn)行。對(duì)于燃煤發(fā)電機(jī)組，機(jī)組通過調(diào)速器(DEH)快速一次調(diào)頻變負(fù)荷的最大幅度應(yīng)通過試驗(yàn)確定，主要以汽輪機(jī)調(diào)門快速變化時(shí)主蒸汽壓力、溫度等與機(jī)組安全運(yùn)行參數(shù)的允許變化幅度和速率為依據(jù)。而對(duì)于已投入AGC控制回路的系統(tǒng)在系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，往往容易引起AGC指令的變化，使機(jī)組的一次調(diào)頻動(dòng)作與AGC指令變化的響應(yīng)疊加在一起，此時(shí)還應(yīng)考慮AGC指令對(duì)系統(tǒng)的影響。

3 仿真實(shí)例分析

某地區(qū)孤立電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，電網(wǎng)通過220 kV新邵陽(yáng)變電站與主電網(wǎng)相連。地區(qū)電網(wǎng)夏季外送極限方式下，外送功率為130 MW，占全網(wǎng)發(fā)電負(fù)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(wǎng)發(fā)電負(fù)荷比例為14.9%。

圖3 某地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

兩個(gè)極限方式下，如果不考慮系統(tǒng)低頻減載和低壓減載措施，在發(fā)生城東—新瑪電線路三相短路跳雙回線故障后，當(dāng)火電機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率、調(diào)頻死區(qū)、調(diào)頻負(fù)荷范圍采用不同定值時(shí)，仿真并分析孤網(wǎng)頻率及發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)功率變化情況。

3.1 調(diào)差系數(shù)對(duì)系統(tǒng)頻率特性的影響分析

調(diào)差系數(shù)是反映機(jī)組調(diào)頻能力的重要指標(biāo)，既反映了機(jī)組一次調(diào)頻能力的強(qiáng)弱，又表明了穩(wěn)定性的好壞。調(diào)差系數(shù)越大，機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的調(diào)頻能力越小，機(jī)組運(yùn)行越穩(wěn)定;調(diào)差系數(shù)越小，機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的調(diào)頻能力越強(qiáng)，但機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性差。當(dāng)調(diào)差系數(shù)一般設(shè)置為3%～6%變化時(shí)，得到系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)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(jī)組調(diào)差系數(shù)取為3%，則機(jī)組功率會(huì)產(chǎn)生較大的過調(diào)，頻率上升超過51.5 Hz，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)OPC保護(hù)動(dòng)作，系統(tǒng)頻率恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，穩(wěn)定性較差。火電機(jī)組調(diào)差系數(shù)取為5%或者6%，對(duì)系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)過程相差不大，系統(tǒng)恢復(fù)頻率均在49.5 Hz以上。

圖4 受電極限方式機(jī)組調(diào)差系數(shù)對(duì)孤網(wǎng)影響曲線

圖5 外送極限方式機(jī)組調(diào)差系數(shù)對(duì)孤網(wǎng)影響曲線

外送極限方式下，從圖5中可以看到，如果火電機(jī)組調(diào)差系數(shù)取為3%，則系統(tǒng)頻率波動(dòng)較大，穩(wěn)定性較差。火電機(jī)組調(diào)差系數(shù)取為5%或者6%，對(duì)系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)過程相差不大，系統(tǒng)恢復(fù)頻率均在50.5 Hz以下。

3.2 調(diào)頻偏差死區(qū)對(duì)系統(tǒng)頻率特性的影響分析

圖6 受電極限方式機(jī)組死區(qū)設(shè)置對(duì)孤網(wǎng)影響曲線

圖7 外送極限方式機(jī)組死區(qū)設(shè)置對(duì)孤網(wǎng)影響曲線

不同死區(qū)設(shè)置仿真曲線如圖6、圖7所示。電網(wǎng)機(jī)組目前實(shí)際調(diào)速器死區(qū)設(shè)置分別為5轉(zhuǎn)(天河機(jī)組)和2轉(zhuǎn)(其他機(jī)組)。由圖6、圖7中可以看到，參照該地區(qū)電網(wǎng)一次調(diào)頻管理規(guī)定，孤島電網(wǎng)機(jī)組調(diào)速器死區(qū)設(shè)置為2轉(zhuǎn)(電液型)或者6轉(zhuǎn)(機(jī)械、液壓)，對(duì)發(fā)電機(jī)功率調(diào)節(jié)和孤網(wǎng)頻率變化影響都不大。因此，目前機(jī)組的實(shí)際設(shè)置可繼續(xù)采用，若進(jìn)一步調(diào)查及核實(shí)天河機(jī)組的調(diào)速器類型和死區(qū)設(shè)置，還是能在一定程度上改善電網(wǎng)性能。

3.3 負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍對(duì)系統(tǒng)頻率特性的影響分析

圖8、圖9為不同運(yùn)行方式下改變一次調(diào)頻限幅比例電網(wǎng)影響曲線。

圖8 電極限方式機(jī)組限幅對(duì)孤網(wǎng)影響曲線

圖9 外送極限方式機(jī)組限幅對(duì)孤網(wǎng)影響曲線

電網(wǎng)受電極限方式下，如果一次調(diào)頻向上限幅10%，則發(fā)生聯(lián)絡(luò)線斷開故障后，即使全部機(jī)組功率全部上調(diào)10%，仍然不能彌補(bǔ)電網(wǎng)功率缺額，孤網(wǎng)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(tǒng)頻率穩(wěn)定。外送極限方式下，如果一次調(diào)頻向下限幅10%，則發(fā)生聯(lián)絡(luò)線斷開故障后，即使全部機(jī)組功率全部減少出力10%，孤網(wǎng)仍有剩余功率，系統(tǒng)頻率最高大于52 Hz，將引發(fā)電機(jī)OPC保護(hù)動(dòng)作，因此還需要采取高周切機(jī)措施防止OPC動(dòng)作以及使系統(tǒng)頻率恢復(fù)。

從圖8中可以看到，設(shè)置較大的一次調(diào)頻限幅，可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)機(jī)組功率，有利于系統(tǒng)頻率的恢復(fù)。極限方式下，電網(wǎng)機(jī)組限幅20%可以滿足孤網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的需求。但電網(wǎng)目前除天河電廠外，其他火電廠發(fā)電機(jī)組大都為供熱機(jī)組，在考慮供電的同時(shí)，需保證穩(wěn)定的供熱，因此一次調(diào)頻幅度不能設(shè)置的過大;非供熱火電機(jī)組受鍋爐蓄熱能力限制，向上調(diào)頻幅度亦不能過大。

圖10 機(jī)組限幅對(duì)天河系統(tǒng)影響曲線

天河電廠只通過1條220 kV線路接入系統(tǒng)，發(fā)生單機(jī)帶天鋁負(fù)荷的可能性較大，且在此情況下，只有通過調(diào)節(jié)天河機(jī)組出力，才有可能保證天鋁負(fù)荷的供電并維持單機(jī)帶負(fù)荷系統(tǒng)的頻率在正常水平。圖10為發(fā)生天河—綠洲220 kV線路三相故障后，在天河機(jī)組采用不同限幅定值下單機(jī)帶負(fù)荷系統(tǒng)的頻率和機(jī)組出力變化情況。從圖中可以看到，當(dāng)天河機(jī)組向下限幅整定為20%時(shí)，由于壓出力速度較慢，孤網(wǎng)初始頻率波動(dòng)最高值超過55 Hz，機(jī)組OPC保護(hù)將動(dòng)作立即關(guān)停機(jī)組;當(dāng)天河機(jī)組向下限幅整定為50%時(shí)，孤網(wǎng)初始頻率波動(dòng)最低值又低于49 Hz，如果天鋁廠內(nèi)配置低頻減載裝置，則部分負(fù)荷將被低頻切除;當(dāng)天河機(jī)組向下限幅整定為30%時(shí)，孤網(wǎng)頻率波動(dòng)最高53.5 Hz、最低49.1 Hz、穩(wěn)態(tài)值約在50.5 Hz，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)頻率的要求，同時(shí)波動(dòng)過程中又不致引起穩(wěn)控裝置的動(dòng)作，但需要引起注意的是，在單機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行情況下，天河機(jī)組OPC保護(hù)的51.5 Hz保護(hù)功能不能夠投入，否則OPC反復(fù)動(dòng)作，孤網(wǎng)頻率最低到30 Hz以下，天河機(jī)組不能夠帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)、地理布局、運(yùn)行方式、機(jī)組參數(shù)等的多元化使得電網(wǎng)頻率特性的可控性和可預(yù)見性大幅降低，對(duì)電網(wǎng)頻率特性及其主要影響因素進(jìn)行研究具有不可言喻的必要性和價(jià)值。從影響頻率特性的一次調(diào)頻方式入手，討論和分析不同一次調(diào)頻評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)頻率特性的影響規(guī)律，結(jié)合某地區(qū)實(shí)際電網(wǎng)仿真并得出以下結(jié)論。

(1)調(diào)差系數(shù)較大時(shí)頻率下降較大，調(diào)速系統(tǒng)能調(diào)出的有功功率較少，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，調(diào)差系數(shù)設(shè)置過小容易引起系統(tǒng)波動(dòng)加劇，不利于系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，在滿足系統(tǒng)其他參數(shù)整定的前提下可以適當(dāng)調(diào)高調(diào)差系數(shù)以優(yōu)化系統(tǒng)頻率響應(yīng)程度。

(2)死區(qū)設(shè)置對(duì)電網(wǎng)頻率特性影響較小，一般滿足設(shè)置:電液型汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的火電機(jī)組和燃機(jī)死區(qū)控制在±0.033 Hz(±2 r/min)內(nèi);機(jī)械、液壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的火電機(jī)組和燃機(jī)死區(qū)控制在±0.10 Hz(±6 r/min)內(nèi);水電機(jī)組死區(qū)控制在±0.05 Hz內(nèi)。若要進(jìn)一步提高死區(qū)設(shè)置的準(zhǔn)確性需根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)實(shí)際和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)整定。

(3)燃煤機(jī)組由于鍋爐蓄熱能力有限，燃燒調(diào)整需要較長(zhǎng)時(shí)間，在加負(fù)荷方面以6% ～10%為宜;當(dāng)不平衡功率超過一次調(diào)頻負(fù)荷上限，通過低周減載保證電網(wǎng)頻率在允許范圍。在減負(fù)荷方面可以將一次調(diào)頻下限設(shè)置為-50%，防止OPC反復(fù)動(dòng)作造成機(jī)組和電網(wǎng)振蕩;若不平衡功率大于50%，還應(yīng)采用其他電網(wǎng)穩(wěn)定措施。

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