任 華，姚秀萍，，常喜強(qiáng)，周 專

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

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)的電網(wǎng)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，區(qū)間聯(lián)網(wǎng)送電規(guī)模也在不斷增大，這有利于對(duì)各地區(qū)自然資源合理利用，大力發(fā)展清潔能源。但區(qū)間聯(lián)絡(luò)線由于輸電走廊限制等原因相對(duì)較弱，一旦發(fā)生解列事故，容易形成送端(受端)孤立電網(wǎng)，將導(dǎo)致局部系統(tǒng)功率嚴(yán)重失衡，送端電網(wǎng)功率大量剩余，而受端電網(wǎng)功率嚴(yán)重缺額，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定問(wèn)題就會(huì)凸顯出來(lái)［1-3］。

常規(guī)機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性有很大的影響。當(dāng)系統(tǒng)功率發(fā)生變化時(shí)常規(guī)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作使頻率穩(wěn)定在一定范圍［4］?，F(xiàn)以新疆阿勒泰地區(qū)電網(wǎng)為研究對(duì)象，分析調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速特性以及調(diào)速系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響，得出孤網(wǎng)中不同容量機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)頻率影響不同;水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)和火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)頻率影響不同;不同容量水電、火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)之間的配合對(duì)孤網(wǎng)頻率影響不同。運(yùn)用PSASP仿真驗(yàn)證了相關(guān)結(jié)論。對(duì)實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行、水電和火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)之間的配合具有重要的參考價(jià)值。

1 電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)過(guò)程

電力系統(tǒng)功率頻率特性是指系統(tǒng)有功功率不平衡時(shí)頻率的變化特性，它是負(fù)荷頻率特性、發(fā)電機(jī)頻率特性以及電壓影響的綜合結(jié)果。

電網(wǎng)中有功功率和頻率相互影響，當(dāng)系統(tǒng)中有功功率不平衡量為ΔP時(shí)，系統(tǒng)中的頻率變化量Δf可表示為

若系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)和負(fù)荷同時(shí)參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，則系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率(Ks)可表示為

式中，KGi為某臺(tái)發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率;KLj為電網(wǎng)中負(fù)荷類型的單位調(diào)節(jié)功率。

在電網(wǎng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，依靠發(fā)電機(jī)的調(diào)速器以及負(fù)荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)的共同作用而使電網(wǎng)在新的頻率下穩(wěn)定運(yùn)行［5-6］。電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)過(guò)程如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)示意圖

如圖1所示，電網(wǎng)正常穩(wěn)定運(yùn)行在a點(diǎn)，此時(shí)電網(wǎng)功率平衡。當(dāng)電網(wǎng)中負(fù)荷從PL變?yōu)镻L1時(shí)系統(tǒng)將出現(xiàn)功率缺額，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，從而使系統(tǒng)中的頻率下降。若系統(tǒng)中常規(guī)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)沒(méi)有投運(yùn)，系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組出力保持不變，系統(tǒng)中只能通過(guò)負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)穩(wěn)定在b點(diǎn)，系統(tǒng)中的頻率將大幅下降。在有調(diào)速器的情況下，調(diào)速器和負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)同時(shí)參與消除出現(xiàn)的功率缺額。調(diào)速器動(dòng)作增大發(fā)電機(jī)組出力，頻率降低使得負(fù)荷有功功率PL減小，最終穩(wěn)定在c點(diǎn)，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)。

2 機(jī)組一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)機(jī)理

調(diào)速器是通過(guò)改變發(fā)電機(jī)的蒸汽汽流(或進(jìn)水量)使之滿足發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)需求，從而達(dá)到功率調(diào)節(jié)的目的。根據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，通過(guò)轉(zhuǎn)速反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，方法即為測(cè)量轉(zhuǎn)速，將其放大后反饋到輸入端并與給定值作比較來(lái)控制調(diào)節(jié)汽閥行程的大小，從而改變蒸汽流量，實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)速的目的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖

在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)給定值和實(shí)際值的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于反饋回路的存在，若實(shí)際輸出值不等于給定值，調(diào)節(jié)系統(tǒng)將進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到給定值與實(shí)際輸出值基本相等為止。圖3為火電機(jī)組調(diào)速器控制系統(tǒng)框圖。

圖3 調(diào)速器控制系統(tǒng)框圖

電網(wǎng)中參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的機(jī)組有水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)和火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)有功功率平衡遭到破壞，引起頻率變化時(shí)，原動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)將自動(dòng)改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的進(jìn)汽(水)量，相應(yīng)增加或減少發(fā)電機(jī)的出力。

3 仿真分析

阿勒泰電網(wǎng)目前通過(guò)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(kāi)備用)與主網(wǎng)相連。阿勒泰地區(qū)電網(wǎng)公司所屬發(fā)電廠總裝機(jī)容量為1048 MW，其中火電600 MW、水電250 MW、風(fēng)電198 MW。阿勒泰地區(qū)總負(fù)荷為283.4 MW。阿勒泰電網(wǎng)地理接線示意圖如圖4所示。

圖4 阿勒泰電網(wǎng)地理接線示意圖

圖5 全部調(diào)速系統(tǒng)不參與時(shí)特征曲線

賽爾電廠(2×300 MW)投運(yùn)之后，正常情況下阿勒泰電網(wǎng)將通過(guò)豐泉一、二線向主網(wǎng)輸送功率。現(xiàn)以阿勒泰電網(wǎng)為研究對(duì)象，仿真220 kV豐泉一、二線發(fā)生永久性斷線，阿勒泰電網(wǎng)將與主網(wǎng)解裂孤網(wǎng)運(yùn)行，分析孤網(wǎng)內(nèi)各調(diào)速系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響。

3.1 方案1

220 kV豐泉一、二線發(fā)生永久性斷線后，阿勒泰電網(wǎng)將出現(xiàn)功率富裕，孤網(wǎng)內(nèi)頻率將上升，安全自動(dòng)裝置動(dòng)作切除部分機(jī)組。假定孤網(wǎng)內(nèi)所有機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)不參與一次調(diào)頻。網(wǎng)內(nèi)頻率變化只能通過(guò)切除機(jī)組和負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)。而負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)只能在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，此時(shí)只能通過(guò)安全自動(dòng)裝置動(dòng)作切除機(jī)組，使功率平衡、頻率穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。圖5為切除孤網(wǎng)內(nèi)部分機(jī)組出力后孤網(wǎng)內(nèi)頻率和各機(jī)組出力曲線。

圖6 水電機(jī)組參與，火電機(jī)組不參與時(shí)特征曲線

由圖4可知，若孤網(wǎng)系統(tǒng)中所有機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)不參與調(diào)節(jié)時(shí)孤網(wǎng)內(nèi)安全自動(dòng)裝置動(dòng)作切除過(guò)剩的功率。在所有機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)不參與調(diào)節(jié)時(shí)系統(tǒng)中的頻率不會(huì)發(fā)生大的波動(dòng)，孤網(wǎng)內(nèi)只能通過(guò)安全自動(dòng)裝置以及負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)使系統(tǒng)中的頻率穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)［8］。同時(shí)各機(jī)組出力只在解網(wǎng)時(shí)一個(gè)大的波動(dòng)很快恢復(fù)到原始出力保持出力不變。但是由圖4可以看出，安全自動(dòng)裝置切多余的功率全部為火電或切水、火電時(shí)孤網(wǎng)內(nèi)的頻率不相同，在切同樣多的功率情況下切火電最后穩(wěn)定頻率要比切水、火電的要低且波動(dòng)要大。

3.2 方案2

假定網(wǎng)內(nèi)水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，而火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)不參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。孤網(wǎng)內(nèi)頻率變化，通過(guò)安全自動(dòng)裝置切除部分過(guò)剩功率，其他過(guò)剩功率通過(guò)水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)和負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)同時(shí)參與調(diào)節(jié)使孤網(wǎng)內(nèi)頻率在合理范圍內(nèi)波動(dòng)。圖6為安全自動(dòng)裝置動(dòng)作切除機(jī)組部分出力后孤網(wǎng)內(nèi)頻率及水、火電機(jī)組出力的仿真曲線。

從圖6可以看出，水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)不參與調(diào)節(jié)時(shí)，孤網(wǎng)內(nèi)頻率會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，最高頻率達(dá)54.5 Hz，最低頻率為48.2 Hz。水電機(jī)組出力在額定出力以下波動(dòng)，而火電機(jī)組出力在額定出力以上波動(dòng)。由此可得水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率的同時(shí)引起系統(tǒng)中火電機(jī)組出力的波動(dòng)。

圖7 水電機(jī)組不參與，火電機(jī)組參與時(shí)特征曲線

3.3 方案3

假定水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)不具有調(diào)節(jié)效應(yīng)，而火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)效應(yīng)。孤網(wǎng)內(nèi)頻率變化，通過(guò)安全自動(dòng)裝置切除部分過(guò)剩功率，其他過(guò)剩功率通過(guò)火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)和負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)同時(shí)參與調(diào)節(jié)使孤網(wǎng)內(nèi)頻率在合理范圍內(nèi)波動(dòng)［9-10］。圖7為安全自動(dòng)裝置動(dòng)作切除機(jī)組部分出力后孤網(wǎng)內(nèi)頻率及水、火電機(jī)組出力的仿真曲線。

從圖7可以看出，火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)不參與調(diào)節(jié)時(shí)，孤網(wǎng)內(nèi)頻率會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，最高頻率達(dá)50.45 Hz，最低頻率為49.89 Hz。水電機(jī)組出力為額定出力，而火電機(jī)組出力在額定出力以下波動(dòng)。對(duì)比圖6和圖7可得，火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，對(duì)孤網(wǎng)的沖擊影響比較大。

3.4 方案4

假定水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)、火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)都參與孤網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)。孤網(wǎng)內(nèi)頻率變化通過(guò)安全自動(dòng)裝置切除部分機(jī)組出力、水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)、火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)和負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)來(lái)共同調(diào)節(jié)。圖8為安全自動(dòng)裝置動(dòng)作切除機(jī)組部分出力后孤網(wǎng)內(nèi)頻率及水、火電機(jī)組出力的仿真曲線。

圖8 全部調(diào)速系統(tǒng)都參與時(shí)特征曲線

由圖8可以看出，當(dāng)孤網(wǎng)中所有機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)都參與頻率調(diào)節(jié)時(shí)，孤網(wǎng)內(nèi)頻率波動(dòng)特別大。孤網(wǎng)內(nèi)所有機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)都參與頻率調(diào)節(jié)有可能導(dǎo)致機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)度，使孤網(wǎng)內(nèi)頻率下降特別厲害引發(fā)低頻減載裝置動(dòng)作。

通過(guò)對(duì)孤網(wǎng)內(nèi)調(diào)速系統(tǒng)有沒(méi)有參與孤網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)仿真分析，可以得出孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)中的頻率變化只能靠穩(wěn)控裝置動(dòng)作以及負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)來(lái)使系統(tǒng)中的頻率穩(wěn)定在一合理范圍，但是此時(shí)系統(tǒng)對(duì)頻率調(diào)節(jié)能力非常差。通過(guò)仿真對(duì)比分析水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)與火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定的影響，可以得出孤網(wǎng)中水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)能快速地響應(yīng)系統(tǒng)中的頻率變化，但是孤網(wǎng)水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)時(shí)系統(tǒng)中的頻率波動(dòng)比較大，而火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)能使系統(tǒng)頻率很快穩(wěn)定在一合理范圍。孤網(wǎng)內(nèi)水電和火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)同時(shí)參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)時(shí)可以提高系統(tǒng)對(duì)頻率的調(diào)節(jié)能力，兩者能夠彌補(bǔ)之間的不足。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)阿勒泰電網(wǎng)仿真分析可得在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性影響比較大。當(dāng)?shù)貐^(qū)電網(wǎng)中大部分負(fù)荷是由水電機(jī)組供應(yīng)時(shí)，由于水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反調(diào)特性影響使地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列后的頻率穩(wěn)定性降低。應(yīng)盡快在地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)建設(shè)火電機(jī)組，利用火電機(jī)組一次調(diào)頻作用中和水電機(jī)組動(dòng)態(tài)反調(diào)特性，提高地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列后頻率穩(wěn)定性。孤網(wǎng)內(nèi)各水電機(jī)組都參與頻率調(diào)節(jié)時(shí)能快速響應(yīng)系統(tǒng)中頻率的變化，但是孤網(wǎng)內(nèi)頻率波動(dòng)較大。在安排電網(wǎng)運(yùn)行方式進(jìn)行時(shí)，因考慮孤網(wǎng)時(shí)頻率受水電和火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的影響不同，合理安排機(jī)組的運(yùn)行方式。

［1］黃宗君，李興源，晁劍，等.貴陽(yáng)南部電網(wǎng)“7.7”事故的仿真反演和分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(9):95-100.

［2］P.Kundur，周孝信，李興源，譯.電力系統(tǒng)穩(wěn)定和控制［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2002.

［3］Horne J，F(xiàn)lynn D，Littler T.Frequency Stability Issues for Islanded Power Systems［C］.IEEE PES Power System Conference and Exposition，2004.

［4］于達(dá)仁，郭鈺鋒，徐基豫.發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行一次調(diào)頻的穩(wěn)定性［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，20(9):59-63.

［5］何仰贊，溫增根.電力系統(tǒng)分析［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2002.

［6］周海鋒，徐志勇，申洪.電力系統(tǒng)功率頻率動(dòng)態(tài)特性研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(16):58-62.

［7］黃青松，徐廣文.水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)自定義建模與應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(16):115-117.

［8］竺煒，唐穎杰，譚喜意.發(fā)電機(jī)調(diào)速附加控制對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的作用［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28(12):21-24.

［9］涂振祥.多噴嘴沖擊式大型水輪機(jī)組的調(diào)速器控制與特殊工況運(yùn)行問(wèn)題研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(16):16-19，34.

［10］金娜，劉文穎，曹銀利，等.大容量機(jī)組一次調(diào)頻參數(shù)對(duì)電網(wǎng)頻率特性的影響［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(1):91-95，100.