曹煒，祁曉卿，王大宏，王大飛，靳希，顧丹珍

（1.上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海200090; 2.西藏電力有限公司，西藏拉薩 850000）

目前，我國西藏地區(qū)孤立電網(wǎng)（如阿里電網(wǎng)）的主要電源是小型水輪發(fā)電機組，并帶有少量備用柴油機組，電網(wǎng)中的負(fù)荷量較小且多為居民負(fù)荷，對頻率質(zhì)量的要求不高.為了保證用戶的正常用電和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，仍需對孤立電網(wǎng)的頻率進(jìn)行有效的控制［1，2］.

本文基于電力系統(tǒng)分析綜合程序（Power System Analysis Software Package，PSASP），對西藏阿里電網(wǎng)進(jìn)行建模，并在大負(fù)荷沖擊下進(jìn)行仿真計算，研究水輪機及其調(diào)速器特性對電網(wǎng)頻率特性的影響，以期為探索阿里電網(wǎng)中合適的頻率控制策略提供依據(jù).

1 阿里電網(wǎng)與仿真模型簡介

阿里電網(wǎng)是一個典型的孤立小電網(wǎng)，其主要電源是獅泉河水電站，裝機容量為4×1.6 MW，通過4臺2 MW的升壓變壓器將電壓升至35 kV后，經(jīng)輸電線路送電到阿里地區(qū)的獅泉河鎮(zhèn).該電網(wǎng)的主要負(fù)荷集中在獅泉河鎮(zhèn)上，截至2009年最大負(fù)荷約為3.3 MW.在獅泉河鎮(zhèn)配網(wǎng)中，有一些用戶自備柴油發(fā)電機（總?cè)萘繛?.86 MW），當(dāng)水電站故障時由備用柴油發(fā)電機供電，同時實行限電.

本文用PSASP軟件建立阿里電網(wǎng)模型，假設(shè)運行方式為水輪機開機3臺（額定功率為3×1.6 MW），負(fù)荷總量為3 MW，35 kV和10 kV側(cè)的負(fù)荷量分別為1 MW和2 MW.

1.1 發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)模型

本仿真模型采用PSASP的3型水輪發(fā)電機模型，即考慮Eq″，Ed″，Eq'電勢變化的5階模型，此模型適合于凸極轉(zhuǎn)子（水輪）發(fā)電機.勵磁系統(tǒng)模型為自并勵和自復(fù)勵的快速系統(tǒng)及可控硅調(diào)節(jié)器，對應(yīng)選用PSASP中的2型勵磁系統(tǒng).

1.2 調(diào)速器模型

選用PSASP軟件中提供的Ⅰ型原動機調(diào)速器模型，其簡化傳遞函數(shù)如圖1所示.

圖1 PSASP I型調(diào)速器簡化傳遞函數(shù)

令T0=0.5Tw，則水輪機部分的傳遞函數(shù)為：

1.3 負(fù)荷模型

負(fù)荷模型采用5型綜合負(fù)荷模型，構(gòu)成比例為70%恒定阻抗和30%感應(yīng)電動機模型，35 kV和10 kV側(cè)均采用該比例.其中，感應(yīng)電動機的參數(shù)采用PSASP中的典型參數(shù)［3］.

2 水輪機及其調(diào)速器參數(shù)對阿里電網(wǎng)頻率特性的影響

阿里電網(wǎng)中的最大負(fù)荷為550 kW的阻性負(fù)荷，仿真計算此負(fù)荷突然投入時阿里電網(wǎng)的頻率特性.計算過程中，水輪機及其調(diào)速器各參數(shù)基本設(shè)置如表1所示［4-7］，每次測試只改變表1中的某一項參數(shù)，并保證其他參數(shù)不變.

表1 水輪機及其調(diào)速器的基本參數(shù)

2.1 轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)

改變水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)Tj，保持其他參數(shù)不變，系統(tǒng)在負(fù)荷突增沖擊下的頻率動態(tài)響應(yīng)曲線如圖2所示.

圖2 轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)變化時的頻率動態(tài)響應(yīng)曲線

由圖2可以看出，隨著機組慣性時間常數(shù)的增大，系統(tǒng)在擾動后的暫態(tài)過程中，暫態(tài)頻率最大，超調(diào)量逐漸減小，動態(tài)調(diào)節(jié)過程變得緩慢，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)頻率的時間逐漸變長，但穩(wěn)態(tài)頻率保持不變，約為49.7 Hz.

2.2 測量環(huán)節(jié)放大倍數(shù)

水輪機調(diào)速器的測速部件靈敏度一般為0.05～0.1［6］，對應(yīng)圖1中測量環(huán)節(jié)放大倍數(shù)Kδ為10～20.改變Kδ且保持其他參數(shù)不變，系統(tǒng)在負(fù)荷突增沖擊下的頻率動態(tài)響應(yīng)曲線如圖3所示.

圖3 測量環(huán)節(jié)放大倍數(shù)變化時的頻率動態(tài)響應(yīng)曲線

由圖3可以看出，隨著測量環(huán)節(jié)放大倍數(shù)Kδ的增大，系統(tǒng)在發(fā)生擾動時的頻率最大超調(diào)量（暫態(tài)頻率的最大偏差值）將變小，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)頻率的時間縮短，而穩(wěn)態(tài)頻率仍約為49.7 Hz.

2.3 伺服機構(gòu)（主接力器）時間常數(shù)

水輪機調(diào)速器的伺服機構(gòu)時間常數(shù)Ts一般為4～7 s［6］，改變Ts且保持其他參數(shù)不變，系統(tǒng)在負(fù)荷突增沖擊下的頻率動態(tài)響應(yīng)曲線見圖4.

圖4 伺服機構(gòu)時間常數(shù)變化時的頻率動態(tài)響應(yīng)曲線

結(jié)合圖1可知，配壓閥的活塞位移σ的變化造成接力器活塞位移μ的變化，二者之間的關(guān)系為：

由式（1）可知，若頻率偏差Δf不變，測量環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Kδ不變，則η不變.由于Kβ，Ti，Ki均不變，則Ts的增加將導(dǎo)致μ的減小，即接力器活塞位移減小，造成導(dǎo)水葉開度減小，從而使水輪機輸出的功率Pm增加的速度變慢，導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量變大.但穩(wěn)態(tài)頻率保持不變，約為49.7 Hz.

2.4 水流慣性時間常數(shù)

水流慣性時間常數(shù)一般為0.5～4 s［6］，保持其他參數(shù)不變，則阿里電網(wǎng)在受到負(fù)荷突增沖擊時的頻率動態(tài)響應(yīng)特性曲線如圖5所示，其機械功率Pm的輸出響應(yīng)曲線如圖6所示.

圖5 水流慣性時間常數(shù)變化時的頻率動態(tài)響應(yīng)曲線

圖6 水流慣性時間常數(shù)變化時機械功率的輸出曲線

由圖5和圖6可知，隨著水流慣性時間常數(shù)的增大，水錘效應(yīng)顯著，系統(tǒng)在發(fā)生擾動時的頻率最大超調(diào)量將變大，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)頻率所用的時間也越長.若水錘為3 s或4 s，則會導(dǎo)致該孤立電網(wǎng)暫態(tài)過程超調(diào)時間延長，頻率會大幅振蕩.

2.5 水錘效應(yīng)

在動態(tài)過程中，當(dāng)水輪機導(dǎo)葉開啟時，引水系統(tǒng)水流的加速將導(dǎo)致水輪機力矩有短時段的降低，從而產(chǎn)生與控制目標(biāo)相反的逆向調(diào)節(jié)，這將為系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定和相應(yīng)特性帶來十分不利的影響.因此，隨著水錘效應(yīng)時間常數(shù)的增大，水輪機系統(tǒng)動態(tài)特性將會惡化，系統(tǒng)的一次調(diào)頻性能將變差［8］.

有無水錘效應(yīng)時孤立電網(wǎng)的頻率動態(tài)響應(yīng)特性曲線如圖7所示，水輪機機械功率Pm的輸出響應(yīng)曲線如圖8所示.

圖7 有無水錘效應(yīng)時的頻率動態(tài)響應(yīng)曲線

圖8 有無水錘效應(yīng)時的機械功率輸出曲線

由以上仿真結(jié)果可以看出，若水輪機無水錘效應(yīng)，則機組的出力可以迅速增加，系統(tǒng)的暫態(tài)頻率超調(diào)量將變小，但振蕩次數(shù)有所增加，達(dá)到穩(wěn)態(tài)頻率所需時間較長，其穩(wěn)態(tài)頻率與水輪機有水錘效應(yīng)時相同，仍約為49.7 Hz.

3 結(jié)論

（1）水輪發(fā)電機組慣性時間常數(shù)、測量環(huán)節(jié)放大倍數(shù)、水錘效應(yīng)及水流慣性時間常數(shù)對孤立電網(wǎng)的暫態(tài)頻率變化特性影響較大，其中水錘效應(yīng)的影響最大，但上述各參數(shù)并不影響由調(diào)差系數(shù)決定的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏差;

（2）加大水輪發(fā)電機組的慣性時間常數(shù)，有利于改善系統(tǒng)的頻率特性.在實際應(yīng)用中，雖然不能改變單臺機的慣性時間常數(shù)，但可以考慮盡量多開機，增加一定負(fù)載功率下的系統(tǒng)等效慣性時間常數(shù).

［1］楊冠城.電力系統(tǒng)自動裝置原理［M］.第四版.北京：中國電力出版社，2007：139-149.

［2］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GBT 15945-2008電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：1-3.

［3］朱方，湯涌，張東霞，等.發(fā)電機勵磁和調(diào)速器模型參數(shù)對東北電網(wǎng)大擾動試驗仿真計算的影響［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31 （4）：69-74.

［4］倪以信.動態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002：72-80.

［5］李華，史可琴，范越，等.電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算用水輪機調(diào)速器模型結(jié)構(gòu)分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（5）：25-28.

［6］西安交通大學(xué)，清華大學(xué)，浙江大學(xué)，等.電力系統(tǒng)計算［M］.北京：水力電力出版社，1978：127-155.

［7］PRABHA KUNDUR.Power system stability and control［M］.北京：中國電力出版社，2001：377-460.

［8］魏守平.水輪機調(diào)節(jié)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009：77-129.

（編輯白林雪）