吳茂乾，陳 江，王 筱，賴國輝，常喜強(qiáng)，晁 勤

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047;2.奎屯市電業(yè)局 新疆奎屯 833200;3.新疆電力調(diào)度通信中心，新疆烏魯木齊 830008)

0 引言

近幾年隨著電力生產(chǎn)和電力供應(yīng)這個(gè)大系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大和增強(qiáng)，電力系統(tǒng)的頻率特性也日趨復(fù)雜。同時(shí)系統(tǒng)對頻率的要求也越來越嚴(yán)格，電網(wǎng)頻率的好壞將直接影響到系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)電力系統(tǒng)受到聯(lián)絡(luò)線跳閘、大機(jī)組跳閘或者大容量負(fù)荷投切等擾動(dòng)時(shí)，由于系統(tǒng)原有的功率平衡遭到破壞，引起系統(tǒng)頻率發(fā)生變化。當(dāng)系統(tǒng)的頻率變化較大而超出其允許范圍時(shí)將會(huì)給電力系統(tǒng)帶來明顯的不利影響，甚至導(dǎo)致頻率失穩(wěn)而發(fā)生頻率崩潰現(xiàn)象，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和可靠性。低頻減載作為保障電網(wǎng)安全運(yùn)行中的最后一道防線，是防止電力系統(tǒng)發(fā)生頻率崩潰的緊急控制措施。因此，正確認(rèn)識電力系統(tǒng)的頻率特性是整定低頻減載方案、研究系統(tǒng)運(yùn)行方式、確定系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和評價(jià)各種調(diào)頻調(diào)壓措施等工作的基礎(chǔ)。雖然隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展與加強(qiáng)，互聯(lián)電網(wǎng)系統(tǒng)的容量也在不斷的增加，發(fā)生全局性頻率崩潰的概率幾乎很小，但一旦發(fā)生將會(huì)使整個(gè)電網(wǎng)崩潰。

下面從2011年新疆電網(wǎng)通過新投運(yùn)750 kV線路與西北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，與全國形成了一個(gè)大的互聯(lián)電網(wǎng)這方面來探討聯(lián)網(wǎng)與不聯(lián)網(wǎng)對新疆電網(wǎng)頻率的時(shí)空分布特性的影響。并對這兩種情況下新疆電網(wǎng)頻率的時(shí)空分布特性給電網(wǎng)安全帶來的影響尤其是低頻減載方案的影響進(jìn)行了探討比較。從而為新疆電力相關(guān)部門采取相關(guān)的措施提供依據(jù)，減小電網(wǎng)頻率振蕩對電網(wǎng)的影響，保證用戶用電的可靠。

1 電網(wǎng)的頻率特性

1.1 電網(wǎng)頻率特性的基本概念

電網(wǎng)的頻率特性是指系統(tǒng)中的有功功率平衡遭到破壞時(shí)而引起的頻率變化特性，它分為靜態(tài)頻率特性和動(dòng)態(tài)頻率特性。電網(wǎng)的靜態(tài)頻率特性強(qiáng)調(diào)的是電網(wǎng)頻率的一種狀態(tài)，而電網(wǎng)動(dòng)態(tài)頻率特性則強(qiáng)調(diào)的是頻率變化的過程。電網(wǎng)的頻率特性主要是由發(fā)電機(jī)的頻率特性和負(fù)荷的頻率特性及電壓影響綜合作用的結(jié)果。靜態(tài)頻率特性取決于負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性和發(fā)電機(jī)的靜態(tài)頻率特性，常以頻率特性系數(shù)K表示，其中包括負(fù)荷靜態(tài)頻率特性系數(shù)KL和發(fā)電機(jī)靜態(tài)頻率特性KG。

式中，ρ為備用容量系數(shù)，它是系統(tǒng)總開機(jī)容量與總開機(jī)出力(包括廠用電及網(wǎng)損)之比。頻率的動(dòng)態(tài)特性是指電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，系統(tǒng)由于功率平衡遭到破壞而引起系統(tǒng)頻率發(fā)生變化，從而使系統(tǒng)頻率從正常狀態(tài)過渡到另一個(gè)穩(wěn)定值所經(jīng)歷的時(shí)間過程。它與系統(tǒng)的備用容量、負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)及系統(tǒng)內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的慣性時(shí)間等因數(shù)有關(guān)，系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)越大，頻率變化過程所經(jīng)歷的時(shí)間越長。

1.2 電網(wǎng)頻率的時(shí)空分布特性

電力系統(tǒng)的時(shí)空分布特性［12］通常是指互聯(lián)大電網(wǎng)在發(fā)生有功缺額擾動(dòng)之后，不僅不同地點(diǎn)頻率變化的幅值不同，而且各地頻率變化量達(dá)到最大值的時(shí)間也不同，使頻率呈現(xiàn)出明顯的時(shí)空分布特性。頻率的時(shí)空分布特性是互聯(lián)大電網(wǎng)區(qū)別于簡單網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果的重要特征之一。

2 電網(wǎng)頻率特性的影響因素

當(dāng)電力系統(tǒng)遭受有功功率缺額擾動(dòng)后，一方面通過負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)來減小功率需求;另一方面，通過調(diào)用系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)備用容量增大系統(tǒng)出力來提高電網(wǎng)的頻率，使頻率恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)。在這個(gè)調(diào)節(jié)的過程當(dāng)中系統(tǒng)頻率的變化涉及到電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行方程及其參數(shù)、調(diào)速器模型及旋轉(zhuǎn)備用、勵(lì)磁調(diào)節(jié)模型和負(fù)荷調(diào)節(jié)模型。因此，發(fā)生有功缺額故障后，系統(tǒng)原有的有功功率平衡狀態(tài)被打破，各發(fā)電機(jī)組將按其同步功率分擔(dān)發(fā)電缺額，并釋放轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存的部分慣性動(dòng)能。轉(zhuǎn)子動(dòng)能的消耗將使機(jī)組轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)頻率降低。

影響系統(tǒng)功率頻率過程的因素主要集中在故障擾動(dòng)地點(diǎn)、發(fā)電機(jī)組模型及其參數(shù)、調(diào)速器調(diào)節(jié)特性、旋轉(zhuǎn)備用容量及其分布和負(fù)荷特性等幾個(gè)因數(shù)上。

3 新疆電網(wǎng)頻率的時(shí)空分布特性仿真算例分析

2011年新疆電網(wǎng)通過新投運(yùn)了750 kV線路與西北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，使得新疆電網(wǎng)與全國實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，形成了一個(gè)大的互聯(lián)網(wǎng)，從某種意義上雖然提高了新疆電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，但同時(shí)也會(huì)給新疆電網(wǎng)頻率的時(shí)空分布特性造成了一定的影響。為了討論聯(lián)網(wǎng)與不聯(lián)網(wǎng)給新疆電網(wǎng)頻率的時(shí)空分布特性所帶來的影響，對此通過實(shí)際的例子進(jìn)行了仿真分析。

以新疆電網(wǎng)紅雁池二電廠有功脫落380 MW，陜西銅川電廠有功脫落1 000 MW、甘肅張掖電廠有功脫落500 MW和甘肅崇信電廠有功脫落1 000 MW為例對新疆電網(wǎng)頻率的時(shí)空分布特性進(jìn)行了仿真分析。

如圖1～4所示。圖中A、B分別代表新疆電網(wǎng)與西北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)和未聯(lián)網(wǎng)的條件下新疆電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生相同功率缺額的情況(新疆電網(wǎng)紅雁池二電廠有功脫落380 MW);C代表新疆電網(wǎng)與西北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)條件下西北電網(wǎng)出現(xiàn)大功率缺額(陜西銅川電廠有功脫落1 000 MW、甘肅張掖電廠有功脫落500 MW和甘肅崇信電廠有功脫落100 MW)的情況。

由圖1～4中對A、B兩種情況下進(jìn)行了比較和分析可知，當(dāng)新疆電網(wǎng)出現(xiàn)相同有功功率缺額時(shí)，A、B兩種情況下對新疆電網(wǎng)中同一發(fā)電廠的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響程度不同。在A種情況下，新疆電網(wǎng)各區(qū)域發(fā)電廠的頻率變化特性要比在B種情況下的好很多。這是由于在A種情況下由于與西北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)增大了整個(gè)電網(wǎng)的容量，所以當(dāng)新疆電網(wǎng)出現(xiàn)有功功率缺額時(shí)，A種情況下對新疆電網(wǎng)頻率的影響要比在B種情況下的小得多。但是當(dāng)出現(xiàn)C種情況時(shí)，對新疆電網(wǎng)各區(qū)域的發(fā)電廠頻率的影響卻很大，由圖1～4 可知，最低達(dá)到49.648 Hz。

圖1 天光電廠頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

圖2 瑪納斯電廠頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

圖3 庫車電廠頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

圖4 紅雁池二電廠頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

由圖5可知，當(dāng)新疆電網(wǎng)運(yùn)行在A種情況下時(shí)，不同地方電廠頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線不同。這主要體現(xiàn)在各電廠的頻率變化的幅值和其頻率變化量達(dá)到最大值的時(shí)間不同。如表1所示。

圖5 A種情況下頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

表1 電網(wǎng)運(yùn)行在A種情況下各電廠的頻率響應(yīng)

從表1中可以看出，當(dāng)新疆電網(wǎng)運(yùn)行在A種情況下時(shí)，庫車電廠的頻率可降低至到0.997 35 p.u.，其時(shí)間用了6.82 s;而瑪納斯電廠在6.58 s時(shí)其頻率就降至到最低點(diǎn)，這說明在電網(wǎng)中某點(diǎn)出現(xiàn)有功功率缺額時(shí)，同一電網(wǎng)中不同區(qū)域電廠頻率響應(yīng)程度不同，這充分體現(xiàn)了頻率的時(shí)空分布特性。由于各地區(qū)的頻率特性不同，它與傳統(tǒng)認(rèn)為的全網(wǎng)頻率特性一致相矛盾，而會(huì)影響到全網(wǎng)的低頻減載方案，使新疆電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行受到挑戰(zhàn)。

圖6 B種情況下頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

圖7 C種情況下頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

由圖6和圖7可知，當(dāng)新疆電網(wǎng)運(yùn)行在B、C這兩種情況下時(shí)，其情況和圖5中的一樣。如表2和3所示。

表2 電網(wǎng)運(yùn)行在B種情況下各電廠的頻率響應(yīng)

表3 電網(wǎng)運(yùn)行在C種情況下各電廠的頻率響應(yīng)

4 結(jié)語

由上面的圖和表可知，當(dāng)新疆電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，在新疆電網(wǎng)出現(xiàn)有功功率缺額的條件下，不同地方電廠頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)程度不同，且各電廠的頻率變化的幅值和其頻率變化量達(dá)到最大值的時(shí)間也不同。同時(shí)當(dāng)新疆電網(wǎng)與西北聯(lián)網(wǎng)時(shí)，新疆電網(wǎng)出現(xiàn)相同功率缺額時(shí)，會(huì)在一定程度上提高新疆電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性，但是當(dāng)西北電網(wǎng)出現(xiàn)大功率缺額時(shí)，會(huì)對新疆電網(wǎng)頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至?xí)绊懙叫陆娋W(wǎng)的低頻減載方案。因此，要采取合適的措施來防止這種事故的發(fā)生，近一步提高新疆電網(wǎng)頻率的安全穩(wěn)定性。

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