孫驍強, 程 松, 劉 鑫, 段乃欣, 褚云龍, 李 華

(1. 國家電網(wǎng)公司西北分部, 陜西省西安市 710048; 2. 國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院, 陜西省西安市 710100)

0 引言

西北外送型電網(wǎng)已初具規(guī)模,電網(wǎng)頻率安全管理面臨新形勢、新挑戰(zhàn)。隨著西北電網(wǎng)特高壓直流輸電工程的大量投產(chǎn),電網(wǎng)運行與結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜,系統(tǒng)功率平衡及調(diào)頻難度不斷加大。預(yù)計至2018年年底,西北電網(wǎng)將建成5條特高壓直流外送通道,外送規(guī)模預(yù)計達到54.71 GW,直流大功率閉鎖(相繼閉鎖)將對電網(wǎng)頻率安全造成嚴(yán)重威脅[1-3]。華東電網(wǎng)“9·19” 錦蘇直流雙極閉鎖事故的發(fā)生表明,亟須進行大電網(wǎng)頻率特性實測分析研究[1],提升電網(wǎng)頻率安全風(fēng)險防控水平。

當(dāng)前,大量的研究集中于頻率偏差系數(shù)的優(yōu)化計算及如何用于互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)域偏差控制[4-7],針對大電網(wǎng)頻率特性試驗的測試方法鮮有研究。2009年華中電網(wǎng)[8]、2012年及2015年西北電網(wǎng)開展了全網(wǎng)機組一次調(diào)頻試驗,但未針對電網(wǎng)頻率特性進行實測分析。此外,工程實用中未明確區(qū)分電網(wǎng)頻率靜態(tài)、動態(tài)特性概念,實際應(yīng)用中易發(fā)生混淆[9-11]。本文提出了一種西北送端大電網(wǎng)頻率特性試驗測試方法。該方法通過實際制造電網(wǎng)頻率擾動方式,實測了西北全網(wǎng)頻率動態(tài)特性及靜態(tài)全特性,檢驗了網(wǎng)內(nèi)常規(guī)電源機組一次調(diào)頻動作性能,對提升西北送端大電網(wǎng)頻率安全防控水平具有重要意義。

1 西北電網(wǎng)頻率特性試驗情況

2016年6月24日至25日,西北電網(wǎng)組織實施了上半年全網(wǎng)頻率特性試驗,本次試驗參試常規(guī)電源機組219臺,總計容量59.094 GW,共計完成了全網(wǎng)機組自動發(fā)電控制(AGC)退出模式下拉西瓦水電廠逐步增減1.4 GW試驗、拉西瓦水電廠1.2 GW擾動試驗等共計5項試驗項目,其中試驗項目一、三、四、五為頻率階躍擾動試驗,用以分析西北電網(wǎng)頻率動態(tài)特性,試驗二為頻率斜坡擾動試驗,用以分析西北電網(wǎng)頻率靜態(tài)特性。

1.1 頻率擾動實現(xiàn)方式

拉西瓦水電廠為網(wǎng)內(nèi)容量最大水力發(fā)電廠,全場容量3.5 GW,共裝有5臺發(fā)電機組,單臺機組容量0.7 GW,站內(nèi)接線為單元接線方式。通過打跳同單元內(nèi)兩臺機組以及逐步增減(調(diào)速器電手動方式)同單元內(nèi)兩臺機組出力方式,實現(xiàn)西北電網(wǎng)頻率特性試驗頻率擾動源。

為了保證試驗期間初始工況滿足要求,試驗期間指定網(wǎng)內(nèi)李家峽水電廠為全網(wǎng)第一調(diào)頻廠,進行各試驗項目初始頻率的調(diào)整及試驗結(jié)束后頻率的恢復(fù)。

頻率擾動發(fā)生后,全網(wǎng)3 min內(nèi)不得人工調(diào)整機組出力(包括第一調(diào)頻廠),進行試驗數(shù)據(jù)記錄,3 min后,第一調(diào)頻廠不待調(diào)令迅速恢復(fù)系統(tǒng)頻率至(50±0.10)Hz以內(nèi)。

試驗擾動期間,為了保證頻率不越限,采取了頻率異?？刂拼胧?具體為:當(dāng)系統(tǒng)頻率超出(50±0.15)Hz,第一調(diào)頻廠不待調(diào)令恢復(fù)系統(tǒng)頻率至(50±0.10)Hz以內(nèi);當(dāng)系統(tǒng)頻率超出(50±0.18)Hz,西北電力調(diào)控分中心所有直調(diào)水電廠不待調(diào)令恢復(fù)系統(tǒng)頻率至(50±0.10)Hz以內(nèi)。

1.2 系統(tǒng)頻率波動過程分析

1.2.1頻率階躍擾動試驗

試驗項目一、三、四、五頻率階躍擾動試驗過程中的各項參數(shù)見附錄A表A1。

1.2.2頻率斜坡擾動試驗

試驗項目二共進行了4組拉西瓦水電廠逐步增減出力頻率斜坡擾動試驗,各項參數(shù)如附錄A表A2所示。

2 電網(wǎng)頻率特性

2.1 系統(tǒng)頻率靜態(tài)特性

2.1.1頻率靜態(tài)特性

頻率靜態(tài)特性系數(shù)β是電力系統(tǒng)固有的頻率特性系數(shù),由發(fā)電機一次調(diào)頻特性和負荷靜態(tài)頻率特性共同決定,反映了功率與頻率的靜態(tài)變化關(guān)系,用該系數(shù)表征系統(tǒng)頻率的靜態(tài)特性[12]。圖1所示為電網(wǎng)發(fā)生大功率擾動后的實際頻率曲線,其中A點為頻率起始點,表征電網(wǎng)發(fā)生功率缺額前的初始頻率,B點為頻率極值點,表征電網(wǎng)發(fā)生功率缺額后的極值頻率,C點為頻率穩(wěn)態(tài)點,表征電網(wǎng)發(fā)生功率缺額后的穩(wěn)態(tài)頻率。A,B,C三點確定方法見文獻[13]。

圖1 試驗五全網(wǎng)頻率曲線Fig.1 Frequency curve of whole network during the fifth test

電力系統(tǒng)靜態(tài)頻率特性的物理意義為電力系統(tǒng)發(fā)生功率缺額ΔP與其發(fā)生后的頻率穩(wěn)態(tài)偏差Δf∞(功率缺額發(fā)生時的頻率與發(fā)生后頻率穩(wěn)態(tài)值之差)的相對值之比[8],表征電網(wǎng)發(fā)生功率缺額后頻率恢復(fù)穩(wěn)定的能力。定義Ks表示系統(tǒng)的頻率靜態(tài)特性系數(shù),其由發(fā)電機的靜態(tài)特性系數(shù)KG和負荷的靜態(tài)特性系數(shù)KL組成,其表達式為:

(1)

Ks=KG+KL

(2)

式中:PN0和fN0分別為系統(tǒng)發(fā)生功率缺額前的總負荷和頻率。

實際應(yīng)用中,Ks是設(shè)計事故頻率控制系統(tǒng)和實施頻率控制考核的重要參數(shù),決定了電網(wǎng)一次調(diào)頻與聯(lián)絡(luò)線控制的協(xié)調(diào)性。

2.1.2頻率靜態(tài)全特性

由于并網(wǎng)發(fā)電機組一次調(diào)頻頻率死區(qū)、限幅的存在,頻率靜態(tài)特性系數(shù)根據(jù)頻率區(qū)域的不同呈現(xiàn)分段特性。實際應(yīng)用中,僅用一個以頻率靜態(tài)特性系數(shù)β為斜率的直線關(guān)系來反映電網(wǎng)功率與頻率的靜態(tài)特性具有片面性,對電網(wǎng)頻率的控制效果帶來影響,因此實測頻率靜態(tài)全特性具有重要意義。

2.2 系統(tǒng)頻率動態(tài)特性

電力系統(tǒng)的頻率動態(tài)特性是指系統(tǒng)發(fā)生功率缺額而產(chǎn)生頻率下降(或上升)的過程。根據(jù)電路動態(tài)過程的經(jīng)典理論,電力系統(tǒng)動態(tài)頻率特性是一條按指數(shù)歸類衰減的曲線[14],公式如下:

(3)

式中:f*為功率缺額后t時刻的系統(tǒng)頻率;f0*為功率缺額起始時刻系統(tǒng)頻率;Δf∞*為功率缺額發(fā)生后穩(wěn)態(tài)頻率與起始頻率之差;Tf為系統(tǒng)頻率下降時間常數(shù)。

Tf與整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動部分機械慣性時間常數(shù)Tx有如下關(guān)系:

(4)

式中:PFe為系統(tǒng)機組出力;PFHe為系統(tǒng)負荷;ΔPF*為機組出力變化;ΔPFHe*為系統(tǒng)負荷變化。

由式(3)和式(4)可知,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生功率缺額后,頻率的下降速度取決于轉(zhuǎn)動部分機械慣性時間常數(shù),即與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動部分機械慣量有關(guān)。

3 西北電網(wǎng)頻率特性實測分析

3.1 西北電網(wǎng)頻率靜態(tài)全特性實測分析

3.1.1實測分析方法

由于并網(wǎng)機組一次調(diào)頻死區(qū)的存在,系統(tǒng)頻率靜態(tài)全特性呈現(xiàn)分段特性。根據(jù)電網(wǎng)運行準(zhǔn)則,火電機組一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置為±0.033 Hz,水電機組一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置為±0.05 Hz。

為了實測西北電網(wǎng)頻率靜態(tài)全特性,利用拉西瓦水電廠定步長增減出力的方式,分段測定電網(wǎng)的頻率靜態(tài)特性系數(shù)。選取電網(wǎng)在多個穩(wěn)定工況點頻率與功率的對應(yīng)關(guān)系,通過數(shù)據(jù)擬合,曲線斜率取平均值就是電網(wǎng)頻率靜態(tài)特性系數(shù)值。具體步驟如下(以逐步增加出力為例)。

1)全網(wǎng)機組AGC功能退出,令拉西瓦水電廠5號、6號機組各帶0 MW出力,令第一調(diào)頻廠(李家峽水電廠)將系統(tǒng)頻率調(diào)整至49.98～50.02 Hz并保持穩(wěn)定約1 min。

2)通過拉西瓦水電廠2臺0 MW出力運行機組快速增出力(調(diào)速器電手動方式)推升電網(wǎng)穩(wěn)定頻率。電網(wǎng)頻率在49.96～50.04 Hz時,步長為100 MW,每次增負荷結(jié)束,穩(wěn)定10 s;電網(wǎng)頻率超出49.96～50.04 Hz時,步長為200 MW,每次增負荷結(jié)束,穩(wěn)定20 s,逐步使電網(wǎng)頻率推升至50.08 Hz以上。

3)通過拉西瓦水電廠機組快速減出力(調(diào)速器電手動方式),按上述調(diào)節(jié)步長及穩(wěn)定時間要求,逐步使電網(wǎng)頻率拉低至49.98～50.02 Hz。

4)本組試驗結(jié)束后,西北電力調(diào)控分中心通知第一調(diào)頻廠頻率正常調(diào)整。

在千島湖“保水漁業(yè)”產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會上，一系列重要舉措被提上日程：“中國大水面生態(tài)凈水研究中心”正式落戶千島湖，針對千島湖地區(qū)特點和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，開展共性關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與示范推廣；“中林兩山學(xué)院”掛牌成立，為培訓(xùn)和普及千島湖“保水漁業(yè)”提供渠道；與上海海洋大學(xué)、浙江海洋大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)等高校合作，培養(yǎng)更多的千島湖漁業(yè)產(chǎn)業(yè)人才。

3.1.2實測結(jié)果

試驗項目二中,分別通過2次拉西瓦機組快速增加和減少出力,使系統(tǒng)頻率升高和頻率降低,實測電網(wǎng)在多個穩(wěn)定工況點頻率與功率的對應(yīng)關(guān)系,具體見附錄A圖A1和圖A2。通過曲線擬合,得到全網(wǎng)靜態(tài)全特性如圖2所示,得出電網(wǎng)頻率在(50±0.035)Hz范圍內(nèi)外,電網(wǎng)頻率靜態(tài)特性有著明顯差別,其中紅實線表示實測結(jié)果。

圖2 西北電網(wǎng)頻率靜態(tài)全特性示意圖Fig.2 Schematic diagram of frequency and static characteristics of northwest power grid

1)在(50±0.035)Hz范圍內(nèi),頻率靜態(tài)特性系數(shù)在-300 MW/0.1 Hz左右。

2)在(50±0.035)Hz范圍以外,頻率靜態(tài)特性系數(shù)在-3 000 MW/0.1 Hz以上。需要特別說明的是,試驗項目二第4組測試中,低頻回調(diào)過程中因拉西瓦5號、6號機組調(diào)速器手動方式異常,導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)缺失一組。

3)虛線部分為西北電網(wǎng)頻率靜特性的分析結(jié)果,其中虛線折線部分是考慮并網(wǎng)火電機組一次調(diào)頻限幅的影響。

3.2 西北電網(wǎng)頻率動態(tài)特性實測分析

由式(4)可知,系統(tǒng)頻率下降時間常數(shù)與較多因素有關(guān),實際計算較困難。在工程實際中,多重點關(guān)注擾動動態(tài)過程中頻率極值與系統(tǒng)擾動量的關(guān)系,用以表征系統(tǒng)頻率抵御功率擾動的能力,定量表征電網(wǎng)機械慣量水平。定義電網(wǎng)頻率極值特性系數(shù)βm,用來反映電網(wǎng)頻率極值與功率擾動量的對應(yīng)關(guān)系,用該系數(shù)近似表征系統(tǒng)頻率動態(tài)特性,具體公式表達為:

(5)

式中:fmax為電網(wǎng)功率大擾動過程中的頻率極值,具體為頻率上擾過程的最大頻率或頻率下擾過程的最小頻率;f0為頻率擾動過程的起始頻率。

頻率大擾動過程中,通過機組一次調(diào)頻動作及機組慣性將系統(tǒng)頻率調(diào)至極值,隨后逐步恢復(fù),因此,為了更加準(zhǔn)確地體現(xiàn)出系統(tǒng)頻率動態(tài)特性,并更加精準(zhǔn)地計算功率擾動量與頻率極值關(guān)系,f0應(yīng)為考慮火電機組一次調(diào)頻死區(qū)影響后的頻率初值,具體為:若f0至fmax經(jīng)過火電一次調(diào)頻死區(qū),則f0應(yīng)取為49.967 Hz(低頻擾動)或50.033 Hz(高頻擾動);若f0初始在(50±0.033)Hz外,則f0為實際頻率初值。

表1 頻率極值特性系數(shù)βm實測分析Table 1 Analysis of frequency extreme characteristic coefficient

由表1可知,西北電網(wǎng)頻率極限特性系數(shù)βm為1 500 MW/0.1 Hz,即電網(wǎng)發(fā)生1 500 MW功率擾動時,系統(tǒng)頻率最大變化0.1 Hz。

4 西北電網(wǎng)常規(guī)電源機組一次調(diào)頻性能實測分析

本次西北電網(wǎng)頻率特性試驗期間,通過試驗項目一、三、四、五的4次頻率階躍擾動,完成了全網(wǎng)單機0.2 GW及以上火電機組、單機0.05 GW及以上水電機組一次調(diào)頻性能實測分析。

4.1 一次調(diào)頻性能統(tǒng)計分析方法

4.1.1單次試驗項目機組一次調(diào)頻性能評價標(biāo)準(zhǔn)

按照文獻[15]中一次調(diào)頻專業(yè)管理技術(shù)指標(biāo),通過積分電量合格率指標(biāo)判定機組單次試驗項目下一次調(diào)頻性能[16],即積分電量合格率為機組60 s實際積分電量與機組60 s理論積分電量的比值。其中,火電機組一次調(diào)頻合格率大于60%,水電機組一次調(diào)頻合格率大于50%,認定機組本次頻率擾動一次調(diào)頻動作性能合格。

4.1.2機組一次調(diào)頻性能綜合評價標(biāo)準(zhǔn)

通過統(tǒng)計4次頻率大擾動(試驗項目一、三、四、五)期間機組一次調(diào)頻性能不合格次數(shù),對機組一次調(diào)頻性能進行綜合評價認定,具體評價標(biāo)準(zhǔn)見附錄A表A3。

4.2 全網(wǎng)常規(guī)電源機組一次調(diào)頻性能實測分析

4.2.1全網(wǎng)火電機組一次調(diào)頻性能實測分析

本次西北電網(wǎng)頻率特性試驗期間,全網(wǎng)單機0.2 GW及以上火電機組共計124臺參試,其中合格機組臺數(shù)93臺,合格率75%。不同容量機組一次調(diào)頻統(tǒng)計分析結(jié)果見附錄A表A4。

實測發(fā)現(xiàn)火電機組一次調(diào)頻存在的共性問題為:①額定負荷工況下機組一次調(diào)頻增負荷方向能力不足;②在順序閥或混合閥方式下,機組在特定負荷段運行時,閥門重疊度較高,未能有效避開閥門不靈敏區(qū)[17];③機組一次調(diào)頻能力易受負荷工況影響,當(dāng)機組運行工況偏離額定參數(shù)時,一次調(diào)頻能力不足。

4.2.2全網(wǎng)水電機組一次調(diào)頻性能實測分析

本次西北電網(wǎng)頻率特性試驗期間,全網(wǎng)單機0.05 GW及以上水電機組共計59臺參試,其中合格機組臺數(shù)42臺,合格率71.19%。不同容量機組一次調(diào)頻統(tǒng)計分析結(jié)果見附錄A表A5。

實測發(fā)現(xiàn)水電機組一次調(diào)頻存在的共性問題為:①水電廠機組調(diào)速器運行于開度模式,普遍存在一次調(diào)頻與監(jiān)控系統(tǒng)閉環(huán)不協(xié)調(diào)問題[18];②部分小水電機組調(diào)速器老舊,亟須升級改造。

5 試點光伏逆變器一次調(diào)頻性能實測分析

仿照常規(guī)電源機組一次調(diào)頻功能,通過修改網(wǎng)內(nèi)4臺光伏試驗?zāi)孀兤骺刂七壿?完成有功—頻率下垂特性曲線,實現(xiàn)光伏逆變器參與電網(wǎng)一次調(diào)頻功能。本次全網(wǎng)一次調(diào)頻試驗期間,通過提前預(yù)留光伏逆變器10%有功備用方式,完成了4臺試驗光伏試驗?zāi)孀兤饕淮握{(diào)頻性能驗證。試驗?zāi)孀兤饕淮握{(diào)頻實測波形如圖3和圖4所示。圖中，Ppv和Ppvref分別為光伏逆變器功率和理論動作功率。

選取試驗項目三、試驗五2次電網(wǎng)頻率階躍擾動數(shù)據(jù),從響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)速率、60 s積分電量完成率3個指標(biāo)對比光伏逆變器與常規(guī)機組一次調(diào)頻響應(yīng)能力,分析結(jié)果見附錄A表A6。由分析結(jié)果可知:試驗光伏逆變器一次調(diào)頻響應(yīng)時間與火電、水電機組大致相當(dāng)(3～5 s),調(diào)節(jié)速率整體上優(yōu)于火電機組,與水電機組相當(dāng),具備參與電網(wǎng)一次調(diào)頻能力。需要說明的是:本次試驗期間,光伏逆變器通過提前預(yù)留有功備用方式完成電網(wǎng)低頻響應(yīng)。實際運行中,不考慮逆變器加裝儲能裝置,若未提前預(yù)留有功備用,光伏逆變器僅可參與電網(wǎng)高頻減出力快速調(diào)節(jié)。

圖3 吳忠十六光伏53號逆變器測試波形Fig.3 Test waveforms of No. 53 inverter of Wuzhong-Shiliu photovoltaic power plant

圖4 恰龍光伏2號逆變器測試波形Fig.4 Test waveforms of No. 2 inverter of Qialong photovoltaic power plant

6 結(jié)論

本文提出了一種電網(wǎng)頻率特性試驗測試方法。該方法利用水電廠快增、快減出力方式制造電網(wǎng)斜坡式頻率擾動,通過穩(wěn)定工況點頻率與功率的對應(yīng)關(guān)系,以數(shù)據(jù)擬合方式實測完成西北電網(wǎng)頻率靜態(tài)全特性。同時,該方法利用打跳網(wǎng)內(nèi)單元接線內(nèi)2臺大型水電機組方式制造電網(wǎng)實際頻率大階躍擾動,實測了西北全網(wǎng)頻率動態(tài)特性,檢驗了網(wǎng)內(nèi)常規(guī)電源機組一次調(diào)頻動作性能,有如下結(jié)論。

1)該方法是一種實用化的電網(wǎng)頻率特性試驗測試方法,可實測電網(wǎng)頻率靜態(tài)及動態(tài)特性,填補了以往頻率特性實測試方法的空缺,而且實驗過程安全穩(wěn)定,可行性高。

2)電網(wǎng)頻率靜態(tài)特性因常規(guī)電源機組一次調(diào)頻死區(qū)呈現(xiàn)分段特性。實測表明,在(50±0.035)Hz頻段內(nèi),頻率靜態(tài)特性系數(shù)為-300 MW/0.1 Hz,在(50±0.035)Hz頻段外,頻率靜態(tài)特性系數(shù)為-3 000 MW/0.1 Hz。

3)實測表明,西北電網(wǎng)頻率極限特性系數(shù)為1 500 MW/0.1 Hz,即電網(wǎng)發(fā)生1 500 MW功率擾動時,系統(tǒng)頻率最大變化0.1 Hz。

4)實測發(fā)現(xiàn),利用水電廠機組逐步增減出力過程中,調(diào)節(jié)步長大小、穩(wěn)定時間長短的合理選取,對全網(wǎng)頻率靜態(tài)全特性測試結(jié)果有較大影響,有待進一步深入分析。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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