張 曼， 繆源誠(chéng)， 常寶立， 黃志光， 時(shí)艷強(qiáng)

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國(guó)家電網(wǎng)有限公司華東分部，上海 200120)

0 引言

隨著潰入電網(wǎng)的特高壓直流規(guī)模激增[1-2]，直流閉鎖引起的頻率穩(wěn)定問(wèn)題已成為大受端電網(wǎng)面臨的最重大風(fēng)險(xiǎn)之一[3-4]。一方面，單一直流輸電規(guī)模不斷提高，電網(wǎng)面臨更大頻率沖擊源的威脅；另一方面，隨著直流受電規(guī)模增大，直流對(duì)網(wǎng)內(nèi)常規(guī)電源的置換效應(yīng)進(jìn)一步加劇，相同功率缺額導(dǎo)致的電網(wǎng)頻率跌落更大，電網(wǎng)頻率特性呈現(xiàn)惡化趨勢(shì)。文獻(xiàn)[5—6]分析了直流故障造成大受端電網(wǎng)大功率缺額引起的系統(tǒng)頻率下降事故，同時(shí)分析了大受端電網(wǎng)頻率響應(yīng)特性。文獻(xiàn)[7]分析了因受端電網(wǎng)交流故障引發(fā)的多饋入直流同時(shí)換相失敗故障案例。

目前電網(wǎng)故障后的負(fù)荷暫態(tài)控制，主要通過(guò)第二道防線的穩(wěn)控系統(tǒng)和第三道防線的低頻低壓減負(fù)荷裝置實(shí)現(xiàn)，以解決故障導(dǎo)致大功率缺額所引發(fā)的頻率穩(wěn)定問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]提出了特高壓直流配套穩(wěn)控系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)原則和技術(shù)方案。文獻(xiàn)[9] 提出了以在線監(jiān)視為基礎(chǔ)的綜合考慮事故等級(jí)的緊急減負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和協(xié)調(diào)決策框架。

電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障(如單回、兩回及以上特高壓直流同時(shí)閉鎖)時(shí)，可能觸發(fā)第三道防線大量低頻低壓減負(fù)荷裝置動(dòng)作。由于其切負(fù)荷量大，一旦低頻減載動(dòng)作容易觸發(fā)599號(hào)令[10]所規(guī)定的電力事故等級(jí)，造成嚴(yán)重社會(huì)影響。

為了進(jìn)一步加強(qiáng)第二道防線，拓展第三道防線,充分利用可中斷負(fù)荷，減小低周減載首輪動(dòng)作可能，降低觸發(fā)嚴(yán)重事故等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)，本文提出了一種可中斷負(fù)荷就地按頻率切除方案，在系統(tǒng)發(fā)生易引發(fā)低周減載的大功率缺額時(shí)，利用分布式就地裝置按頻率先切除可中斷負(fù)荷，提升系統(tǒng)恢復(fù)頻率至安全值。進(jìn)一步提出可中斷負(fù)荷切除策略的定值選擇方法，按照“避免過(guò)切高周、欠切恢復(fù)頻率不足”原則，合理選擇可中斷負(fù)荷起切頻率定值和切負(fù)荷量，并考慮負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)[11-12]的變化，對(duì)所選方案進(jìn)行適應(yīng)性分析。仿真結(jié)果證明了該方案的合理性和可行性。

1 大受端電網(wǎng)頻率控制現(xiàn)狀

1.1 頻率控制主要手段

在中國(guó)電網(wǎng)的三道防線中，第二道防線中基于故障聯(lián)切負(fù)荷的緊急控制以及第三道防線中基于頻率響應(yīng)的切負(fù)荷校正控制，是目前解決大電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問(wèn)題的主要手段[13-15]。

對(duì)于低頻減載，DL/T 428—2010[16]規(guī)定，當(dāng)電力系統(tǒng)在實(shí)際可能的各種運(yùn)行方式下因故發(fā)生突然的有功功率缺額后，必須能及時(shí)切除相應(yīng)容量的部分負(fù)荷，使保留運(yùn)行的系統(tǒng)部分能迅速恢復(fù)到額定頻率附近繼續(xù)運(yùn)行，不發(fā)生頻率崩潰，也不使事件后的系統(tǒng)頻率長(zhǎng)期懸浮于某一過(guò)高或過(guò)低數(shù)值。自動(dòng)低頻減負(fù)荷裝置動(dòng)作后，應(yīng)使運(yùn)行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率恢復(fù)到49.5 Hz水平，因負(fù)荷過(guò)切引起恢復(fù)時(shí)的系統(tǒng)頻率過(guò)調(diào)，其最大值不應(yīng)超過(guò)51 Hz。

1.2 大受端電網(wǎng)面臨的頻率問(wèn)題

對(duì)于特高壓直流密集饋入的受端電網(wǎng)，直流輸送容量持續(xù)增加，大量直流功率替代受端電網(wǎng)常規(guī)機(jī)組，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量水平降低、頻率調(diào)節(jié)能力下降，直流閉鎖造成的大功率沖擊，極易誘發(fā)全網(wǎng)頻率問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)低頻減載第一輪動(dòng)作頻率值均設(shè)定在49.0 Hz。經(jīng)過(guò)計(jì)算，特高壓直流發(fā)生雙極閉鎖就存在低頻減載裝置動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)，易觸發(fā)599號(hào)令所規(guī)定的電力事故等級(jí)，造成嚴(yán)重社會(huì)影響和巨大經(jīng)濟(jì)損失。

2 計(jì)算模型及理論依據(jù)

2.1 研究思路

根據(jù)文獻(xiàn)[16]的建議，采用單機(jī)等值模型進(jìn)行方案研究，避免采用全網(wǎng)模型時(shí)，由于母線電壓變化、系統(tǒng)暫穩(wěn)制約等因素，而影響頻率問(wèn)題的研究。

由于電網(wǎng)中負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)隨不同運(yùn)行工況會(huì)存在變化情況，在單機(jī)等值模型中對(duì)負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)的適應(yīng)性分析做仿真分析。方案制定完成后，通過(guò)全網(wǎng)實(shí)際模型進(jìn)行仿真校驗(yàn)。

2.2 計(jì)算模型

采用單機(jī)帶集中負(fù)荷的等值系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，參考技術(shù)規(guī)范，在計(jì)算模型中進(jìn)行如下考慮[16]：

(1) 由于系統(tǒng)發(fā)生突然有功功率缺額引起系統(tǒng)頻率下降，系統(tǒng)潮流和電壓也要發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，從而影響負(fù)荷量的變化。在進(jìn)行方案的整定計(jì)算時(shí)，可忽略電壓對(duì)負(fù)荷的影響。對(duì)此，負(fù)荷模型采用恒功率模型，并考慮其負(fù)荷頻率特性。

(2) 為了求得可能的最大頻率偏移，可不考慮系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)備用的作用。即關(guān)閉調(diào)速器模型，從而保證計(jì)算結(jié)果具有一定裕度。

對(duì)于單機(jī)等值模型，發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)和負(fù)荷的頻率因子對(duì)仿真結(jié)果有較大影響。對(duì)此，以華東電網(wǎng)2016年典型方式BPA數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)直流閉鎖故障進(jìn)行暫態(tài)仿真，然后采用單機(jī)等值模型進(jìn)行近似曲線擬合，得出單機(jī)模型中發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)取為7 s，負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)取為2.0。

方案制定后，全網(wǎng)模型校核采用華東電網(wǎng)2016年典型方式數(shù)據(jù)和模型，負(fù)荷模型采用40%恒阻抗模型和60%恒功率模型，未考慮馬達(dá)模型。

2.3 單機(jī)模型仿真理論依據(jù)

單機(jī)模型下，由于無(wú)旋轉(zhuǎn)備用，損失發(fā)電全部是由負(fù)荷的頻率效應(yīng)來(lái)承擔(dān)的[16]，對(duì)此滿足如下公式：

(1)

當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí)，由于負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)，負(fù)荷吸收的有功功率也會(huì)減小[18-19]，不同KL將導(dǎo)致負(fù)荷有功功率變化量的不同。KL越大，頻率下降時(shí)負(fù)荷有功功率減小的越多，即越有利于頻率的恢復(fù)。

在實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行中，由于負(fù)荷的不斷發(fā)展和變化，導(dǎo)致KL也是動(dòng)態(tài)變化的。若整定可中斷負(fù)荷的切除策略時(shí)，僅將系統(tǒng)負(fù)荷作為一個(gè)綜合負(fù)荷，其負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)KL按固定值考慮，得出的策略將不能適應(yīng)實(shí)際電網(wǎng)中KL的變化，有可能出現(xiàn)過(guò)切或欠切的情況。因此，在策略研究的時(shí)候，考慮負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)的典型變化范圍。

3 可中斷負(fù)荷就地按頻率切除策略研究

基于負(fù)荷控制的基本原則，可中斷負(fù)荷就地按頻率切除策略研究重點(diǎn)是避免過(guò)切高周、欠切恢復(fù)頻率不足[16-17]，選擇合理的起切頻率定值和切負(fù)荷量。用BPA單機(jī)等值模型進(jìn)行方案研究，方案確定后，用華東電網(wǎng)2016年典型方式數(shù)據(jù)下的大系統(tǒng)機(jī)電仿真程序仿真校核方案可行性和合理性。

策略研究按以下步驟進(jìn)行：

(1) 根據(jù)DL/T 428—2010技術(shù)規(guī)定，方案研究時(shí)，要求本輪可中斷負(fù)荷切除后恢復(fù)頻率不低于49.5 Hz，最高頻率不高于51 Hz。在滿足該頻率要求的基礎(chǔ)上，盡可能減少切負(fù)荷量，對(duì)此，按照最高恢復(fù)頻率不超過(guò)50.5 Hz進(jìn)行研究。

(2) 由于切可中斷負(fù)荷對(duì)用戶仍然存在影響，方案須具有一定可靠性，而可中斷負(fù)荷就地按頻率切除需早于低周減載首輪動(dòng)作，因此，其頻率定值fh0暫按不大于49.5 Hz，不小于49.0 Hz區(qū)間進(jìn)行選擇，延時(shí)取為0.3 s。

(3) 在49.25 Hz頻率定值下，通過(guò)仿真選擇切負(fù)荷量的方法為：在典型KL(如2.0)下，先計(jì)算若本輪不動(dòng)作，會(huì)導(dǎo)致頻率跌至49.01 Hz(即略大于低頻減載首輪動(dòng)作定值)的功率缺額；接著考慮本輪動(dòng)作，計(jì)算頻率恢復(fù)至49.5 Hz和50.5 Hz所需切負(fù)荷量F1和F2(F2>F1)；然后計(jì)算若本輪不動(dòng)作，會(huì)導(dǎo)致頻率跌至49.24 Hz(即略小于可中斷負(fù)荷動(dòng)作定值)的功率缺額；最后考慮本輪動(dòng)作，計(jì)算頻率恢復(fù)至49.5 Hz和50.5 Hz所需切負(fù)荷量F3和F4(F4>F3)。取其交集，作為可選切負(fù)荷量，即：若F4>F1，則(F1，F(xiàn)4)為可選切負(fù)荷量范圍。

(4) 用不同負(fù)荷頻率因子KL重復(fù)此過(guò)程，得到幾個(gè)范圍，并取交集。

(5) 在49.50 Hz頻率定值下，按以上兩個(gè)步驟重新計(jì)算可選切負(fù)荷量范圍。

(6) 比較頻率定值為49.25 Hz和49.5 Hz的計(jì)算結(jié)果，選擇合理的頻率定值fh0。

(7) 在選取的頻率定值fh0下，對(duì)不同切負(fù)荷值進(jìn)行仿真研究，計(jì)算其恢復(fù)頻率。最終選擇合理的切負(fù)荷值。

(8) 用2016年典型方式全網(wǎng)實(shí)際模型對(duì)整體方案進(jìn)行仿真校核。

3.1 可中斷負(fù)荷起切頻率定值fh0選擇

在單機(jī)等值模型下，通過(guò)仿真計(jì)算選擇起切頻率定值fh0。

(1)fh0=49.25 Hz分析。當(dāng)門(mén)檻值取49.25 Hz時(shí)，通過(guò)仿真計(jì)算，可得到結(jié)果如表1—3所示。

表1 門(mén)檻值取49.25 Hz切負(fù)荷比例計(jì)算(KL=1.5)Tab.1 Calculation of load shedding percentage under 49.25 Hz frequency setting value(KL=1.5)

表2 門(mén)檻值取49.25 Hz切負(fù)荷比例計(jì)算(KL=2.0)Tab.2 Calculation of load shedding percentage under 49.25 Hz frequency setting value(KL=2.0)

表3 門(mén)檻值取49.25 Hz切負(fù)荷比例計(jì)算(KL =2.5)Tab.3 Calculation of load shedding percentage under 49.25 Hz frequency setting value(KL=2.5)

表中計(jì)算了故障后系統(tǒng)頻率恢復(fù)至49.5～50.5 Hz之間所需的切負(fù)荷比例。當(dāng)KL在1.5～2.5之間變化時(shí)，對(duì)不同KL下得到的范圍取交集，切負(fù)荷比例需在2.51%～3.72%之間。如果假設(shè)切負(fù)荷量取最小值2.5%，通過(guò)仿真，當(dāng)KL為1.5時(shí)最高恢復(fù)頻率為50.08 Hz，恢復(fù)效果比較理想。

(2)fh0=49. 5 Hz分析。當(dāng)門(mén)檻值取49.5 Hz時(shí)，通過(guò)仿真計(jì)算，得到了KL等于1.5，2.0或2.5時(shí)，故障后系統(tǒng)頻率恢復(fù)至49.5～50.5 Hz之間所需的切負(fù)荷比例。在KL在1.5～2.5之間變化時(shí)，如果要滿足KL變化時(shí)的恢復(fù)頻率在49.5～50.5 Hz之間，切負(fù)荷量需在2.51%～2.99%。

但是假設(shè)切負(fù)荷量取最小值2.5%，通過(guò)仿真，當(dāng)KL為1.5時(shí)最高恢復(fù)頻率為50.33 Hz，雖然未超過(guò)50.5 Hz，但恢復(fù)頻率偏高。同時(shí)，若起切頻率設(shè)在49.5 Hz，當(dāng)發(fā)生功率缺額時(shí)很容易達(dá)到起切頻率定值觸發(fā)該輪動(dòng)作。

綜上，起切頻率為49.5 Hz時(shí)，切負(fù)荷量在計(jì)算范圍內(nèi)取值時(shí)，最高恢復(fù)頻率略高，而且發(fā)生功率缺額時(shí)很容易觸發(fā)該輪動(dòng)作。起切頻率為49.25 Hz時(shí)，切負(fù)荷量在計(jì)算范圍內(nèi)取值時(shí)，恢復(fù)頻率比較理想，因此可中斷負(fù)荷切除頻率定值設(shè)為49.25 Hz更為合適。

3.2 切負(fù)荷值選擇

基于49.25 Hz的可中斷負(fù)荷切除頻率定值，KL在1.5～2.5之間時(shí)，選取2%，2.5%，3% 3個(gè)比較有代表性的切負(fù)荷比例，對(duì)比不同切負(fù)荷比例下的恢復(fù)頻率(見(jiàn)表4—6)，從而選出最優(yōu)的切負(fù)荷比例。

表4 切負(fù)荷量2.5%系統(tǒng)恢復(fù)頻率(KL=1.5)Tab.4 System recovery frequency under 2.5% load shedding percentage(KL=1.5)

表5 切負(fù)荷量2.5%系統(tǒng)恢復(fù)頻率(KL=2.0)Tab.5 System recovery frequency under 2.5% load shedding percentage(KL=2.0)

表6 切負(fù)荷量2.5%系統(tǒng)恢復(fù)頻率(KL=2.5)Tab.6 System recovery frequency under 2.5% load shedding percentage(KL=2.5)

(1) 當(dāng)切負(fù)荷量取2.5 %時(shí)，對(duì)于KL在1.5～2.5之間變化時(shí)，沒(méi)有高周風(fēng)險(xiǎn)，且恢復(fù)頻率都在49.5～50.08 Hz之間，恢復(fù)頻率效果較好。

(2) 當(dāng)切負(fù)荷量取2%時(shí)，對(duì)于KL在1.5～2.5之間變化時(shí)，沒(méi)有高周風(fēng)險(xiǎn)，但整體恢復(fù)頻率偏低，當(dāng)KL=2.5時(shí)，恢復(fù)頻率最低達(dá)到49.40 Hz，因此不建議選取2%切負(fù)荷量。

(3) 當(dāng)切負(fù)荷量取3%時(shí)，當(dāng)KL=1.5時(shí)，恢復(fù)頻率最高達(dá)到50.25 Hz，與切負(fù)荷量2.5%相比，恢復(fù)頻率略高，而且考慮到可中斷負(fù)荷的具體可實(shí)施量，不建議選取3%。

綜上，選取2.5%作為可中斷負(fù)荷的切除量。

4 單機(jī)模型仿真校核

對(duì)方案在汛低和夏高方式(KL=2.0)的BPA單機(jī)模型下進(jìn)行了校核。在汛低方式下，校核方法主要針對(duì)多回特高壓直流中發(fā)生單回直流雙極閉鎖的故障方式進(jìn)行仿真。而對(duì)于夏高方式，由于單回特高壓直流雙極閉鎖損失發(fā)電比例較低，因此考慮更加嚴(yán)重的兩回特高壓直流同時(shí)發(fā)生雙極閉鎖。記錄可中斷負(fù)荷按頻率切除和低頻減載的動(dòng)作情況、最低頻率及恢復(fù)頻率，如表7和表8所示。

表7 汛低方式單機(jī)模型校核結(jié)果(KL=2.0)Tab.7 Checking results of the single-machine model under flood off-peak scenario(KL=2.0)

表8 夏高方式單機(jī)模型校核結(jié)果(KL=2.0)Tab.8 Checking results of the single-machine model under summer peak scenario(KL=2.0)

由校核結(jié)果可知，在汛低和夏高兩種方式下，三大特高壓直流分別發(fā)生單回或兩回直流雙極直流閉鎖時(shí)，可中斷負(fù)荷就地按頻率切除系統(tǒng)動(dòng)作，減小了低周減載首輪動(dòng)作可能。

5 全網(wǎng)模型仿真校核

對(duì)方案在汛低和夏高方式的BPA全網(wǎng)模型下進(jìn)行了校核，校核故障方式與單機(jī)模型校核時(shí)一致。記錄可中斷負(fù)荷按頻率切除和低頻減載的動(dòng)作情況、最低頻率及恢復(fù)頻率，如表9和表10所示。

表9 汛低方式全網(wǎng)模型校核結(jié)果Tab.9 Checking results of the detailed grid model under flood off-peak scenario(KL=2.0)

表10 夏高方式全網(wǎng)模型校核結(jié)果Tab.10 Checking results of the detailed grid model under summer peak scenario

由校核結(jié)果可知，由于全網(wǎng)模型中考慮了一次調(diào)頻作用，最低頻率和恢復(fù)頻率都比單機(jī)校核結(jié)果高。

汛低方式下，當(dāng)直流1發(fā)生雙極閉鎖故障時(shí)，可中斷負(fù)荷按頻率切除系統(tǒng)未動(dòng)作；當(dāng)直流2和直流3雙極閉鎖時(shí)，可中斷負(fù)荷就地按頻率切除系統(tǒng)動(dòng)作，未觸發(fā)低頻減載動(dòng)作。

夏高方式下，當(dāng)直流1，2同時(shí)發(fā)生雙極閉鎖故障時(shí)，可中斷負(fù)荷按頻率切除系統(tǒng)未動(dòng)作；當(dāng)直流1，3和直流2，3發(fā)生兩回直流雙極閉鎖時(shí)，可中斷負(fù)荷就地按頻率切除系統(tǒng)動(dòng)作，未觸發(fā)低頻減載動(dòng)作。同時(shí)，在2017年和2018年各典型方式下該方案均通過(guò)了校核，具有較好的適應(yīng)性。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析，考慮KL在1.5～2.5之間的變化，得出如下結(jié)論：

(1) 起切頻率為49.5 Hz，切負(fù)荷量在計(jì)算范圍內(nèi)取值時(shí)，最高恢復(fù)頻率略高，而且發(fā)生功率缺額時(shí)很容易觸發(fā)該輪動(dòng)作；起切頻率為49.25 Hz，切負(fù)荷量在計(jì)算范圍內(nèi)取值時(shí)，恢復(fù)頻率比較理想，因此建議可中斷負(fù)荷切除頻率定值49.25 Hz。

(2) 當(dāng)頻率啟動(dòng)門(mén)檻值選為49.25 Hz，通過(guò)對(duì)比2.5%和2%的切負(fù)荷比例，取2.5%時(shí)恢復(fù)頻率效果較好，也不存在高周風(fēng)險(xiǎn)，能夠滿足要求。如切負(fù)荷比例取3%，恢復(fù)頻率略高，而且考慮到可中斷負(fù)荷的具體可實(shí)施量，不建議選取3%。

綜上，可中斷負(fù)荷就地按頻率切除的起切頻率可選取49.25 Hz，切負(fù)荷比例取2.5%。單機(jī)模型和全網(wǎng)模型的校核結(jié)果表明，可中斷負(fù)荷就地按頻率切除系統(tǒng)能夠在電網(wǎng)發(fā)生易引發(fā)低周減載的大功率缺額時(shí)，切除可中斷負(fù)荷，減小了低周減載首輪動(dòng)作可能，提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。