丁禹杰， 高陽(yáng)

(沈陽(yáng)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

0 引 言

新能源占電網(wǎng)的比例日益增高，但新能源機(jī)組不具有一次調(diào)頻能力，因此降低了系統(tǒng)的一次調(diào)頻能力，同時(shí)火電機(jī)組的減少也降低了系統(tǒng)的慣性[1]。新能源中的風(fēng)電機(jī)組不耐高壓，在特高壓直流出現(xiàn)故障時(shí)可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，使頻率特性進(jìn)一步惡化，進(jìn)而導(dǎo)致高低頻轉(zhuǎn)化出現(xiàn)問(wèn)題。

電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率特性是指電力系統(tǒng)在遇到造成系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生巨大變化的事件，系統(tǒng)頻率由正常的50 Hz變化為新的穩(wěn)態(tài)值的過(guò)程，或者系統(tǒng)失穩(wěn)崩潰的過(guò)程。旋轉(zhuǎn)備用容量是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)頻率特性的主要影響因素之一[2]，旋轉(zhuǎn)備用用于補(bǔ)足電力系統(tǒng)運(yùn)行中的偶然事件和日負(fù)荷曲線預(yù)測(cè)偏差產(chǎn)生的功率缺額。雖然旋轉(zhuǎn)備用功率越高越好，但在配置時(shí)還需要考慮經(jīng)濟(jì)性。因此旋轉(zhuǎn)備用功率的優(yōu)化配置應(yīng)在其創(chuàng)造的可靠性效益和運(yùn)行成本之間找到最好的平衡點(diǎn)[3]。

目前有文獻(xiàn)提出了廣義旋轉(zhuǎn)備用的概念，并從改善運(yùn)行可靠性著手，綜合考慮多種因素，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)備用優(yōu)化配置[4-6]。但關(guān)于旋轉(zhuǎn)備用容量對(duì)特高壓直流受端的直流閉鎖故障和掉機(jī)故障所導(dǎo)致的頻率偏移影響還有所欠缺。為此，本文通過(guò)建模，對(duì)故障時(shí)的系統(tǒng)高頻和低頻穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，分析了旋轉(zhuǎn)備用容量對(duì)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)頻率特性的影響，并提出了旋轉(zhuǎn)備用容量的優(yōu)化配置方案。

1 系統(tǒng)頻率偏移的過(guò)程及特性

在大容量電源發(fā)生故障被切除后，其所產(chǎn)生的大量的有功缺失將會(huì)導(dǎo)致發(fā)電與負(fù)荷的不平衡，在此過(guò)程中產(chǎn)生的擾動(dòng)將快速傳遞到各臺(tái)機(jī)組。調(diào)速器的一次調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)包括機(jī)械固有誤差導(dǎo)致的以及為了減少動(dòng)作次數(shù)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性而人工設(shè)置的，動(dòng)作死區(qū)將導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)此時(shí)不動(dòng)作，系統(tǒng)頻率將會(huì)迅速下降至整個(gè)頻率偏移過(guò)程的最低值[7]。機(jī)組的一次調(diào)頻是頻率偏移時(shí)的主要調(diào)節(jié)方式，調(diào)速器將會(huì)在幾秒后啟動(dòng)，在一次調(diào)頻和機(jī)組增加出力的作用下系統(tǒng)的頻率緩慢恢復(fù)達(dá)到一個(gè)較為平穩(wěn)的狀態(tài)，但仍未恢復(fù)至額定頻率，機(jī)組調(diào)節(jié)裕量不足和機(jī)組蓄熱不足都會(huì)使一次調(diào)頻的能力下降。

相控?fù)Q流式特高壓直流輸電與電壓源環(huán)流式相比有著運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)損耗低和建設(shè)花費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)，但其在為受端電網(wǎng)帶來(lái)大量有功功率的同時(shí)也需要交流電網(wǎng)為其強(qiáng)制換相提供大量的無(wú)功功率，直流閉鎖故障將同時(shí)帶來(lái)大量無(wú)功剩余與有功缺失，其所帶來(lái)的大范圍潮流轉(zhuǎn)移和強(qiáng)直弱交的故有問(wèn)題極有可能將局部故障發(fā)展為全局故障，事故的連鎖發(fā)生會(huì)極大提高頻率穩(wěn)定控制難度。

2 基于SFR的旋轉(zhuǎn)備用容量與頻率穩(wěn)定分析

SFR模型可以線性地表示出系統(tǒng)在發(fā)生大擾動(dòng)事故后的系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)變化和全網(wǎng)的一次調(diào)頻能力，因?yàn)閾碛杏?jì)算量較小的特點(diǎn)，所以在在線分析領(lǐng)域被廣泛使用。原始的SFR模型使用了等效單機(jī)的機(jī)械增益常數(shù)，為體現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)備用容量對(duì)電網(wǎng)頻率的影響，額外引入旋轉(zhuǎn)備用容量占可發(fā)容量的比值這一參數(shù)，對(duì)SFR模型進(jìn)行修改，引入新參數(shù)后考慮旋轉(zhuǎn)備用的SFR模型為[8]：

(1)

式中：ΔfSR(s)為電網(wǎng)頻率偏移量的拉氏變換結(jié)果；ΔPeql(s)為系統(tǒng)等效有功功率預(yù)測(cè)偏移量的拉氏變換結(jié)果；H為系統(tǒng)的等效慣性常數(shù)；D為系統(tǒng)的等效阻尼常數(shù)；M為電網(wǎng)內(nèi)正?？捎脿顟B(tài)機(jī)組數(shù)量的總和；Km,j為等效單機(jī)旋轉(zhuǎn)備用的限制幅值能力；Rj為調(diào)速器的調(diào)差常數(shù)；FH,j為等效單機(jī)的高壓渦輪機(jī)的比例常數(shù)；TR,j為等效單機(jī)的再熱時(shí)間常數(shù)，一般取值為7～11 s。

Km=FP(1-fSR)

(2)

式中：FP為發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)；fSR為旋轉(zhuǎn)備用容量占可發(fā)容量的比值。

ΔPeql(s)一般為負(fù)荷階躍響應(yīng)，可得：

(3)

將式(3)代入式(1)，可得ΔfSR的頻域表達(dá)式：

(4)

式中：

(5)

(6)

(7)

對(duì)式(4)進(jìn)行拉氏反變換，可得ΔfSR的時(shí)域表達(dá)式：

ΔfSR(t)=-ωSR,1ΔPeql(1+ωSR,4e-tωSR,2+ωSR,5e-tωSR,3)

(8)

式中：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

通過(guò)式(8)對(duì)構(gòu)建的考慮旋轉(zhuǎn)備用的SFR模型進(jìn)行分析計(jì)算，研究有無(wú)旋轉(zhuǎn)備用情況下系統(tǒng)高頻與低頻穩(wěn)定的變化情況。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生直流故障時(shí)，交流電網(wǎng)的盈余功率較大，高頻穩(wěn)定將出現(xiàn)問(wèn)題。通過(guò)fSR模擬旋轉(zhuǎn)備用占系統(tǒng)的比值，使用式(8)對(duì)電力系統(tǒng)受到大擾動(dòng)之后的動(dòng)態(tài)頻率特性進(jìn)行計(jì)算，分析全網(wǎng)旋轉(zhuǎn)容量變化對(duì)系統(tǒng)高頻穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，通過(guò)無(wú)旋轉(zhuǎn)備用和20%旋轉(zhuǎn)備用這兩種情況的頻率進(jìn)行計(jì)算比對(duì)，兩次計(jì)算結(jié)果基本相似，得出系統(tǒng)高頻穩(wěn)定基本不受旋轉(zhuǎn)備用影響的結(jié)論。

在大容量電源發(fā)生故障被切除后，其所產(chǎn)生的大量有功缺失將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的大幅下降，通過(guò)無(wú)旋轉(zhuǎn)備用和20%旋轉(zhuǎn)備用這兩種情況的頻率進(jìn)行計(jì)算比對(duì)，有旋轉(zhuǎn)備用的系統(tǒng)頻率明顯高于無(wú)旋轉(zhuǎn)備用，可見(jiàn)系統(tǒng)低頻穩(wěn)定受旋轉(zhuǎn)備用影響明顯。

3 算例分析

為驗(yàn)證本文提出的考慮旋轉(zhuǎn)備用的SFR模型，使用某區(qū)域特高壓直流歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)不同運(yùn)行方式下配置不同的旋轉(zhuǎn)備用容量，模擬機(jī)組大量掉機(jī)故障后電網(wǎng)頻率的波動(dòng)情況，驗(yàn)證模型所得到的旋轉(zhuǎn)備用對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定影響的結(jié)論。

電力系統(tǒng)運(yùn)行方式一為火電開機(jī)總量約為火電總裝機(jī)的80%，機(jī)組無(wú)旋轉(zhuǎn)備用；方式二為火電機(jī)組全部開機(jī)，機(jī)組出力約為80%，機(jī)組20%旋轉(zhuǎn)備用。模擬上述兩種方式下直流滿送發(fā)生雙極閉鎖的情況時(shí)電網(wǎng)頻率的波動(dòng)情況，對(duì)系統(tǒng)高頻穩(wěn)定進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。模擬上述兩種方式下機(jī)組大量掉機(jī)故障后電網(wǎng)頻率的波動(dòng)情況，對(duì)系統(tǒng)低頻穩(wěn)定進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

特高壓直流滿送時(shí)發(fā)生雙極閉鎖故障會(huì)使電網(wǎng)頻率產(chǎn)生劇烈波動(dòng)。使用方式一和方式二進(jìn)行雙極閉鎖的仿真，可以看到無(wú)旋轉(zhuǎn)后備的方式一最高系統(tǒng)頻率為54.42 Hz(圖1)，有旋轉(zhuǎn)后備的方式二最高系統(tǒng)頻率為54.37 Hz(圖2)，對(duì)比可知系統(tǒng)高頻穩(wěn)定基本不受旋轉(zhuǎn)備用容量所影響，與優(yōu)化后的SFR模型所得結(jié)論一致。

圖1 方式一直流雙極閉鎖故障后頻率曲線

圖2 方式二直流雙極閉鎖故障后頻率曲線

在大容量電源發(fā)生故障被切除后，其所產(chǎn)生的大量有功缺失將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率大幅下降。使用方式一和方式二進(jìn)行掉機(jī)故障后的仿真，可以看到無(wú)旋轉(zhuǎn)后備的方式一最低系統(tǒng)頻率為46.62 Hz(圖3)，有旋轉(zhuǎn)后備的方式二最低系統(tǒng)頻率為48.92 Hz，且后續(xù)可逐步恢復(fù)至49.87 Hz(圖4)，對(duì)比可知系統(tǒng)低頻穩(wěn)定受旋轉(zhuǎn)備用容量影響很大，且對(duì)故障后的恢復(fù)起巨大作用，即擁有旋轉(zhuǎn)備用的電力系統(tǒng)對(duì)發(fā)生掉機(jī)故障的承載能力優(yōu)于無(wú)旋轉(zhuǎn)備用的電力系統(tǒng)，與優(yōu)化后的SFR模型所得結(jié)論一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從改善特高壓直流運(yùn)行穩(wěn)定性角度出發(fā)，研究了旋轉(zhuǎn)備用容量對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響。

圖3 方式一掉機(jī)故障后頻率曲線

圖4 方式二掉機(jī)故障后頻率曲線

通過(guò)引入旋轉(zhuǎn)備用容量占可用容量比值這一參數(shù)提出了改進(jìn)的的SFR模型，該模型可以反映不同配置情況旋轉(zhuǎn)備用的動(dòng)態(tài)頻率特性。

從研究結(jié)果可以看出，系統(tǒng)高頻穩(wěn)定基本不受旋轉(zhuǎn)備用容量的影響，直流故障所產(chǎn)生的高頻問(wèn)題無(wú)法通過(guò)增加旋轉(zhuǎn)備用解決。而系統(tǒng)低頻穩(wěn)定受旋轉(zhuǎn)備用容量影響很大，且對(duì)故障后的恢復(fù)起巨大作用，即擁有旋轉(zhuǎn)備用的電力系統(tǒng)對(duì)發(fā)生掉機(jī)故障的承載能力優(yōu)于無(wú)旋轉(zhuǎn)備用的電力系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)機(jī)組出力相同時(shí)，可以通過(guò)提高系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用來(lái)提升系統(tǒng)的低頻穩(wěn)定性。

針對(duì)特高壓直流投入運(yùn)行后系統(tǒng)存在的頻率穩(wěn)定問(wèn)題，可通過(guò)增加系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量與合理制訂高頻切機(jī)策略提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)高低頻問(wèn)題轉(zhuǎn)化等連鎖反應(yīng)。

隨著更多的特高壓直流線路投產(chǎn)，今后的系統(tǒng)可靠性研究中，可更多地考慮特高壓直流故障時(shí)的暫穩(wěn)態(tài)電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定，為建立跨區(qū)域大電網(wǎng)提供技術(shù)支撐。