電網(wǎng)遭受擾動后水電機組一次調(diào)頻對電網(wǎng)頻率的影響

周永杰，譚雅嵐，張江濱

（1.漢中市水電設(shè)計院，陜西漢中723000；2.西安理工大學(xué),西安 710048）

0 引言

電力系統(tǒng)頻率控制是電力系統(tǒng)運行的一項重要內(nèi)容，系統(tǒng)頻率變化對用戶、發(fā)電機和電力系統(tǒng)本身都有重大影響，將頻率控制在較小的范圍內(nèi)是當(dāng)今電力系統(tǒng)安全運行的目標之一。當(dāng)系統(tǒng)有功不平衡時（大負荷突然并網(wǎng)，機組甩負荷，運行人員誤操作等），頻率通常在3~10 s內(nèi)就能達到極值[1-2]，而能在秒級內(nèi)及時作用的只有一次調(diào)頻（PFR）,PFR容量來源于并列運行的發(fā)電機組和負荷，火電機組通過PFR能在5~10 s內(nèi)改變其有功輸出的3%~5%[3]，可見PFR對抑制快速干擾起積極作用。

PFR容量的預(yù)留通常需要滿足系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟性的要求，當(dāng)電力網(wǎng)絡(luò)處于不同工況下，調(diào)頻容量釋放過程是存在差別的[4]。就某一臺發(fā)電機而言，其調(diào)速系統(tǒng)的單機運行特性只與本身調(diào)速系統(tǒng)的特性相關(guān)，但并列運行的特性不僅與本身調(diào)速系統(tǒng)的特性相關(guān)，還與其他發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)的特性相關(guān)[5-6]。將多區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)的頻率和功率調(diào)節(jié)以地區(qū)為基礎(chǔ)作為控制區(qū)，把每個控制區(qū)作為等效的同步發(fā)電機群來調(diào)節(jié)[7]，其頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)不僅與自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)相關(guān)，還與與其相聯(lián)接的區(qū)域特性相關(guān)。本文主要針對電網(wǎng)出現(xiàn)突發(fā)負荷擾動，某個地區(qū)的一次調(diào)頻容量受到限制后，水電機組的死區(qū)及較大的水流慣性時間常數(shù)對電網(wǎng)頻率恢復(fù)的影響。

1 用于分析電網(wǎng)一次調(diào)頻的數(shù)學(xué)模型

本文選用兩區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)為研究對象，其一次調(diào)頻的數(shù)學(xué)模型和仿真模型見圖1。1、2為兩互聯(lián)的電力系統(tǒng)，1為水電機組區(qū)域，2為火電機組區(qū)域，令i=1、2，Gi（s）為區(qū)域i中等效發(fā)電機組調(diào)速器和原動機的傳遞函數(shù)[8-9]；Ri為區(qū)域i中發(fā)電機組的調(diào)差率；Hi為區(qū)域i中發(fā)電機組的慣性時間常數(shù);KLi為區(qū)域i中的負荷調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)，認為KLi隨頻率變化很小，本文中取KLi=1.5保持不變；TPi=2Hi/KLi=12/1.5為i區(qū)域的時間常數(shù)；KPi=1/KLi=1/1.5為i區(qū)域的放大倍數(shù)；GPi（s）=KPi/（1+sTPi）為i區(qū)域的傳遞函數(shù)；T12為區(qū)域1、2聯(lián)絡(luò)線的同步系數(shù)，取T12=T21=0.086 74；ΔFi（s）為區(qū)域i的頻率標幺值；α12為區(qū)域轉(zhuǎn)換系數(shù)，假設(shè)兩區(qū)域的裝機容量相同；圖1（b）中mgi為區(qū)域i的負荷擾動量;Govi（s）為i區(qū)域中等效發(fā)電機組調(diào)速器模塊[7-8]；Turi（s）為i區(qū)域中原動機模塊；GPi（s）為i區(qū)域的傳遞函數(shù);ki（一次調(diào)頻容重比）為該區(qū)域投入的一次調(diào)頻容量占該區(qū)域總?cè)萘康谋戎?；水輪機組為具有加速度軟反饋的理想水輪機模型[10]；汽輪機為功頻調(diào)速系統(tǒng)的中間再熱式機組[11]。

圖1 用于分析兩區(qū)域電網(wǎng)一次調(diào)頻的模型

2 水電機組發(fā)生負荷擾動

為了應(yīng)對短周期負荷波動，針對水電機組響應(yīng)幅度大、持續(xù)性好，火電機組慣性小的優(yōu)點，對火電機組設(shè)置較小人工轉(zhuǎn)速死區(qū),水電機組較大人工轉(zhuǎn)速死區(qū),一方面避免頻繁動作,另一方面當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線跳閘或大機組事故解列等較大的頻率事故時,有利于系統(tǒng)頻率的快速穩(wěn)定恢復(fù)[12]。假設(shè)火電機組ef2=0.00，在區(qū)域1水電機組死區(qū)變化及若水電機組水流慣性大的情況下分析擾動后各個區(qū)域的頻率變化。

假設(shè)水電區(qū)域受到負荷擾動（mg1=－0.02），火電機組一次調(diào)頻容量受限（k2=0.6），仿真結(jié)果見圖2（x1、x2/p1、p2分別為各區(qū)域的頻率/功率響應(yīng)曲線）。水電機組死區(qū)使其偏離額定值較遠，對于具有較大水流慣性時間常數(shù)的水電廠，與火電廠互聯(lián)后，死區(qū)的存在使水電機組偏離額定值很遠；若水電廠水流慣性大且設(shè)置適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)那么在火電調(diào)節(jié)容量受限情況下，比水流慣性小的水電機組更能使火電機組在額定值最近達到穩(wěn)定；水流慣性大的水電區(qū)域由于反調(diào)作用使互聯(lián)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間變長，x/p波形陡峭，但水電區(qū)域相對大的水流慣性可使火電非擾動限制區(qū)域穩(wěn)定后的頻差相對減小，這驗證了死區(qū)的設(shè)置與水流慣性時間常數(shù)密切相關(guān)。圖3為在mg1=-0.02，水電機組一次調(diào)頻容量受限（k1=0.4）下的仿真曲線。水流慣性大的機組，在本身調(diào)頻容量受到限制與相對于火電機組受到限制，其頻率偏差較大；死區(qū)仍是系統(tǒng)能否在遭受擾動后回到初始值附近的最重要因素。系統(tǒng)頻率波動頻繁,對水、火電機組分別設(shè)置各自的人工轉(zhuǎn)速死區(qū)，從而避免水電機組頻繁調(diào)節(jié)可能導(dǎo)致的抵消火電機組的正常調(diào)頻響應(yīng)[13]。

3 火電機組發(fā)生負荷擾動

區(qū)域2火電機組發(fā)生負荷擾動(mg2=－0.02)，水電機組一次調(diào)頻容量受限(k1=0.4)下的仿真曲線見圖4?；痣姍C組的調(diào)速系統(tǒng)選用功頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)，功頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的負反饋元件是功率調(diào)節(jié)器，本應(yīng)測取汽輪機的實發(fā)功率，由于技術(shù)上的困難而采用了用發(fā)電機功率代替汽輪機功率。測量汽輪機功率作為功率信號時，這個信號是系統(tǒng)的反饋信號，而測量發(fā)電機功率作為功率信號時，此信號是一個擾動信號，當(dāng)電網(wǎng)負荷突變時，發(fā)電機輸出功率隨之變化，而這時轉(zhuǎn)速因轉(zhuǎn)子慣性等原因尚未改變，或者變化很小，在調(diào)節(jié)過程的最初階段，調(diào)節(jié)方向與外界負荷的需要相反，即出現(xiàn)反調(diào)現(xiàn)象[11]?；痣姍C組響應(yīng)幅度和持續(xù)性受機前蒸汽參數(shù)的影響較大[13],一旦鍋爐蓄熱利用完,再增加負荷比較慢，但水電機組一旦開始響應(yīng)則響應(yīng)幅度較大,精度較高,持續(xù)時間較長，當(dāng)火電機組發(fā)生負荷擾動時水電機組一次調(diào)頻容量受到限制，僅靠增加火電機組的調(diào)節(jié)容量對系統(tǒng)頻率恢復(fù)在短時間內(nèi)是有限的。

圖3 水電區(qū)域擾動且水電機組調(diào)頻容量受限時的仿真曲線

圖5 為火電區(qū)域擾動（mg2=－0.02）且火電機組調(diào)頻容量受限（k2=0.6）時的仿真曲線，火電機組和水電機組一次調(diào)頻效果比較：火電機組一次調(diào)頻可以對電網(wǎng)頻率變化做出快速的反應(yīng),但水電機組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)時間普遍較長，調(diào)節(jié)動作隨動性差。利用鍋爐的蓄熱，火電機組可在1 s內(nèi)將主汽門開到位,可見開啟主汽門的遲緩率很小,加上負荷迅速;而水輪機則需要較長的時間[14]。水電機組的水流慣性的影響是在調(diào)節(jié)的初始階段，合適的死區(qū)可緩解較大水流慣性帶來的反調(diào)作用。

圖4 火電區(qū)域擾動且水電機組調(diào)頻容量受限時的仿真曲線

圖5 火電區(qū)域擾動且火電機組調(diào)頻容量受限時的仿真曲線

4 結(jié)語

電網(wǎng)一次調(diào)頻動作要求響應(yīng)迅速并具有一定的響應(yīng)幅度和持續(xù)性[15]，某區(qū)域1機組由于某些原因不能全部參加頻率調(diào)節(jié)，該區(qū)域又發(fā)生了負荷擾動的情況下另一區(qū)要積極配合恢復(fù)穩(wěn)定要求非擾動區(qū)域的死區(qū)不能設(shè)置過大；擾動區(qū)水流慣性較大時，調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)的較大峰值和頻繁的波動可通過設(shè)置合適的死區(qū)緩解該現(xiàn)象，水流慣性時間常數(shù)大的機組頻率波動頻繁，與火電機組互聯(lián)運行后，減弱了較大水流慣性的反調(diào)作用。

伴隨電網(wǎng)在線監(jiān)測功能的發(fā)展，網(wǎng)調(diào)人員可隨時觀測出電網(wǎng)的一次調(diào)頻能力，與二次調(diào)頻動作相協(xié)調(diào)，考慮火電機組調(diào)速系統(tǒng)時間常數(shù)小,響應(yīng)速度較快及水電機組響應(yīng)速度較慢但一旦開始響應(yīng)則響應(yīng)幅度較大,精度較高,持續(xù)時間較長等特點，通過計算預(yù)測出一次調(diào)頻結(jié)束后系統(tǒng)頻率應(yīng)穩(wěn)定的范圍，減小在小負荷擾動下全部機組參與一次調(diào)頻造成的頻繁調(diào)節(jié)動作，通過調(diào)用部分機組就能使頻率恢復(fù)在較小范圍內(nèi)時，可避免投入大量機組一次調(diào)頻造成的調(diào)節(jié)時間增長及水火電機組的頻繁動作。

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