新疆電網(wǎng)頻率的時空分布分析

吳茂乾，陳 江，王 筱，賴國輝，常喜強，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)這個大系統(tǒng)的不斷擴大和增強，電力系統(tǒng)的頻率特性也日趨復(fù)雜。同時系統(tǒng)對頻率的要求也越來越嚴格，電網(wǎng)頻率的好壞將直接影響到系統(tǒng)運行的各個環(huán)節(jié)。當電力系統(tǒng)受到聯(lián)絡(luò)線跳閘、大機組跳閘或者大容量負荷投切等擾動時，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。當系統(tǒng)的頻率變化較大而超出其允許范圍時將會給電力系統(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)定運行和可靠性。低頻減載作為保障電網(wǎng)安全運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)運行方式、確定系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和評價各種調(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，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)生將會使整個電網(wǎng)崩潰。

下面從2011年新疆電網(wǎng)通過新投運750 kV線路與西北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，與全國形成了一個大的互聯(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而引起的頻率變化特性，它分為靜態(tài)頻率特性和動態(tài)頻率特性。電網(wǎng)的靜態(tài)頻率特性強調(diào)的是電網(wǎng)頻率的一種狀態(tài)，而電網(wǎng)動態(tài)頻率特性則強調(diào)的是頻率變化的過程。電網(wǎng)的頻率特性主要是由發(fā)電機的頻率特性和負荷的頻率特性及電壓影響綜合作用的結(jié)果。靜態(tài)頻率特性取決于負荷的靜態(tài)頻率特性和發(fā)電機的靜態(tài)頻率特性，常以頻率特性系數(shù)K表示，其中包括負荷靜態(tài)頻率特性系數(shù)KL和發(fā)電機靜態(tài)頻率特性KG。

式中，ρ為備用容量系數(shù)，它是系統(tǒng)總開機容量與總開機出力(包括廠用電及網(wǎng)損)之比。頻率的動態(tài)特性是指電力系統(tǒng)受到擾動后，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)過渡到另一個穩(wěn)定值所經(jīng)歷的時間過程。它與系統(tǒng)的備用容量、負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)及系統(tǒng)內(nèi)旋轉(zhuǎn)機械的慣性時間等因數(shù)有關(guān)，系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)越大，頻率變化過程所經(jīng)歷的時間越長。

1.2 電網(wǎng)頻率的時空分布特性

電力系統(tǒng)的時空分布特性［12］通常是指互聯(lián)大電網(wǎng)在發(fā)生有功缺額擾動之后，不僅不同地點頻率變化的幅值不同，而且各地頻率變化量達到最大值的時間也不同，使頻率呈現(xiàn)出明顯的時空分布特性。頻率的時空分布特性是互聯(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

當電力系統(tǒng)遭受有功功率缺額擾動后，一方面通過負荷的頻率調(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)。在這個調(diào)節(jié)的過程當中系統(tǒng)頻率的變化涉及到電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、發(fā)電機運行方程及其參數(shù)、調(diào)速器模型及旋轉(zhuǎn)備用、勵磁調(diào)節(jié)模型和負荷調(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)電機組將按其同步功率分擔發(fā)電缺額，并釋放轉(zhuǎn)子儲存的部分慣性動能。轉(zhuǎn)子動能的消耗將使機組轉(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地點、發(fā)電機組模型及其參數(shù)、調(diào)速器調(diào)節(jié)特性、旋轉(zhuǎn)備用容量及其分布和負荷特性等幾個因數(shù)上。

3 新疆電網(wǎng)頻率的時空分布特性仿真算例分析

2011年新疆電網(wǎng)通過新投運了750 kV線路與西北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，使得新疆電網(wǎng)與全國實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，形成了一個大的互聯(lián)網(wǎng)，從某種意義上雖然提高了新疆電網(wǎng)運行的可靠性，但同時也會給新疆電網(wǎng)頻率的時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)頻率的時空分布特性所帶來的影響，對此通過實際的例子進行了仿真分析。

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)頻率的時空分布特性進行了仿真分析。

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兩種情況下進行了比較和分析可知，當新疆電網(wǎng)出現(xiàn)相同有功功率缺額時，A、B兩種情況下對新疆電網(wǎng)中同一發(fā)電廠的頻率動態(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)增大了整個電網(wǎng)的容量，所以當新疆電網(wǎng)出現(xiàn)有功功率缺額時，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。但是當出現(xiàn)C種情況時，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，最低達到49.648 Hz。

圖1 天光電廠頻率動態(tài)響應(yīng)曲線

圖2 瑪納斯電廠頻率動態(tài)響應(yīng)曲線

圖3 庫車電廠頻率動態(tài)響應(yīng)曲線

圖4 紅雁池二電廠頻率動態(tài)響應(yīng)曲線

由圖5可知，當新疆電網(wǎng)運行在A種情況下時，不同地方電廠頻率的動態(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到最大值的時間不同。如表1所示。

圖5 A種情況下頻率動態(tài)響應(yīng)曲線

表1 電網(wǎng)運行在A種情況下各電廠的頻率響應(yīng)

從表1中可以看出，當新疆電網(wǎng)運行在A種情況下時，庫車電廠的頻率可降低至到0.997 35 p.u.，其時間用了6.82 s;而瑪納斯電廠在6.58 s時其頻率就降至到最低點，這說明在電網(wǎng)中某點出現(xiàn)有功功率缺額時，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)了頻率的時空分布特性。由于各地區(qū)的頻率特性不同，它與傳統(tǒng)認為的全網(wǎng)頻率特性一致相矛盾，而會影響到全網(wǎng)的低頻減載方案，使新疆電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行受到挑戰(zhàn)。

圖6 B種情況下頻率動態(tài)響應(yīng)曲線

圖7 C種情況下頻率動態(tài)響應(yīng)曲線

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

表2 電網(wǎng)運行在B種情況下各電廠的頻率響應(yīng)

表3 電網(wǎng)運行在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，當新疆電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時，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到最大值的時間也不同。同時當新疆電網(wǎng)與西北聯(lián)網(wǎng)時，新疆電網(wǎng)出現(xiàn)相同功率缺額時，會在一定程度上提高新疆電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性，但是當西北電網(wǎng)出現(xiàn)大功率缺額時，會對新疆電網(wǎng)頻率的動態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生嚴重的影響，甚至會影響到新疆電網(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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