負荷頻率特性對孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性影響分析

周 專，姚秀萍，，常喜強，申盛召

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047;2.新疆電力調(diào)度通信中心，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，中國的電網(wǎng)規(guī)模在不斷擴大，區(qū)間聯(lián)網(wǎng)送電規(guī)模也在不斷增大，這有利于對各地區(qū)自然資源合理利用，大力發(fā)展清潔能源。但區(qū)間聯(lián)絡線由于輸電走廊限制等原因相對較弱，一旦發(fā)生解列事故，容易形成送端(受端)孤立電網(wǎng)，將導致局部系統(tǒng)功率嚴重失衡，送端電網(wǎng)功率大量剩余，而受端電網(wǎng)功率嚴重缺額，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定問題就會凸顯出來［1-3］。

各地區(qū)由于經(jīng)濟發(fā)展的側(cè)重點不同，造成有的地區(qū)以工業(yè)負荷為主，有的地區(qū)以農(nóng)業(yè)負荷為主。由于負荷的頻率特性不同，造成不同負荷模型對系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)效應不同。因此在電力系統(tǒng)仿真時對各地區(qū)負荷模型的正確選取是保證仿真結(jié)果正確反映實際電網(wǎng)運行的重要措施。目前中國對負荷特性的研究有很多，文獻［4］主要是研究負荷特性對電壓穩(wěn)定性影響;文獻［5］討論了負荷頻率特性對低頻減載的影響;文獻［6］研究負荷動態(tài)特性對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性影響。還沒有文獻從孤網(wǎng)的角度考慮負荷頻率特性對孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響，因此下面以新疆和田地區(qū)電網(wǎng)為研究對象，分析負荷頻率特性對孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響，通過改變孤網(wǎng)中負荷模型，以及各種負荷在孤網(wǎng)中的比例，得出不同的負荷模型對孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性影響程度不同結(jié)論，運用PSASP仿真驗證了相關(guān)結(jié)論。對實際電網(wǎng)穩(wěn)定計算時負荷模型的選取具有重要的參考價值。

1 電力系統(tǒng)頻率調(diào)整特性

電力系統(tǒng)功率頻率特性是指系統(tǒng)有功功率不平衡時頻率的變化特性，它是負荷頻率特性、發(fā)電機頻率特性以及電壓影響的綜合結(jié)果。

電網(wǎng)中有功功率和頻率相互影響，當系統(tǒng)中有功功率不平衡量為ΔP時，系統(tǒng)中的頻率變化量Δf可表示為

若系統(tǒng)中的發(fā)電機和負荷同時參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，則系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率(Ks)可表示為

式中，KGi為某臺發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率;KLj為某系統(tǒng)中負荷類型的單位調(diào)節(jié)功率。

在電網(wǎng)負荷發(fā)生變化時，依靠發(fā)電機的調(diào)速器以及負荷調(diào)節(jié)效應的共同作用而使電網(wǎng)在新的頻率下穩(wěn)定運行［7］。電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)過程如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)示意圖

如圖1所示，電網(wǎng)正常穩(wěn)定運行在a點，此時電網(wǎng)功率平衡。當電網(wǎng)中負荷從PL變?yōu)镻L1時系統(tǒng)將出現(xiàn)功率缺額，導致發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降，從而使系統(tǒng)中的頻率下降。若系統(tǒng)中常規(guī)機組調(diào)速系統(tǒng)沒有投運，系統(tǒng)中發(fā)電機組出力保持不變，系統(tǒng)中只能通過負荷調(diào)節(jié)效應穩(wěn)定在b點，系統(tǒng)中的頻率將大幅下降。在有調(diào)速器的情況下，調(diào)速器和負荷調(diào)節(jié)效應同時參與消除出現(xiàn)的功率缺額。調(diào)速器動作增大發(fā)電機組出力，頻率降低使得負荷有功功率PL減小，最終穩(wěn)定在c點，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)。

2 負荷頻率特性分析

當系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，系統(tǒng)中的有功功率負荷也會發(fā)生變化，這種特性稱之為負荷的頻率特性［8］。不考慮電壓波動的影響，系統(tǒng)頻率和負荷的有功功率的關(guān)系滿足下式。

式(1)的一般表達式為

式(2)中，PL為頻率等于f時整個系統(tǒng)的有功負荷;PLN為頻率等于fN時整個系統(tǒng)的有功負荷;ai(i=0，1，2，…)為與系統(tǒng)額定頻率的i次方成正比的負荷在PLN中所占的百分比。

式(2)的標幺值表達式為

由于系統(tǒng)中與頻率的三次方以上成正比的負荷很少，可以忽略其影響，再將上式對頻率微分，得

式中，KL為負荷的頻率調(diào)節(jié)效應系數(shù)。不同的負荷支路因其組成不同，其KL值也不相同。

當系統(tǒng)的頻率變化時，具有不同的頻率調(diào)節(jié)效應的負荷變化也是不同的，假設有兩種不同頻率調(diào)節(jié)效應的負荷，它們的有功功率和頻率的關(guān)系式分別為

如圖2所示，當頻率從f2(f2=50 Hz)下降到f1時，負荷1和負荷2吸收的有功功率變化量不同。

圖2 負荷的頻率特性曲線

圖2中ΔP1＞ΔP2，說明負荷1比負荷2對頻率的變化更敏感，即KL1＞KL2。由此可以得出:當系統(tǒng)頻率降低時，頻率調(diào)節(jié)系數(shù)大的負荷從系統(tǒng)吸收的有功功率減少得更快。因此在孤網(wǎng)中，優(yōu)先考慮頻率調(diào)節(jié)系數(shù)大的負荷，這樣在頻率下降的時候，可以通過負荷自身的頻率調(diào)節(jié)效應，減少從系統(tǒng)吸收的功率，有利于孤網(wǎng)穩(wěn)定保持網(wǎng)內(nèi)功率平衡。

3 負荷頻率特性對孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性影響分析

當發(fā)生有功功率缺額時，電力系統(tǒng)頻率下降程度和下降速度主要取決于4個因素［9-10］:發(fā)電功率缺額數(shù)量、剩余發(fā)電機總轉(zhuǎn)動慣量M、負荷的頻率調(diào)節(jié)效應系數(shù)KL、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量。其中功率缺額、發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量及系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用為已知量，而負荷頻率特性為系統(tǒng)固有特性。當系統(tǒng)頻率變化時，系統(tǒng)的負荷功率也會隨頻率變化。

考慮到系統(tǒng)阻尼作用，出現(xiàn)有功缺額后頻率可以表示成［11］

式中，f0為系統(tǒng)初始頻率;Pa為系統(tǒng)功率不平衡量;D為系統(tǒng)總阻尼系數(shù);M為系統(tǒng)慣性常數(shù)。M一般取4～8，系統(tǒng)總阻尼系數(shù)D一般在2以上，當時間較長時(t＞40 s)，考慮極端情況M取最大值8，D取最小值2≈0.00067(可以忽略)。

因此孤網(wǎng)最終穩(wěn)態(tài)頻率只取決于孤網(wǎng)功率不平衡量Pa及孤網(wǎng)總阻尼系數(shù)D，而與慣性常數(shù)M無關(guān)。慣性常數(shù)M只與孤網(wǎng)初始頻率變化過程及孤網(wǎng)最低頻率對應時間存在一定影響，但隨著時間增大其對孤網(wǎng)穩(wěn)態(tài)頻率影響逐漸減少。

在不考慮系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用的情況下，可近似認為孤網(wǎng)總阻尼系數(shù)D=KL，由式(9)可知，雖然KL的大小不影響孤網(wǎng)頻率的初始下降率，但負荷頻率特性卻對系統(tǒng)最低頻率及穩(wěn)態(tài)頻率有重要的影響。KL值大的負荷在頻率下降過程中從孤網(wǎng)中吸收的有功負荷減少得更快，因此孤網(wǎng)最低頻率及穩(wěn)態(tài)頻率較高，有利于孤網(wǎng)功率平衡和頻率快速恢復。

4 仿真分析

和田電網(wǎng)目前通過單回286.3 km的220 kV玉莎線和單回167.87 km的110 kV葉皮線(正常方式下斷開備用)與主網(wǎng)相連，距離主系統(tǒng)2000 km以上，與主系統(tǒng)聯(lián)系極其薄弱。和田電網(wǎng)地理接線示意圖如圖3所示。

圖3 和田電網(wǎng)地理接線示意圖

和田地區(qū)負荷為240 MW，主要由波波娜水電站(3×50 MW)、烏魯瓦提水電站(4×15 MW)向其提供電源。和田地區(qū)電網(wǎng)靠玉莎線與主網(wǎng)相連，來保持地區(qū)電網(wǎng)功率平衡。當玉莎線故障跳閘后，和田電網(wǎng)將與主網(wǎng)解裂孤網(wǎng)運行。此時和田電網(wǎng)功率不平衡出現(xiàn)功率缺額，孤網(wǎng)頻率將降低，系統(tǒng)中的調(diào)速系統(tǒng)、低頻低壓減載裝置動作。地區(qū)負荷頻率特性影響低頻減載裝置動作情況，并且負荷的頻率調(diào)節(jié)效應系數(shù)對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性有影響，因此負荷頻率特性對孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性有很大的影響。下面對和田電網(wǎng)在不同負荷頻率特性情況下進行仿真分析。

假定玉莎線發(fā)生永久性斷線時玉莎線上傳輸功率為70 MW。和田電網(wǎng)中只有波波娜水電機組調(diào)速系統(tǒng)參與頻率調(diào)節(jié)。

4.1 恒阻抗和感應電動機負荷

在運用PSASP程序?qū)吞镫娋W(wǎng)進行仿真時，假定和田地區(qū)負荷主要是恒阻抗和感應電動機組成。恒阻抗負荷與頻率的變化無關(guān)，對孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性影響不太。感應電動機負荷與頻率的一次方成正比，電網(wǎng)中感應電動機負荷比例(a1)的多少對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性影響很大。當?shù)貐^(qū)負荷主要由這兩種負荷組成時，該地區(qū)的頻率穩(wěn)定性主要受感應電動機的影響。圖4為不同負荷比例情況下對應孤網(wǎng)運行的頻率。

從圖4可以看出，感應電動機負荷在孤網(wǎng)中所占比例不同時，孤網(wǎng)中頻率變化不相同。隨著感應電動機負荷所占比例增大，孤網(wǎng)的最低頻率升高，同時孤網(wǎng)穩(wěn)態(tài)頻率也升高，孤網(wǎng)頻率快速得到穩(wěn)定。感應電動機負荷所占比例不同時對應的孤網(wǎng)頻率特征如表1所示。

圖4 不同負荷比例對應的孤網(wǎng)頻率

表1 感應電動機比例變化時對應的孤網(wǎng)頻率特征

由式(6)可知，負荷的頻率調(diào)節(jié)效應系數(shù)(KL)與感應電動機負荷所占比例(a1)有關(guān)。當系統(tǒng)中的感應電動機負荷增大時，對應系統(tǒng)中的負荷頻率調(diào)節(jié)效應系數(shù)也隨之增大。由表1可得，KL越大，孤網(wǎng)最低頻率及穩(wěn)態(tài)頻率較高，孤網(wǎng)頻率能快速恢復，有利于孤網(wǎng)功率平衡。

4.2 綜合負荷

為了研究不同負荷模型對孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響，在運用PSASP程序?qū)吞镫娋W(wǎng)進行仿真時，假定和田地區(qū)負荷采用PSASP程序中的綜合負荷模型5，改變負荷模型中恒阻抗的比例。圖5為不同恒阻抗比例情況下對應孤網(wǎng)運行的頻率。

圖5 負荷中恒阻抗比例變化對應的孤網(wǎng)頻率

從圖5可以看出，綜合負荷模型在孤網(wǎng)中所占比例不同時，孤網(wǎng)中頻率變化不相同，同時孤網(wǎng)頻率出現(xiàn)波動。隨著恒阻抗負荷所占比例增大，孤網(wǎng)的最低頻率降低，同時孤網(wǎng)頻率波動增大，直至不穩(wěn)定。若電網(wǎng)中負荷是由恒阻抗和綜合負荷組成，電網(wǎng)中的恒阻抗負荷比例直接影響系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。因此在由恒阻抗和綜合負荷模型組成的電網(wǎng)負荷對孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定影響很大(見圖6)。對比圖4和圖5可以得出，感應電動機負荷比綜合負荷更有利于孤網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。因此在對電網(wǎng)進行仿真分析時要正確的選取負荷模型，不同的應用選取不同的負荷模型，這樣才能準確地反應實際電網(wǎng)問題，將結(jié)果應用于實際電網(wǎng)分析。

圖6 負荷中恒阻抗比例變化對應的波波娜出力

5 結(jié)論

通過對孤網(wǎng)中不同負荷模型及負荷比例對孤網(wǎng)頻率影響分析，得出以下結(jié)論。

(1)負荷的頻率調(diào)節(jié)效應系數(shù)大的負荷在頻率下降過程中從孤網(wǎng)中吸收的有功負荷減少得更快，孤網(wǎng)最低頻率及穩(wěn)態(tài)頻率較高，有利于孤網(wǎng)功率平衡和頻率快速恢復。

(2)負荷的頻率調(diào)節(jié)效應系數(shù)(KL)與感應電動機負荷所占比例(a1)有關(guān)，系統(tǒng)中感應電動機的比例越大，對應的KL也越大，越有利于孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性。

(3)感應電動機負荷比綜合負荷更有利于孤網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。

(4)在對電網(wǎng)進行仿真分析時要正確地選取負荷模型，不同的應用選取不同的負荷模型，這樣才能準確地反應實際電網(wǎng)問題，將結(jié)果應用于實際電網(wǎng)分析。

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