海南“大機(jī)小網(wǎng)”孤網(wǎng)運(yùn)行方式下頻率特性研究

黃漢昌，張 宇，李 獻(xiàn)，張忠華，祁永福，王建華，毛李帆

(1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，海南 海口 570203；2.中國電力工程顧問集團(tuán)公司 東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長春 130021)

海南“大機(jī)小網(wǎng)”孤網(wǎng)運(yùn)行方式下頻率特性研究

黃漢昌1，張 宇2，李 獻(xiàn)1，張忠華2，祁永福1，王建華2，毛李帆1

(1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，海南 ?？?570203；2.中國電力工程顧問集團(tuán)公司 東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長春 130021)

以海南電網(wǎng)以及昌江核電站為例，首先計(jì)算頻率特性K值；然后，在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，不同負(fù)荷水平下，分析損失核電機(jī)組對(duì)孤網(wǎng)頻率的影響，并提出核電機(jī)組損失的頻率控制措施。計(jì)算結(jié)果表明：同一負(fù)荷水平下?lián)p失不同出力的核電機(jī)組，對(duì)應(yīng)的頻率特性K值基本為一恒定值；不同負(fù)荷水平下，K值與負(fù)荷水平呈正比關(guān)系。因此，為避免孤網(wǎng)狀態(tài)下?lián)p失核電機(jī)組所需切負(fù)荷量構(gòu)成電力安全事故，可在事故前限制核電機(jī)組出力，并建議海南電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)僅投入1臺(tái)核電機(jī)組。

頻率特性；大機(jī)小網(wǎng)；孤網(wǎng)運(yùn)行；頻率控制

海南電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為薄弱，主網(wǎng)架采用220 kV電壓等級(jí)，作為負(fù)荷1 000～5 000 MW的省級(jí)電網(wǎng)，目前，僅通過1回500 kV海底電纜與南方電網(wǎng)相連。在聯(lián)網(wǎng)線檢修停運(yùn)或事故跳閘后，海南電網(wǎng)將成為孤網(wǎng)。當(dāng)昌江核電接入后，大容量機(jī)組(2×650 MW，約占目前海南統(tǒng)調(diào)負(fù)荷的1/3)將使得“大機(jī)小網(wǎng)”現(xiàn)象成為影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要因素。在聯(lián)絡(luò)線檢修或故障時(shí)的孤網(wǎng)條件下，這一特性更將成為制約電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重中之重，其主要表現(xiàn)為由損失核電機(jī)組引起的電網(wǎng)低頻失穩(wěn)問題[1-2]。

電力系統(tǒng)頻率特性是電力系統(tǒng)第二道防線(安全自動(dòng)裝置)、第三道防線(低頻減負(fù)荷裝置)等進(jìn)行整定的依據(jù)。孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)損失核電機(jī)組，可采取快切負(fù)荷措施，或依靠第三道防線的低頻減載措施，按頻率分輪級(jí)切除負(fù)荷，避免海南電網(wǎng)出現(xiàn)頻率崩潰。研究核電機(jī)組不同開機(jī)方式、系統(tǒng)不同負(fù)荷水平情況下，核電損失單機(jī)、雙機(jī)情況下系統(tǒng)頻率變化以及需切負(fù)荷量，有助于了解海南電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的頻率特性，指導(dǎo)昌江核電安穩(wěn)裝置的配置及整定值設(shè)置。

筆者主要分析海南電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，損失核電機(jī)組對(duì)其安全穩(wěn)定狀況產(chǎn)生的影響，運(yùn)行方式選取大、小負(fù)荷2種典型方式，負(fù)荷分別選取2016—2018年這3個(gè)水平年。為分析海南電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)頻率特性對(duì)核電出力的敏感性，對(duì)核電機(jī)組出力分別按照100%，75% FP考慮。

1 頻率特性K值參數(shù)計(jì)算

電力系統(tǒng)的電能生產(chǎn)與消費(fèi)同時(shí)進(jìn)行，系統(tǒng)所提供的電源功率需與功率消耗相匹配。當(dāng)電力系統(tǒng)的有功功率平衡突然遭到破壞時(shí)，系統(tǒng)的頻率將從正常的穩(wěn)定值過渡到另一個(gè)穩(wěn)定值。這種頻率變化過程反映了系統(tǒng)的頻率動(dòng)態(tài)特性，頻率特性可反映功率變化對(duì)頻率變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系[3]。

電力系統(tǒng)的頻率特性與發(fā)電機(jī)組出力和調(diào)速系統(tǒng)、負(fù)荷的大小和特性等因素有關(guān)。對(duì)于大機(jī)小網(wǎng)系統(tǒng)，一方面損失大容量機(jī)組引起的有功功率差額大，另一方面系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)特性相對(duì)弱，因此系統(tǒng)頻率波動(dòng)幅度大。定義K值來反映所損失機(jī)組的容量對(duì)電網(wǎng)頻率變化的影響，其物理含義為引起系統(tǒng)單位頻率變化所需的機(jī)組容量[4]，即

K=|ΔP/ΔF|。

(1)

式中 ΔP為系統(tǒng)功率變化量；ΔF為系統(tǒng)頻率變化量。

負(fù)荷頻率靜態(tài)特性不同種類的負(fù)荷對(duì)頻率的變化關(guān)系各異，當(dāng)分析計(jì)算海南電網(wǎng)孤網(wǎng)方式下的系統(tǒng)頻率變化時(shí)，系統(tǒng)變電站及廠用電負(fù)荷采用恒阻抗、恒電流、恒功率并計(jì)入頻率因子的綜合靜態(tài)負(fù)荷模型，具體參數(shù)如表1所示。

表1 海南電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算負(fù)荷模型參數(shù)

2 損失核電機(jī)組對(duì)孤網(wǎng)頻率的影響分析

2.1 損失1臺(tái)核電機(jī)組

孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)海南電網(wǎng)損失1臺(tái)核電機(jī)組后的頻率偏差計(jì)算結(jié)果如表2所示，可以看出，同一負(fù)荷水平下，孤網(wǎng)運(yùn)行方式下?lián)p失不同出力的核電機(jī)組時(shí)，對(duì)應(yīng)的K值基本為一恒定值。而對(duì)于不同負(fù)荷水平，K值與負(fù)荷水平呈正比關(guān)系，即海南電網(wǎng)負(fù)荷水平越大，引起系統(tǒng)發(fā)生1 Hz頻率偏差所需的機(jī)組容量越大，故而損失1臺(tái)核電機(jī)組后，小負(fù)荷方式下引起的頻率偏差變化值更大[5-6]。

綜合表2的計(jì)算結(jié)果，得出損失1臺(tái)核電機(jī)組容量占總負(fù)荷的百分比與對(duì)應(yīng)頻率偏差之間的關(guān)系曲線，如圖1所示。由圖1可見，不同負(fù)荷水平下海南電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，損失核電1臺(tái)機(jī)組容量占總負(fù)荷的百分比值與引起的頻率偏差值之間基本形成一條帶有斜率的直線，即任何負(fù)荷水平下，損失機(jī)組容量百分比與頻率偏差之間基本呈線性關(guān)系，即機(jī)組容量占全網(wǎng)負(fù)荷比例越大，損失該機(jī)組導(dǎo)致的系統(tǒng)頻率偏差就越大。

表2 孤網(wǎng)方式下1臺(tái)核電機(jī)組失磁故障后頻率偏差值(不計(jì)調(diào)速器作用)

注：括號(hào)中百分?jǐn)?shù)表示機(jī)組出力與額定出力的百分比

圖1 損失1臺(tái)核電機(jī)組頻率偏差曲線

2.2 損失2臺(tái)核電機(jī)組

孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)海南電網(wǎng)損失2臺(tái)核電機(jī)組后的頻率偏差計(jì)算結(jié)果如表3所示，所得結(jié)論與孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)海南電網(wǎng)損失1臺(tái)核電機(jī)組結(jié)論相同。即同一負(fù)荷水平下，孤網(wǎng)運(yùn)行方式下?lián)p失不同出力不同數(shù)量的核電機(jī)組時(shí)，對(duì)應(yīng)的K值仍基本為一恒定值。而對(duì)于不同負(fù)荷水平，K值與負(fù)荷水平呈正比關(guān)系，即海南電網(wǎng)負(fù)荷水平越大，引起系統(tǒng)發(fā)生1 Hz頻率偏差所需的機(jī)組容量越大。同樣，如圖2所示，損失2臺(tái)核電機(jī)組容量占總負(fù)荷的百分比與對(duì)應(yīng)頻率偏差之間的關(guān)系曲線亦為一帶有斜率的直線，與孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)海南電網(wǎng)損失1臺(tái)核電機(jī)組結(jié)論相同。

表3 孤網(wǎng)方式下2臺(tái)核電機(jī)組失磁故障后頻率偏差值(不計(jì)調(diào)速器作用)

注：括號(hào)中百分?jǐn)?shù)表示機(jī)組出力與額定出力的百分比

圖2 損失2臺(tái)核電機(jī)組頻率偏差曲線

3 核電機(jī)組損失的頻率控制措施分析

損失核電機(jī)組后，電源供給功率小于負(fù)荷功率需求，從兩方面來研究控制措施：①緊急切負(fù)荷，減少負(fù)荷需求；②控制核電機(jī)組的正常運(yùn)行出力，減小損失機(jī)組帶來的功率差額值。

3.1 損失1臺(tái)核電機(jī)組

3.1.1 事故后切負(fù)荷措施

孤網(wǎng)方式下，當(dāng)1臺(tái)核電機(jī)組發(fā)生失磁故障或采取切1臺(tái)核電機(jī)組的措施后，海南電網(wǎng)將失去重要電源，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)低頻失穩(wěn)，需采取切負(fù)荷措施以恢復(fù)頻率穩(wěn)定。

對(duì)于不同負(fù)荷水平方式下，核電機(jī)組失磁故障后不引起低頻減負(fù)荷裝置動(dòng)作的最小切負(fù)荷量結(jié)果如表4所示，由此可知，當(dāng)損失相同容量的核電機(jī)組，小負(fù)荷方式下的切負(fù)荷量略大于大負(fù)荷方式；從所需切負(fù)荷量與損失機(jī)組容量的比值來看，小負(fù)荷方式的比值要高于大負(fù)荷方式，這與K值相對(duì)于負(fù)荷水平變化的規(guī)律一致。

表4 孤網(wǎng)方式下?lián)p失核電1臺(tái)機(jī)組后切負(fù)荷措施(不計(jì)調(diào)速器作用)

注：1. 表中機(jī)組出力與額定出力的百分比； 2. 表中括號(hào)內(nèi)的百分?jǐn)?shù)表示切負(fù)荷量與負(fù)荷水平的百分比

3.1.2 事故前限制核電出力措施

海南電網(wǎng)中核電單機(jī)容量較大(占統(tǒng)調(diào)負(fù)荷的12%以上)，采取事故后切負(fù)荷措施極有可能造成電力安全事故。如表5所示，在2016—2018年度各負(fù)荷水平下，當(dāng)損失1臺(tái)100%FP或75%FP出力的核電機(jī)組時(shí)，事故后所切負(fù)荷量可能構(gòu)成一般或較大電力安全事故[7]。

表5給出了事故前核電壓出力后，損失1臺(tái)核電機(jī)組可構(gòu)成一般和較大電力安全事故的閾值。如2016年豐小方式，當(dāng)核電機(jī)組壓出力幅度在26%FP及以下時(shí)，即機(jī)組出力在74%FP及以上，損失該機(jī)組所需切負(fù)荷量將構(gòu)成較大電力安全事故；當(dāng)核電壓出力幅度在26%FP以上、54%FP及以下時(shí)，損失該機(jī)組將構(gòu)成一般電力安全事故；當(dāng)核電壓出力幅度在54%FP以上時(shí)，損失該機(jī)組不構(gòu)成電力安全事故。

對(duì)比表5中數(shù)據(jù)可得，小負(fù)荷方式下為使損失機(jī)組后所切負(fù)荷量不致引起電力事故，核電機(jī)組所需壓出力的幅度較大負(fù)荷方式更大，與K值相對(duì)于負(fù)荷水平變化的規(guī)律一致[8]。

表5 核電不同出力孤網(wǎng)方式下?lián)p失1臺(tái)核電機(jī)組的切負(fù)荷量

注：1. 表中機(jī)組出力與額定出力的百分比； 2. 表中括號(hào)內(nèi)的百分?jǐn)?shù)表示切負(fù)荷量與負(fù)荷水平的百分比； 3. 表中損失機(jī)組出力總和與 單臺(tái)額定機(jī)組出力的百分比

3.2 損失2臺(tái)核電機(jī)組后的措施分析

3.2.1 事故后切負(fù)荷措施

對(duì)于不同負(fù)荷水平方式下，核電機(jī)組雙機(jī)故障后不引起低頻減負(fù)荷裝置動(dòng)作的最小切負(fù)荷量結(jié)果如表6所示，所得結(jié)論與孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)海南電網(wǎng)損失1臺(tái)核電機(jī)組結(jié)論相同，即損失相同容量的核電機(jī)組時(shí)，小負(fù)荷方式下的切負(fù)荷量略大于大負(fù)荷方式；從所需切負(fù)荷量與損失機(jī)組容量的比值來看，小負(fù)荷方式的比值高于大負(fù)荷方式，系統(tǒng)失去核電雙機(jī)的比值高于損失單臺(tái)機(jī)組[9]。

表6 孤網(wǎng)方式下?lián)p失核電2臺(tái)機(jī)組后切負(fù)荷措施(不計(jì)調(diào)速器作用)

注：1. 表中機(jī)組出力與額定出力的百分比； 2. 表中括號(hào)內(nèi)的百分?jǐn)?shù)表示切負(fù)荷量與負(fù)荷水平的百分比

3.2.2 事故前限制核電出力措施

如表7所示，在2016-2018年度各負(fù)荷水平下，當(dāng)損失2臺(tái)100%FP或1臺(tái)75%FP及1臺(tái)100%FP出力的核電機(jī)組時(shí)，事故后所切負(fù)荷量大多構(gòu)成較大電力安全事故。

與孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)海南電網(wǎng)損失1臺(tái)核電機(jī)組結(jié)論同樣，小負(fù)荷方式下為使損失機(jī)組后所切負(fù)荷量不致引起電力事故，核電機(jī)組所需壓出力的幅度較大負(fù)荷方式更大，與K值相對(duì)于負(fù)荷水平變化的規(guī)律一致[10]。

此外，由表7可見，在各年度各負(fù)荷水平下，損失1臺(tái)滿出力核電機(jī)組所切負(fù)荷量基本至少構(gòu)成一般電力事故，為保障海南電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，建議在孤網(wǎng)狀態(tài)下限制核電出力。

表7 核電不同出力孤網(wǎng)方式下?lián)p失2臺(tái)核電機(jī)組的切負(fù)荷量

注：1. 表中機(jī)組出力與額定出力的百分比； 2. 表中括號(hào)內(nèi)的百分?jǐn)?shù)表示切負(fù)荷量與負(fù)荷水平的百分比； 3. 表中損失機(jī)組出力總和與單臺(tái)額定機(jī)組出力的百分比

4 結(jié)語

計(jì)算分析表明：

1)海南電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，同一負(fù)荷水平下，損失1臺(tái)或2臺(tái)不同出力的核電機(jī)組，對(duì)應(yīng)的K值基本為一恒定值。

2)對(duì)于不同負(fù)荷水平，K值與負(fù)荷水平呈正比關(guān)系，即海南電網(wǎng)負(fù)荷水平越大，引起系統(tǒng)發(fā)生1 Hz頻率偏差所需的機(jī)組容量越大，故而損失相同容量核電機(jī)組后，小負(fù)荷方式下引起的頻率偏差變化值更大。與此同時(shí)，損失核電機(jī)組容量占總負(fù)荷的百分比值與引起的頻率偏差值之間基本呈正比關(guān)系，即機(jī)組容量占全網(wǎng)負(fù)荷比例越大，損失該機(jī)組導(dǎo)致的系統(tǒng)頻率偏差就越大。

3)為避免孤網(wǎng)狀態(tài)下?lián)p失核電機(jī)組所需切負(fù)荷量構(gòu)成電力安全事故，可在事故前限制核電機(jī)組出力。計(jì)算結(jié)果表明，所需壓出力的幅度與負(fù)荷水平有關(guān)，負(fù)荷水平越低，故障前所需壓出力的幅度越大。

4)從核電機(jī)組自身安全角度出發(fā)，機(jī)組不宜在低功率(50%FP及以下)運(yùn)行且運(yùn)行功率不應(yīng)頻繁調(diào)整。因此，在海南孤網(wǎng)運(yùn)行模式下，為避免損失核電機(jī)組引起較大事故的風(fēng)險(xiǎn)，建議僅投入運(yùn)行1臺(tái)核電機(jī)組。

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Research on frequency characteristics of small power system containing large capacity generator under isolated grid operation in Hainan province

HUANG Han-chang1, ZHANG Yu2, LI Xian1, ZHANG Zhong-hua2, QI Yong-fu1, WANG Jian-hua2, MAO Li-fan1

(1.Hainan Power Grid Co. Ltd, Haikou 570203, China; 2.Northeast Electric Power Design Institute, Changchun 130021, China)

Aiming at Hainan power grid and Changjiang nuclear power plant, the parameter K of frequency characteristics was calculated. Under isolated grid operation with different load levels, the influences of losing one or two nuclear generators for frequency was analyzed, and frequency control scheme for losing one or two nuclear generators was presented. Calculation results show that under the same load level, losing different outputting nuclear generators, the corresponding value K is basically constant, while under different load levels, the value K is proportional to load levels. Thus, in order to avoid safety accidents while losing nuclear generators under isolated grid operation, the generator outputting could be limited before the accident. And under isolated grid operation, running only one nuclear power plant is suggested in Hainan power grid.

frequency characteristics；small power system containing large capacity generator；isolated network operation; frequency control scheme

2016-04-28

張 宇(1989—), 女, 助理工程師，主要從事繼電保護(hù)及安全穩(wěn)定控制研究；E-mail: zhangyu@nepdi.net

TM712.3

A

1673-9140(2016)04-0188-07