緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)用于安全穩(wěn)定緊急控制的研究

李碧君，侯玉強(qiáng)

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緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)用于安全穩(wěn)定緊急控制的研究

李碧君，侯玉強(qiáng)

(南瑞集團(tuán)公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京211106)

為了應(yīng)對某些場景下緊急控制措施難以實(shí)施的問題，并盡可能提高對用戶供電的友好性和安全穩(wěn)定緊急控制的精準(zhǔn)度，提出將緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)作為安全穩(wěn)定緊急控制手段。從安全穩(wěn)定緊急控制的角度分析緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)的典型特征；基于擴(kuò)展等面積準(zhǔn)則(EEAC)剖析緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)特性影響暫態(tài)穩(wěn)定控制效果的機(jī)理，并與常規(guī)緊急切負(fù)荷控制進(jìn)行對比，研究緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)特性變化對暫態(tài)穩(wěn)定緊急控制效果的影響。基于實(shí)際電網(wǎng)，仿真分析緊急調(diào)節(jié)電解鋁負(fù)荷用于安全穩(wěn)定緊急控制，驗(yàn)證了分析結(jié)論。

緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)；暫態(tài)穩(wěn)定；安全穩(wěn)定緊急控制；EEAC

0 引言

負(fù)荷作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其特性和調(diào)控能力很大程度上影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和優(yōu)質(zhì)性水平[1-3]。負(fù)荷模型表征負(fù)荷受電網(wǎng)動態(tài)過程中母線電壓和頻率等物理量變化影響的特性，文獻(xiàn)[4]研究了負(fù)荷建模問題，文獻(xiàn)[5]研究了負(fù)荷模型對多回直流系統(tǒng)同時(shí)換相失敗的影響，文獻(xiàn)[6]研究了負(fù)荷模型影響聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的機(jī)理，文獻(xiàn)[7]研究了負(fù)荷模型對安全穩(wěn)定緊急控制效果的影響，這些研究成果對于把握負(fù)荷特性對安全穩(wěn)定水平的影響機(jī)理和控制效果的影響程度具有重要參考價(jià)值。負(fù)荷的可調(diào)控能力是負(fù)荷特性的另一重要方面，體現(xiàn)在可根據(jù)需要進(jìn)行控制，包括可中斷負(fù)荷和可調(diào)節(jié)負(fù)荷兩種形式。負(fù)荷控制作為提高電網(wǎng)緊急狀態(tài)下安全穩(wěn)定性的控制措施，是體現(xiàn)負(fù)荷側(cè)對電網(wǎng)運(yùn)行有益貢獻(xiàn)的主要方面之一。

按控制時(shí)機(jī)，暫態(tài)穩(wěn)定控制分為預(yù)防控制[8]和緊急控制[9]。目前，工業(yè)界通常通過跳開負(fù)荷饋線斷路器來實(shí)施緊急切負(fù)荷控制[10]，有關(guān)負(fù)荷側(cè)參與安全穩(wěn)定緊急控制的理論研究也大多是基于緊急切負(fù)荷[11-12]。切負(fù)荷控制的顯著優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行簡單與響應(yīng)快捷，但其屬于離散控制，即使分輪次執(zhí)行，控制的顆粒度也比較大，由此可能帶來一系列問題：(1)控制精度差，容易造成欠切或過切，控制策略優(yōu)化難度大；(2)用戶用電中斷，不僅導(dǎo)致對用戶供電的友好性下降，影響電網(wǎng)企業(yè)形象，還可能造成較大經(jīng)濟(jì)損失或社會影響；國務(wù)院599號令[13]頒布更進(jìn)一步加大了切負(fù)荷控制的實(shí)施難度；(3)特別的，對于一些獨(dú)立電網(wǎng)[14]或微網(wǎng)[15]，例如海島電網(wǎng)[16]，緊急切負(fù)荷控制因可能造成重大經(jīng)濟(jì)損失而難以有效實(shí)施。如何應(yīng)對切負(fù)荷控制的這些不足，目前還鮮見報(bào)道。

電網(wǎng)中有些類型的負(fù)荷，尤其是部分工業(yè)負(fù)荷，具有大比例、快速連續(xù)調(diào)節(jié)能力，允許在短時(shí)間內(nèi)大幅度降低負(fù)荷功率。通過對這類負(fù)荷進(jìn)行緊急調(diào)節(jié)，而不是簡單地中斷負(fù)荷供電可有望在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定的前提下，提高緊急控制的精細(xì)化水平，改善安全穩(wěn)定控制效果，最大限度地減少對用戶用電體驗(yàn)的干擾，提升網(wǎng)-荷友好性；同時(shí)，也有望解決某些場景下緊急切負(fù)荷控制措施難以實(shí)施的問題。因此，深入研究緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)用于安全穩(wěn)定緊急控制的相關(guān)問題具有重要意義。

與緊急切負(fù)荷相比，緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是從執(zhí)行控制命令到完成控制目標(biāo)往往存在時(shí)滯和超調(diào)，并伴隨著相對較長時(shí)間的動態(tài)調(diào)節(jié)過程，對控制效果產(chǎn)生一定影響。EEAC是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定量化分析理論的核心之一[17]，能夠?yàn)檠芯靠刂拼胧┯绊懓踩€(wěn)定特性機(jī)理與分析評估控制效果提供理論依據(jù)和方法論[18-20]。本文從安全穩(wěn)定緊急控制的角度分析緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)的典型特征，基于EEAC剖析緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)特性影響安全穩(wěn)定控制效果的機(jī)理，并與常規(guī)切負(fù)荷控制進(jìn)行對比分析；繼而研究緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)特性變化對暫態(tài)穩(wěn)定緊急控制效果的影響，闡述緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)用于安全穩(wěn)定緊急控制工程實(shí)施中要注意的一些問題，為在安全穩(wěn)定緊急控制中更好地應(yīng)用緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)提供有益參考。

1 緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)用于安全穩(wěn)定緊急控制

1.1 緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)參與安全穩(wěn)定緊急控制

緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)用于安全穩(wěn)定緊急控制如圖1所示，安控執(zhí)行站收到切負(fù)荷控制策略后，向負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)下達(dá)減負(fù)荷命令和減負(fù)荷量，由負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié)控制目標(biāo)，負(fù)荷與電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)依然保持聯(lián)通狀態(tài)?？梢姡瑢?shí)施緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)的基本前提是，負(fù)荷具有一定變化幅度和快速響應(yīng)的調(diào)節(jié)能力；而且負(fù)荷側(cè)通常需配置相應(yīng)的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠接受安控執(zhí)行站的減負(fù)荷命令，并根據(jù)減負(fù)荷控制目標(biāo)要求快速、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)負(fù)荷。

圖1緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)參與安全穩(wěn)定緊急控制示意圖

安全穩(wěn)定緊急控制需要采用緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)的典型場景是：(1) 通過對可中斷負(fù)荷進(jìn)行切負(fù)荷控制不能匹配到合適的控制策略，出現(xiàn)過切或欠切；(2) 通過對可中斷負(fù)荷進(jìn)行切負(fù)荷控制，雖然能夠滿足安全穩(wěn)定的要求，但由于切負(fù)荷量偏大，可能造成負(fù)荷損失達(dá)到較高的事故等級[13]，通過緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)可以在滿足安全穩(wěn)定水平要求的前提下減少負(fù)荷控制量。

1.2 緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)控制過程中負(fù)荷變化特點(diǎn)

假定0時(shí)刻安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)執(zhí)行同等的減負(fù)荷控制量DL，緊急切負(fù)荷控制是令負(fù)荷有功功率瞬時(shí)減少DL，而緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)則存在動態(tài)過程。兩種情況下安控命令執(zhí)行后的負(fù)荷()在0時(shí)刻之后的變化情況可分別用式(1)和式(2)表示。

不失一般性，緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)的時(shí)間響應(yīng)特性可用圖2表示，其中1表示負(fù)荷調(diào)節(jié)首次達(dá)到目標(biāo)值的時(shí)刻，2表示負(fù)荷調(diào)節(jié)達(dá)到峰值的時(shí)刻，3表示負(fù)荷調(diào)節(jié)再次達(dá)到目標(biāo)值的時(shí)刻，4表示調(diào)節(jié)結(jié)束時(shí)刻(負(fù)荷調(diào)節(jié)包絡(luò)線進(jìn)入5%誤差帶)。對于解決暫態(tài)穩(wěn)定問題的安全穩(wěn)定緊急控制，0~3階段的負(fù)荷變化特性是研究重點(diǎn)。從圖2可見，0~1階段，控制量D()小于安控要求的減負(fù)荷量DL，處于控制時(shí)滯階段；1~3階段，控制量D()大于安控要求的減負(fù)荷量DL，處于超調(diào)階段。緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)存在的時(shí)滯和超調(diào)，必然對安全穩(wěn)定緊急控制效果產(chǎn)生一定影響，在制訂安全穩(wěn)定控制策略時(shí)，需根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)際控制特性來確定緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)的控制目標(biāo)量，而不能簡單地套用切負(fù)荷控制措施量。

圖2緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)控制的時(shí)間響應(yīng)特性

2 緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)特性對暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

2.1 降負(fù)荷控制提高暫態(tài)穩(wěn)定性的機(jī)理

分析降負(fù)荷提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的機(jī)理，可以基于EEAC簡單模型，著重研究電磁功率變化。該模型忽略群內(nèi)各機(jī)組非同調(diào)性，認(rèn)為群內(nèi)發(fā)電機(jī)功角軌跡與群內(nèi)慣量中心軌跡一致?；谠撃Ｐ?，主導(dǎo)映象系統(tǒng)退化為經(jīng)典的OMIB，其電磁功率e如式(3)所示[17]。

在以上各式中，s(或a)為臨界群(或余下群A)的等值慣量，T為系統(tǒng)的等值慣量；g和b是降階導(dǎo)納陣元素。

根據(jù)電網(wǎng)絡(luò)分析理論，進(jìn)行保留發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納降階處理時(shí)，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)可按負(fù)荷移置系數(shù)移置到發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)[21]。因而，在降階導(dǎo)納陣元素中，有部分自導(dǎo)納是負(fù)荷移置產(chǎn)生的。電網(wǎng)受到大擾動后，緊急降負(fù)荷控制將使自導(dǎo)納元素g變小。對于暫態(tài)穩(wěn)定而言，由于臨界群發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)與余下群負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系比較薄弱，降負(fù)荷控制主要是減少余下群的負(fù)荷需求，對臨界群發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)自導(dǎo)納的影響可以忽略。因此，暫態(tài)穩(wěn)定緊急降負(fù)荷措施，將使余下群發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的自導(dǎo)納元素g()變小，即式(4)中第二項(xiàng)變小，由此引起C增大，繼而導(dǎo)致主導(dǎo)映象系統(tǒng)的電磁功率e增加。在正擺階段，電磁功率e增加相當(dāng)于增大減速面積，如圖3所示的e大于m陰影部分，因而有利于提高暫態(tài)穩(wěn)定性。

2.2 緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)與切負(fù)荷控制效果的差異

對切負(fù)荷控制和緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)下達(dá)控制目標(biāo)相同的控制指令，下面分析兩者控制效果的差異。

在均一網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)負(fù)荷減少DP，余下群發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的自導(dǎo)納元素減小DP，是節(jié)點(diǎn)負(fù)荷移置到發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的自導(dǎo)納變化系數(shù)，為實(shí)數(shù)。

圖3降負(fù)荷提高正擺暫態(tài)穩(wěn)定性示意圖

在0時(shí)刻，對節(jié)點(diǎn)執(zhí)行切負(fù)荷DP的控制，發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的自導(dǎo)納變化量為Dg，如式(9)所示；對節(jié)點(diǎn)執(zhí)行緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)DP的控制，經(jīng)歷時(shí)滯和超調(diào)動態(tài)過程，在4時(shí)刻基本實(shí)現(xiàn)減負(fù)荷DP的控制目標(biāo)，在0至4階段發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的自導(dǎo)納變化量Dg()為式(10)所示，4時(shí)刻以后發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的自導(dǎo)納變化量Dg()與切負(fù)荷DP的控制效果基本相同。

基于圖2所示緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)特性曲線和圖3所示的降負(fù)荷控制示意圖，結(jié)合式(3)、式(4)、式(9)與式(10)，對比分析緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)與切負(fù)荷控制效果的差異，著重分析0至1和1至3兩個(gè)時(shí)段。

①在0至1時(shí)段，緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)的實(shí)際控制量小于預(yù)期目標(biāo)，相應(yīng)的余下群發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)自導(dǎo)納減少量小于切負(fù)荷控制時(shí)的余下群發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)自導(dǎo)納減少量。由圖3可知，緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)使得減速面積增加的幅度比切負(fù)荷控制時(shí)小dec2，該階段緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)的控制效果不如切負(fù)荷控制。

②在1至3時(shí)段，緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)控制出現(xiàn)超調(diào)，實(shí)際控制量超過預(yù)期目標(biāo)，相應(yīng)的余下群發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)自導(dǎo)納減少量大于切負(fù)荷控制時(shí)余下群發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)自導(dǎo)納減少量。兩者對暫態(tài)穩(wěn)定控制效果的影響差異與這個(gè)時(shí)段內(nèi)主導(dǎo)映象對應(yīng)功角軌跡的特性有關(guān)：如果主導(dǎo)映象的功角一直處于正向擺次，則緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)使得減速面積增加的幅度比切負(fù)荷控制時(shí)大dec3，緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)控制效果優(yōu)于切負(fù)荷控制；如果主導(dǎo)映象的功角開始處于正向擺次，在經(jīng)歷一段時(shí)間1至后開始回?cái)[，則在1至階段緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)的控制效果優(yōu)于切負(fù)荷控制；而在至3，余下群發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)自導(dǎo)納減少量的繼續(xù)增大，對反向擺次的穩(wěn)定性不利，緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)的超調(diào)控制反而削弱控制效果，甚至出現(xiàn)控制負(fù)效應(yīng)[17,22]；在1至3這段時(shí)段內(nèi)，緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)與切負(fù)荷兩類控制整體效果的優(yōu)劣，取決于緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)在正向擺次控制效果改善程度與在反向擺次控制效果削弱程度的比較。

綜上所述，與切負(fù)荷控制比較，在緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)控制實(shí)施過程中，在有些時(shí)段緊急減負(fù)荷調(diào)節(jié)會削弱控制效果，在有些時(shí)段則會增強(qiáng)控制效果。由圖3可知，當(dāng)減速面積dec3>dec2時(shí)，緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)的整體控制效果優(yōu)于緊急切負(fù)荷控制。

2.3 緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)特性變化對暫態(tài)穩(wěn)定控制效果的影響

圖2給出了典型的緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)過程中負(fù)荷變化情況。通過預(yù)期控制量DL和控制量峰值Dmax可計(jì)算超調(diào)量來度量負(fù)荷調(diào)節(jié)過程中的超調(diào)情況，通過1、2、3和4反映負(fù)荷調(diào)節(jié)控制響應(yīng)的時(shí)間特性。下面分別分析上述參數(shù)變化對暫態(tài)穩(wěn)定控制效果影響。

① 超調(diào)量%增大，意味著余下群發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)自導(dǎo)納減少量增加，相當(dāng)于圖3中虛線上移，dec3面積增加；另外，若2~0較小，系統(tǒng)主導(dǎo)映象處于正向擺次時(shí)段，其必將改善暫態(tài)穩(wěn)定控制效果。不過，超調(diào)量增加可能造成過控，引發(fā)系統(tǒng)頻率安全方面的問題。

②1增大，意味著緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)欠控制的時(shí)間延長，余下群發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)自導(dǎo)納減少量持續(xù)小于預(yù)期目標(biāo)；考慮到實(shí)際情況，至1時(shí)刻時(shí)系統(tǒng)主導(dǎo)映象通常還處于正向擺次時(shí)段，1增大相當(dāng)于圖3中虛線在0至1階段上升斜率下降，dec1面積減少，因此不利于改善暫態(tài)穩(wěn)定控制效果。

③2增大，保持時(shí)刻1和超調(diào)量%不變情況下，意味著負(fù)荷超調(diào)階段調(diào)節(jié)速度變慢，余下群發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)自導(dǎo)納雖持續(xù)減少，但變化速率有所降低；若1至2時(shí)段系統(tǒng)主導(dǎo)映象始終處于正向擺次時(shí)段，2增大相當(dāng)于圖3中虛線在1至2階段上升斜率下降，dec3面積減少，不利于改善暫態(tài)穩(wěn)定控制效果；而且，隨著2不斷增加，減速面積dec3也不斷增大，一旦導(dǎo)致系統(tǒng)主導(dǎo)映象首擺遇到FEP(首擺穩(wěn)定最遠(yuǎn)點(diǎn))并開始回?cái)[時(shí)，反而造成dec-inc偏差增加，使緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)出現(xiàn)負(fù)效應(yīng)現(xiàn)象，反而惡化暫態(tài)反擺穩(wěn)定。

④3增大：保持超調(diào)量%和2不變的情況下，若3增大但系統(tǒng)主導(dǎo)映象仍處于正向擺次時(shí)段，則意味著圖3中虛線所圍減速面積dec3增加，有利于進(jìn)一步改善暫態(tài)穩(wěn)定控制效果。與2增大類似，3增大同樣可能導(dǎo)致反擺控制負(fù)效應(yīng)。另外，若前一階段負(fù)荷調(diào)節(jié)已經(jīng)出現(xiàn)過控，3越大則意味著負(fù)荷調(diào)節(jié)的回調(diào)時(shí)間越長，不利于后續(xù)過程的頻率安全穩(wěn)定。

3 仿真算例分析

在某實(shí)際工業(yè)企業(yè)電網(wǎng)，區(qū)域1經(jīng)3回220 kV線路(其中兩回同桿架設(shè))從區(qū)域2受電650 MW，該電網(wǎng)負(fù)荷總量約為1 260 MW，其中含照明、電弧爐等可中斷負(fù)荷100 MW(區(qū)域1)；電解鋁可控硅整流負(fù)荷640 MW(區(qū)域1)；高爐、精煉及廠用電等不可控負(fù)荷520 MW(區(qū)域1和區(qū)域2)。與常規(guī)負(fù)荷不同的是，電解鋁負(fù)荷具備快速調(diào)節(jié)能力，允許緊急下調(diào)至最大負(fù)荷的50%甚至更低。

由于緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)的控制效果與其調(diào)節(jié)特性參數(shù)密切相關(guān)，首先通過一系列負(fù)荷階躍試驗(yàn)，獲取電解鋁控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性，如圖4所示。根據(jù)試驗(yàn)錄波曲線的趨勢線(圖4中黑線)可整定相應(yīng)的控制參數(shù)為：%=50%，1=0.3 s，2=0.8 s，3=1.8 s。

圖4 實(shí)際電網(wǎng)電解鋁負(fù)荷緊急調(diào)節(jié)實(shí)測試驗(yàn)曲線

3.1 緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)控制有效性驗(yàn)證

(1) 場景1：區(qū)域間送電斷面同桿雙回-2故障

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，該電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線一旦發(fā)生220 kV同桿雙回-2故障，可能導(dǎo)致區(qū)域2內(nèi)機(jī)組相對區(qū)域1內(nèi)機(jī)組功角失穩(wěn)。若采取送端緊急切機(jī)控制措施，可能出現(xiàn)切機(jī)后送端機(jī)組等值慣量大幅下降，臨界群其他機(jī)組功角加速度增加的負(fù)效應(yīng)；即使切機(jī)降低臨界群加速能量的正效應(yīng)大于上述負(fù)效應(yīng)，也面臨著因發(fā)電機(jī)組容量占全網(wǎng)負(fù)荷比例較大，切機(jī)后全網(wǎng)頻率快速跌落，還需進(jìn)一步采取切負(fù)荷控制措施的問題。

由EEAC理論可知，送端切機(jī)和受端切負(fù)荷均有利于提高暫態(tài)穩(wěn)定首擺穩(wěn)定性。同時(shí)，采取切負(fù)荷控制有利于保留全網(wǎng)發(fā)電機(jī)組慣量和發(fā)電機(jī)無功支撐能力，針對此類電網(wǎng)不失為一種解決暫態(tài)穩(wěn)定的有利選擇。受故障后剩余一回線熱穩(wěn)定和全網(wǎng)機(jī)組頻率上升不得造成超速保護(hù)動作的雙重限制，故障后至少需切除區(qū)域1負(fù)荷300 MW。可選措施如下：

① 切除照明、電弧爐等可中斷負(fù)荷；

② 閉鎖相應(yīng)整流橋臂的觸發(fā)脈沖實(shí)現(xiàn)緊急切除電解鋁負(fù)荷；

③ 向電解鋁控制系統(tǒng)下達(dá)緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)命令，實(shí)施緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)。

措施1的負(fù)荷可切量不足，需與其他負(fù)荷控制措施配合方能滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定需要；受電解鋁工藝要求限制，執(zhí)行措施2時(shí)僅能閉鎖8組整流橋臂中的2組(1≤≤4)，按過切原則切負(fù)荷時(shí)，即使考慮措施1仍需閉鎖4組整流橋臂，相當(dāng)于切除320 MW電解鋁負(fù)荷，不僅造成控制過量，也使得留網(wǎng)運(yùn)行的電解鋁整流橋無法繼續(xù)正常工作而進(jìn)入保溫狀態(tài)，可能造成重大生產(chǎn)事故和經(jīng)濟(jì)損失。

因此，考慮采取措施1和措施3的組合。根據(jù)圖4所示的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性實(shí)測曲線，選擇故障清除后0.1 s切除可中斷負(fù)荷，同時(shí)令電解鋁控制系統(tǒng)執(zhí)行調(diào)節(jié)200 MW負(fù)荷指令，依據(jù)給定的頻率安全穩(wěn)定二元表([51.5 Hz，1.0 s]、[52.0 Hz，0.5 s])，仿真結(jié)束時(shí)FASTEST量化分析仿真軟件給出的暫態(tài)功角穩(wěn)定裕度為86.4%，頻率安全穩(wěn)定裕度為4.5%，表明采取緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)可以滿足安全穩(wěn)定控制需要。

(2) 場景2：區(qū)域1內(nèi)一臺大容量機(jī)組脫網(wǎng)

對裝機(jī)規(guī)模相對有限的工業(yè)企業(yè)電網(wǎng)而言，一旦因機(jī)組升壓變/送出線路短路或機(jī)組失磁故障導(dǎo)致機(jī)組脫網(wǎng)，可能造成全網(wǎng)頻率快速跌落；區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線傳輸無功功率大量增加導(dǎo)致受端(區(qū)域1)部分節(jié)點(diǎn)電壓跌落，對高爐、精煉等電壓敏感性負(fù)荷的正常運(yùn)行造成影響。

仍采取措施1和措施3來應(yīng)對機(jī)組脫網(wǎng)導(dǎo)致的頻率失穩(wěn)和電壓跌落。通過與電解鋁控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家協(xié)調(diào)，電解鋁控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確執(zhí)行安控執(zhí)行站多次發(fā)來的緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)命令(包括故障觸發(fā)的緊急降負(fù)荷和軌跡觸發(fā)的低頻降負(fù)荷)。計(jì)及上述控制措施后的系統(tǒng)頻率曲線如圖5所示。

3.2 緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)特性參數(shù)優(yōu)化

為得到更優(yōu)的控制效果，可優(yōu)化整定相應(yīng)的控制系統(tǒng)參數(shù)。以場景1為例，表1給出了不同的控制參數(shù)下，F(xiàn)ASTEST量化分析仿真軟件給出的暫態(tài)功角穩(wěn)定裕度和暫態(tài)頻率安全裕度，可以看出：

① 負(fù)荷緊急調(diào)節(jié)速度過快往往伴隨著較大的控制超調(diào)，盡管有利于改善電網(wǎng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性，但容易導(dǎo)致控制過量且發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來不及響應(yīng)造成全網(wǎng)頻率升高。

圖5 一臺機(jī)組脫網(wǎng)，計(jì)及緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)控制后的頻率曲線

表1 不同負(fù)荷調(diào)節(jié)控制方案下的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度

注：方案2下暫態(tài)頻率最高值超過52.0 Hz，可能引發(fā)機(jī)組超速保護(hù)動作。

② 降低負(fù)荷緊急調(diào)節(jié)速度，控制系統(tǒng)的超調(diào)也可得到有效抑制。這雖有利于調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)本身穩(wěn)定性和發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)能力有充分釋放，但卻不利于緊急狀態(tài)下電網(wǎng)功率快速平衡。

綜合負(fù)荷調(diào)節(jié)控制后的電網(wǎng)暫態(tài)功角穩(wěn)定裕度和暫態(tài)頻率安全裕度，選擇方案1為最終調(diào)節(jié)控制方案。

4 工程實(shí)施中要注意的問題

將緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)作為安全穩(wěn)定緊急控制措施，需注意以下問題。

① 獲取真實(shí)的緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)特性。結(jié)合生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，以不影響正常生產(chǎn)流程為約束，確定可接受的緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度。通過實(shí)測，得到緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)特性參數(shù)，包括圖2所示的控制量峰值和時(shí)間參數(shù)(1、2、3和4)。對于負(fù)荷可調(diào)節(jié)幅度較大的情況，結(jié)合安全穩(wěn)定緊急調(diào)節(jié)負(fù)荷控制量的需要，對調(diào)控量進(jìn)行分檔，分別進(jìn)行調(diào)節(jié)特性的實(shí)測，從而能夠更準(zhǔn)確地反映各種調(diào)節(jié)狀態(tài)對安全穩(wěn)定性的影響。

② 確定緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)控制量。首先，按切負(fù)荷控制的方式，即不考慮緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)特性的影響，將控制量作為連續(xù)變量，計(jì)算滿足安全穩(wěn)定約束的負(fù)荷控制量。然后，結(jié)合實(shí)測的緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)特性，采用緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)的控制方式，分析校核負(fù)荷控制量的適應(yīng)性，根據(jù)需要對負(fù)荷控制量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而確定滿足安全穩(wěn)定要求的緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)控制量。

③ 安控裝置與負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)接口。安控裝置與負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)建立信息交互機(jī)制，一方面，安控裝置需要采集負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息，以及當(dāng)前工況下負(fù)荷可調(diào)控的信息，從而確定負(fù)荷的緊急調(diào)節(jié)能力；另一方面，安控裝置將負(fù)荷控制量傳送給負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而實(shí)施緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)，才能達(dá)到預(yù)期目的。

5 結(jié)語

電網(wǎng)中部分類型負(fù)荷具有快速、大幅度緊急調(diào)節(jié)能力，將其用于電網(wǎng)緊急狀態(tài)下的安全穩(wěn)定緊急控制，可彌補(bǔ)目前廣泛應(yīng)用的切負(fù)荷控制的某些不足，豐富電網(wǎng)安全穩(wěn)定緊急控制手段，提高控制精細(xì)化程度，最大限度地減少緊急控制對用戶正常用電的影響程度，改善電網(wǎng)面向用戶的友好性。隨著需求側(cè)響應(yīng)的發(fā)展，深入研究負(fù)荷調(diào)節(jié)參與電網(wǎng)緊急控制具有更重要的意義，特別是對于一些獨(dú)立電網(wǎng)或微網(wǎng)，采用緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)，有望解決安全穩(wěn)定緊急控制措施難以有效實(shí)施的難題。

與切負(fù)荷控制相比較，緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)的控制效果與其固有的動態(tài)調(diào)節(jié)特性密切相關(guān)，如果緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)控制參數(shù)不合理，可能會削弱控制效果甚至惡化系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。因此，在制定緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)控制策略時(shí)，需充分綜合分析具體負(fù)荷參與緊急調(diào)節(jié)的動態(tài)特性及其對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制效果機(jī)理的影響，優(yōu)化整定控制參數(shù)，才能充分發(fā)揮緊急負(fù)荷調(diào)節(jié)在安全穩(wěn)定緊急控制中的積極作用。

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(編輯 姜新麗)

Research of emergency load regulation for security and stability control

LI Bijun, HOU Yuqiang

(NARI Group Corporation (State Grid Electric Power Research Institute), Nanjing 211106, China)

To cope with the problem that emergency control measure is difficult to implement under some scenes and improve the friendliness of user power supply and accuracy of security and stability control, emergency load regulation for security and stability control is studied. In the view of stability emergency control, the characteristic of emergency load regulation is analyzed. Compared to emergency load shedding, the mechanism of the effects of emergency load regulation for stability control is studied based on EEAC (Extended Equal Area Criterion), of which the control result is influenced by emergency load regulation performance. The conclusion is verified by simulating and analyzing emergency regulation electrolytic aluminum load for stability control in real power grid.

emergency load regulation; transient stability; emergency control of stability and security; EEAC (Extended Equal Area Criterion)

10.7667/PSPC151194

2015-07-11；

2016-01-05

李碧君(1966 -)，男，通信作者,博士，研究員級高工，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制；E-mail: libijun@sgepri.sgcc.com.cn

侯玉強(qiáng)(1983-)，男，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制。E-mail: houyuqiang@sgepri. sgcc.com.cn