多區(qū)域交直流混聯(lián)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定仿真分析

張 欣

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 哈爾濱 150030)

多區(qū)域交直流混聯(lián)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定仿真分析

張 欣

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 哈爾濱 150030)

電網(wǎng)的頻率是電力系統(tǒng)運行質(zhì)量和安全情況的重要指標(biāo)，電力系統(tǒng)調(diào)頻控制技術(shù)對維護電網(wǎng)的安全運行有著至關(guān)重要的作用。為了解決交直流互聯(lián)系統(tǒng)直流輸電線路發(fā)生直流閉鎖故障時影響整個系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性問題，建立了交直流混聯(lián)的三區(qū)域系統(tǒng)仿真模型，通過仿真分析了直流系統(tǒng)發(fā)生直流閉鎖故障時對交流系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響。仿真分析結(jié)果表明，選擇機組不等率要從系統(tǒng)平均不等率、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面進行綜合考慮。調(diào)頻死區(qū)設(shè)置越小，系統(tǒng)頻率經(jīng)一次調(diào)頻恢復(fù)至穩(wěn)定時所用的時間越短。

頻率；交直流混聯(lián)；直流閉鎖；穩(wěn)定性

電網(wǎng)的頻率是電力系統(tǒng)最重要的運行參數(shù)之一，頻率的變化對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行有十分重要的影響[1]。系統(tǒng)的互聯(lián)雖然增強了系統(tǒng)之間的聯(lián)系，使其具有了較強的承受有功沖擊的能力，但是這樣的互聯(lián)同時也增大了系統(tǒng)可能面臨的有功不平衡問題，維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問題的重要性就更加突出[2]。隨著中國西電東送戰(zhàn)略的實施，目前電力系統(tǒng)出現(xiàn)了部分特高壓直流輸電走廊輸送功率超過5000 MW。當(dāng)交直流混聯(lián)系統(tǒng)發(fā)生大機組切除、直流閉鎖、聯(lián)絡(luò)線切除等故障時，會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率偏差急劇增大，如2005年華東電網(wǎng)因雙極直流閉鎖故障導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)約0.5 Hz的頻率偏差[3]。此外，大型發(fā)電機組對正常運行時頻率偏差限制比較嚴(yán)，若系統(tǒng)頻率偏差過大，則可能引發(fā)系統(tǒng)機組切除等連鎖故障，嚴(yán)重時可能發(fā)生頻率失穩(wěn)和電網(wǎng)解列[4]。本文對三區(qū)域交直流混聯(lián)系統(tǒng)進行了直流閉鎖故障下系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性仿真，重點分析了機組不等率和調(diào)頻死區(qū)等參數(shù)對系統(tǒng)一次調(diào)頻性能的影響，得到了系統(tǒng)發(fā)生直流閉鎖故障時一次調(diào)頻參數(shù)的設(shè)置方法，為增強交直流混聯(lián)電網(wǎng)的頻率控制質(zhì)量提供了理論依據(jù)。

1 直流閉鎖故障對交直流互聯(lián)系統(tǒng)的影響

三區(qū)域交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)如圖1所示，其中區(qū)域1和2通過交流和直流聯(lián)絡(luò)線共同連接，區(qū)域1和3以及區(qū)域2和3間分別通過一條交流聯(lián)絡(luò)線進行連接。

圖1 三區(qū)域交直流互聯(lián)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematicdiagram of three-areaAC/DC interconnectedsystem

假設(shè)區(qū)域1為送端系統(tǒng)，區(qū)域2為受端系統(tǒng)，當(dāng)區(qū)域1與區(qū)域2之間的直流線路發(fā)生直流閉鎖故障時，將造成整個系統(tǒng)的潮流大范圍轉(zhuǎn)移：一方面會造成區(qū)域1與區(qū)域2之間的交流聯(lián)絡(luò)線傳輸功率增加，另一方面會導(dǎo)致區(qū)域2內(nèi)產(chǎn)生功率缺額，從而引起頻率的大幅度振蕩[5]。此時系統(tǒng)運行人員關(guān)心的是通過調(diào)整哪些參數(shù)以及如何調(diào)整來減小系統(tǒng)頻率的最大偏移值。本文利用MATLAB搭建了三區(qū)域仿真系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上對影響常規(guī)機組一次調(diào)頻性能的機組不等率和調(diào)頻死區(qū)兩個參數(shù)進行了仿真分析，為增強交直流混聯(lián)電網(wǎng)的頻率控制質(zhì)量提供理論依據(jù)。

2 用于調(diào)頻分析的數(shù)學(xué)模型

2.1 調(diào)速器的數(shù)學(xué)模型

調(diào)速器是通過改變發(fā)電機的蒸汽氣流(或進水量)使之滿足發(fā)電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)需求，從而達到功率調(diào)節(jié)的目的。文獻[6]詳細介紹了調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，并建立的凝汽式汽輪機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。在圖2中，Ts為油動機的時間常數(shù)，To為容積方程的時間常數(shù)，Ta為發(fā)電機轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，δ為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)差系數(shù)。

2.2 三區(qū)域交直流互聯(lián)系統(tǒng)的多機并列運行數(shù)學(xué)模型

在研究電網(wǎng)頻率的長周期行為時(如一次調(diào)頻，二次調(diào)頻)，可以認為電網(wǎng)頻率是統(tǒng)一的，各發(fā)電機轉(zhuǎn)速均相等，這樣的假定實際上是忽略了發(fā)電機之間的相對搖擺，認為發(fā)電機之間嚴(yán)格地保持同步運行，三區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)的多機并列運行的數(shù)學(xué)模型如圖3所示。在圖3中，N1、N2和N3分別為區(qū)域

圖2 凝汽式汽輪機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型Fig.2 Mathematicalmodelofspeed regulationsystemin condensing steamturbine units

圖3 三區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)的多機并列運行的數(shù)學(xué)模型Fig.3 Mathematical model of multi-machine parallel operation of three-area interconnected system

3 仿真分析

在圖3三區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)中，每個區(qū)域總裝機容量為2000 MW，區(qū)域1與區(qū)域2的直流線路輸送功率恒定為400 MW。該系統(tǒng)中包含火電AGC機組、僅參與一次調(diào)頻的火電機組，其中AGC機組和一次調(diào)頻機組的發(fā)電份額系數(shù)分別為0.4和0.6。系統(tǒng)故障條件設(shè)置為5 000 s時，區(qū)域1與區(qū)域2間的直流特高壓線路發(fā)生直流閉鎖故障，系統(tǒng)失去直流提供的所有功率。

3.1 直流閉鎖故障條件下機組不等率對一次調(diào)頻性能的影響

不同裝機容量的機組不等率設(shè)置情況如表1所示。由表1可知，系統(tǒng)中的機組分為300 MW以下的小型機組，300～600 MW的中型機組以及600 MW以上的大型機組。

表1 不同的機組不等率設(shè)置方案Table 2 Variation rate setting proposalsin differentunits

當(dāng)機組的不等率參數(shù)取不同值時，在同一直流閉鎖故障下，區(qū)域2的頻率偏差如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)區(qū)域1與區(qū)域2間的直流特高壓線路在5 000 s時發(fā)生直流閉鎖故障后，系統(tǒng)受到較大的擾動，區(qū)域2的頻率急劇下降，在一次調(diào)頻作用下系統(tǒng)頻率開始上升。在三種取值方案情況下，系統(tǒng)受擾后頻率分別下降了0.25 Hz、0.2 Hz和0.26 Hz，受擾后約10 s頻率恢復(fù)穩(wěn)定。經(jīng)一次調(diào)頻作用后，系統(tǒng)頻率開始恢復(fù)，但一次調(diào)頻是有差調(diào)節(jié)，穩(wěn)定后頻率偏差分別為0.175 Hz、0.185 Hz和0.14 Hz。如果沒有一次調(diào)頻作用，在系統(tǒng)發(fā)生擾動后，系統(tǒng)的頻率偏差就會持續(xù)下降，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。而在一次調(diào)頻作用下，系統(tǒng)的頻率偏差在故障發(fā)生后開始恢復(fù)，最終形成一個穩(wěn)態(tài)頻率偏差。由以上分析可以看出，不等率對一次調(diào)頻能力有直接的影響，不等率越小，一次調(diào)頻能力越好，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生直流閉鎖故障時，在保證一次調(diào)頻系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，應(yīng)盡可能減小各臺機組的不等率，增強系統(tǒng)在直流閉鎖故障時的頻率穩(wěn)定性。

3.2 直流閉鎖故障條件下調(diào)頻死區(qū)對一次調(diào)頻性能的影響

同不等率研究時相同，改變仿真模型中各臺機組的調(diào)頻死區(qū)的取值范圍，保證仿真時機組不等率不變，均為經(jīng)典參數(shù)設(shè)置值(表1中方案一)，其他參數(shù)設(shè)置均相同，系統(tǒng)發(fā)生直流閉鎖故障時的區(qū)域2頻率偏差如圖5所示。

圖4 改變不等率取值時的區(qū)域2頻率偏差Fig.4 Frequency deviationof Region 2when changingvalue selectionofvariation rate

圖5 不同一次調(diào)頻死區(qū)取值時的區(qū)域2頻率偏差Fig.5 Frequencydeviation of Region2 in valueselections of different primaryfrequency control deadbands

由圖5可知，在調(diào)頻死區(qū)取不同值時，系統(tǒng)發(fā)生直流閉鎖故障后一次調(diào)頻的響應(yīng)時間分別為11 s、11.5 s和13.5 s，穩(wěn)態(tài)頻率偏差分別為0.185 Hz、0.2015 Hz和0.256 Hz。因此，調(diào)頻死區(qū)越小，一次調(diào)頻響應(yīng)時間越短，受擾系統(tǒng)將越快恢復(fù)頻率穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生直流閉鎖故障時，調(diào)頻死區(qū)的減小會使區(qū)域電網(wǎng)的一次調(diào)頻性能更加優(yōu)化，增強系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

本文通過建立多區(qū)域仿真模型，在系統(tǒng)發(fā)生直流閉鎖故障的條件下分析了常規(guī)機組不等率及一次調(diào)頻死區(qū)對系統(tǒng)一次調(diào)頻性能的影響，在此基礎(chǔ)上給出了系統(tǒng)發(fā)生直流閉鎖故障時的一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置方法。具體結(jié)論如下：

1)發(fā)電機組的調(diào)速不等率越小，頻率穩(wěn)定后系統(tǒng)的頻率偏差越小，一次調(diào)頻性能越佳，經(jīng)一次調(diào)頻作用后的頻率恢復(fù)效果越好。若單臺機組不等率過小，則會導(dǎo)致該機組的不穩(wěn)定運行，電網(wǎng)中各機組的平均不等率將會影響整個電網(wǎng)的穩(wěn)定。因此，在選擇機組不等率時需從系統(tǒng)平均不等率、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面進行綜合考慮。

2)調(diào)頻死區(qū)的設(shè)置會影響系統(tǒng)出現(xiàn)頻率偏差后機組何時響應(yīng)一次調(diào)頻的問題。通過仿真實驗的仿真結(jié)果可以看出，調(diào)頻死區(qū)設(shè)置越小，系統(tǒng)經(jīng)一次調(diào)頻作用后，頻率恢復(fù)至穩(wěn)定時所用的時間越短，一次調(diào)頻發(fā)揮的作用就越大。

[1] 郭鈺鋒. 電網(wǎng)調(diào)頻過程的動態(tài)特性分析[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2005：1-6. GUO Yufeng. Dynamic characteristics analyses of frequency regulation process in electric power systems[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2005: 1-6.

[2] 任麗娜. 互聯(lián)電網(wǎng)一次調(diào)頻特性研究[J]. 電工電氣, 2013，32(12): 26-27. REN Lina.Primaryfrequencycharacteristicsstudy of interconnectedpower system[J].Electrical& Electronics, 2013,32(12): 26-27.[3] 高翔，高伏英，楊增輝.華東電網(wǎng)因直流故障的頻率事故分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2006, 30(12):102-107. GAO Xiang, GAO Fuying,YANGZenghui. Frequency accident analysis inEast ChinaGriddueto DC line fault, 2006, 30(12): 102-107.

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[6] 郭鈺鋒, 徐志強, 于達仁. 汽輪機調(diào)節(jié)原理[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社, 2010. GUO Yufeng, XU Zhiqiang, YU Daren. Principle of steam turbine regulation[M].Beijing:China MachinePress, 2010.

(編輯 侯世春)

Simulation analysison frequency stability of multi-area AC/DC hybrid system

ZHANG Xin

(Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co.,Ltd., Harbin 150030,China)

Power grid frequency is an important index of power system operation quality and safety while frequency control technology of power system plays a crucial role inmaintaining the safe operation of power grid. When DC block failure occurs on DC transmission line of AC/DC interconnected system, it will cause certain influence to the frequency stability of the whole system. To solve this problem, the simulation model of three-area AC/DC hybrid system is established and the impact on the frequency stability of AC system is analyzed when DC block failure occurson the DC systemthrough simulation. The simulation results show that when choosing variation rate of the unit, the average variationrate, the system stability andother factors should be taken into account comprehensively. The smaller thedead zone is set, the shorter time will it takes to restorethe systemfrequency into stable stage by primary frequency control.

frequency; AC/DC hybrid, DC block; stability

2017-03-13。

張 欣(1964—)，男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)方面的研究工作。

TM712.3

A

2095-6843(2017)03-0212-04