直流閉鎖故障下安徽電網(wǎng)機組一次調頻性能分析

李端超，梁 肖，施 壯，黃少雄，高衛(wèi)恒，馬 宇

(1.安徽電力調度控制中心，安徽 合肥 230022；2.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院，安徽 合肥 230601；3.合肥工業(yè)大學計算機與信息學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

近年來，安徽電網(wǎng)“大電網(wǎng)、大電源”的特征日趨明顯[1]。電網(wǎng)頻率是電力系統(tǒng)的主要控制參數(shù)之一[2]。近幾年的電網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，特高壓直流閉鎖故障極易引發(fā)電網(wǎng)頻率波動。

相關試驗[3-4]表明，機組一次調頻(primary frequency regulation,PFR)可以有效提高系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。如果發(fā)電機組發(fā)揮好一次調頻性能、緩解頻率下降，不僅有效保障電網(wǎng)安全，而且在一定程度上提高了電網(wǎng)的安全裕度，達到網(wǎng)源雙贏的目的[5]。衛(wèi)鵬[6]、陳龍[7]、華文[8]等僅通過仿真分析了特高壓直流閉鎖事故對電網(wǎng)頻率的沖擊。

本文實際分析了某兩次賓金直流極閉鎖故障對安徽電網(wǎng)頻率的影響，研究了電網(wǎng)機組的一次調頻情況，并結合BPA仿真分析了影響電網(wǎng)頻率的幾個重要因素，給出了改善機組一次調頻性能的建議。

1 特高壓直流閉鎖后一次調頻響應分析

1.1 兩次直流閉鎖事件

兩次直流閉鎖頻率變化曲線如圖1所示。

圖1 兩次直流閉鎖頻率變化曲線

電網(wǎng)頻率波動基本可以分為三個階段。

第一階段，從一次調頻時刻開始到頻率下跌至最低點。頻率迅速下降，一次調頻均在3 s內開始響應。在該階段，電網(wǎng)發(fā)電機組將迅速出力且持續(xù)增加機組發(fā)電功率，阻止頻率進一步下降。兩次頻率故障均未導致頻率降至49 Hz，低頻減載未動作。

第二階段，從曲線的最低點到曲線的第一個極大值點。由于第一階段機組出力，在第二階段，其一次調頻作用開始顯現(xiàn)，系統(tǒng)頻率迅速恢復并趨于穩(wěn)定。

第三階段，從第二階段末到調頻結束時刻，頻率變化曲線趨于穩(wěn)定。

頻率變化情況如表1所示。表1中：t為頻率下跌到最低點的時間。

表1 頻率變化情況

1.2 安徽電網(wǎng)發(fā)電機組一次調頻情況分析

機組的一次調頻性能對電網(wǎng)大功率擾動后頻率下降的幅值以及恢復過程的影響很大[9]?，F(xiàn)分析在“8·28”、“8·29”兩次賓金直流閉鎖事件中，安徽電網(wǎng)發(fā)電機組一次調頻情況。

在“8·28”事件中，安徽電網(wǎng)共有56臺火電機組參與一次調頻，總容量為29 613 MW。在一次調頻響應達到15 s時，總出力為387.8184 MW。在“8·29”事件中，共有50臺機組參與一次調頻，總容量為26 288 MW。在一次調頻響應達到15 s時，總出力為145.92 MW。

分析相量測量單元(phasor measurement unit,PMU)獲取的資料可知，在頻率偏差超過調頻死區(qū)時，安徽電網(wǎng)發(fā)電機組都能在3 s內開始響應。在兩次賓金直流發(fā)生閉鎖故障后15 s時，安徽電網(wǎng)一次調頻最大響應增加的理論值是31 600×6%×75%=1 422 MW。計算在“8·28”和“8·28”這兩次事件中，發(fā)電機組實際總出力值占理論總出力值的百分比分別為27.3%、10.3%，與標準要求的75%相差較大。計算火電機組調差系數(shù)R：

(1)

式中:ΔPG為發(fā)電機組功率變化值。

調差系數(shù)的大小對維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定影響很大。查閱PMU統(tǒng)計的數(shù)據(jù)可知，安徽電網(wǎng)的一部分機組的調差系數(shù)與標準要求的4%～6%相差較大，低至-27.0%，高達21.5%。調差系數(shù)過大會導致調頻性能不足，調差系數(shù)過小會導致電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性差。在這兩次事件中，各類型機組的一次調頻情況如表2所示。

表2 一次調頻情況

分析比較表2可知，安徽電網(wǎng)以300～400 MW機組、600～700 MW機組類型居多，并且一次調頻情況相對良好，在一定程度上保證了安徽電網(wǎng)發(fā)電機組的整體一次調頻性能。1 000 MW機組合格率低，一次調頻效果差。查閱當天數(shù)據(jù)可知，1 000 MW機組出力初值低且后續(xù)出力不足導致機組合格率低，一次調頻效果差。部分機組滿負荷運行，機組的一次調頻裕度不足，不能有效發(fā)揮機組的一次調頻作用。

不同類型的火電機組調頻性能存在差異；同類型的火電機組在不同的功率缺額幅度下，其調頻性能也不同。頻率調節(jié)效應系數(shù)KL可表示為：

(2)

式中：ΔP為一次調頻機組發(fā)電功率變化量。

通過式(2)計算這2天的負荷頻率調節(jié)效應系數(shù)，分別為40 999 MW/Hz、43 478 MW/Hz。系統(tǒng)的有功功率增加得越多，頻率恢復得就越快。

表1中的數(shù)據(jù)也正好說明了這點。在近似10 s內，頻率的恢復值在“8·28”事件中比“8·29”事件中高了0.020 3 Hz。

火電機組通過一次調頻增加調速器轉速，提高輸出功率，進而提高系統(tǒng)頻率。安徽電網(wǎng)發(fā)電機組在這兩次事件中的一次調頻性能存在較大差異，同樣會導致電網(wǎng)頻率的恢復存在差異。

針對安徽電網(wǎng)發(fā)電機組一次調頻不理想的原因，提出以下措施。

①優(yōu)化參數(shù)。

大容量機組調差系數(shù)和調頻死區(qū)設置會對電網(wǎng)頻率特性產(chǎn)生重要影響。優(yōu)化時，不僅要注重對這2個參數(shù)的優(yōu)化，還應考慮機組轉速偏差放大倍數(shù)、響應時間、限幅等參數(shù)的優(yōu)化與調整。

②改善大容量機組一次調頻性能。

相對于小容量機組，大容量機組對功率變化的調整有更大的幅度。對于這些大容量機組，在響應一次調頻期間的出力極值已接近或超過額定功率。因此，可通過預留機組的出力裕度，來提升機組的一次調頻性能。

③研究新的一次調頻評價方法。

不同的機組在一次調頻考核期間的出力情況是不同的?？紤]加入對15 s、30 s、60 s的電量貢獻指數(shù)考核，而不是只考核60 s的電量貢獻指數(shù)；同時，輔以積極有效的補償制度，以鼓勵更多的機組參與一次調頻。

④合理分配機組。

調度員可根據(jù)機組的一次調頻性能，來分配機組的出力；給一次調頻性能優(yōu)秀的機組分配更高的電量貢獻值，來彌補性能較差機組的低電力貢獻值。在性能較差的機組整改完成之前，采取此措施來提升整體機組的一次調頻性能。

2 仿真分析

2.1 一次調頻作用仿真分析

采用電力系統(tǒng)BPA軟件進行仿真，模擬一次調頻的投運對安徽電網(wǎng)頻率變化的影響。設置電網(wǎng)功率缺額為2 000 MW，投運前后的一次調頻頻率變化曲線如圖2所示。

圖2 一次調頻頻率變化曲線

由圖2可知，在沒有一次調頻時，電網(wǎng)頻率呈直線下跌趨勢，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生了極大的影響；而在一次調頻的作用下，電網(wǎng)頻率從19.6 s開始穩(wěn)步回升，并于60 s時趨于穩(wěn)定。由此可證明一次調頻對于保障頻率的穩(wěn)定性至關重要。

2.2 機組總容量對電網(wǎng)頻率變化的影響

為了得到參與一次調頻的電網(wǎng)機組總容量對頻率變化的影響，一是需要相同的電網(wǎng)功率缺額幅度，二是采用不同的電網(wǎng)發(fā)電機組開機方式。開機方式采取正常開機和全開機兩種方式。其中：電網(wǎng)發(fā)電機組的正常開機即為0.6開機方式，代表參與一次調頻的機組有60%正常運行；全開機則為所有參與一次調頻的機組都正常運行。本次仿真分為以下2個步驟。

①在電網(wǎng)功率缺額2 000 MW的情況下，仿真電網(wǎng)發(fā)電機組0.6開機與全開機方式對安徽電網(wǎng)頻率的影響。

②在電網(wǎng)功率缺額4 000 MW的情況下，仿真電網(wǎng)發(fā)電機組0.6開機與全開機方式對安徽電網(wǎng)頻率的影響。安徽電網(wǎng)功率缺額頻率變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，在電網(wǎng)功率缺額4 000 MW的情況下，正常開機時電網(wǎng)頻率下跌至最低點的時間為35.5 s，下跌值為0.17 Hz，而后回升至最高點的用時為38.2 s。而全開機方式電網(wǎng)頻率下跌至最低點的時間為24.4 s，下跌值為0.10 Hz，而后回升至最高點的用時為20.4 s。

圖3 功率缺額頻率變化曲線

無論是頻率下跌幅度，還是電網(wǎng)恢復穩(wěn)定速度，全開機方式都比正常開機方式表現(xiàn)優(yōu)秀，一次調頻效果也更為顯著。也就是說，在同等電網(wǎng)功率缺額幅度下，參與一次調頻的機組總容量越高，電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性越強。

2.3 電網(wǎng)功率缺額幅度對頻率變化的影響

控制電網(wǎng)輸送功率的缺額幅度。在保證其他參數(shù)設置相同的前提下，將電網(wǎng)的輸送功率減少2 000 MW和4 000 MW，并仿真其頻率變化情況，如圖4所示。

圖4 功率缺額幅度與電網(wǎng)頻率關系曲線

功率缺額幅度不同，頻率下跌至最低點的時間各不相同。因此，在一次調頻的作用下，曲線到達極大值點的時間各不相同。在20 s、40 s、60 s時，功率缺額與頻率變化如表3所示。

表3 功率缺額與頻率變化關系

3 結束語

特高壓線路發(fā)生閉鎖故障時會導致頻率下降，對系統(tǒng)運行極為不利，甚至會造成“頻率崩潰”、“電壓崩潰”等嚴重后果，對電網(wǎng)運行構成了嚴重威脅[9-10]。機組的一次調頻對于保障電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定起到了至關重要的作用。本文分析了安徽電網(wǎng)在特高壓直流閉鎖故障下的頻率特性；通過仿真試驗，研究功率缺額幅度、機組一次調頻性能以及電網(wǎng)一次調頻機組容量對電網(wǎng)頻率恢復的影響；針對安徽電網(wǎng)發(fā)電機組一次調頻不理想的原因，提出了一些改進建議。針對特高壓電網(wǎng)頻率特性，進行安徽電網(wǎng)機組一次調頻性能及優(yōu)化策略的研究，將有效提高安徽電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性。