計(jì)及負(fù)荷響應(yīng)的電力系統(tǒng)低頻低壓聯(lián)合減載方案

國網(wǎng)福建廈門供電公司 李曄

傳統(tǒng)的逐輪次低壓減載和低頻減載系統(tǒng)相互獨(dú)立，減載時(shí)未計(jì)及負(fù)荷的頻率電壓特性以及頻率電壓之間的相互影響，在嚴(yán)重?cái)_動(dòng)下可能因?yàn)榍非谢蛘哌^切負(fù)荷導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。本文提出了一種基于響應(yīng)的電力系統(tǒng)低壓低頻聯(lián)合減載方案，該方案將負(fù)荷有功的動(dòng)態(tài)響應(yīng)解耦為負(fù)荷母線頻率和負(fù)荷電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，依據(jù)實(shí)測得到的負(fù)荷電壓響應(yīng)與頻率響應(yīng)來計(jì)算低壓減載量，再計(jì)及離線計(jì)算的低頻減載量從而構(gòu)成綜合減載量。IEEE39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的仿真結(jié)果說明，本文方法與傳統(tǒng)逐輪次減載方法相比，能使受擾系統(tǒng)的頻率和電壓恢復(fù)得更好，有效保障電力系統(tǒng)的電壓和頻率穩(wěn)定性。

引言

電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性，是電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的兩個(gè)重要內(nèi)容，近年來已經(jīng)受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注和研究。作為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制“第三道防線”的低壓減載和低頻減載，對(duì)保障受擾系統(tǒng)的電壓和頻率穩(wěn)定性發(fā)揮著極為重要的作用。

目前我國采用的主要為分散式減載方案，即低壓減載和低頻減載相互獨(dú)立，僅僅依據(jù)本地測得的電壓或頻率進(jìn)行逐輪次就地減載。這種方案需要的信息量少，算法簡單，但未考慮負(fù)荷頻率電壓特性對(duì)有功功率的影響以及電力系統(tǒng)中頻率與電壓的相互影響，所以在大擾動(dòng)下容易導(dǎo)致負(fù)荷的過切或欠切?，F(xiàn)有的研究表明，負(fù)荷電壓與系統(tǒng)頻率之間存在耦合效應(yīng)，因此有必要在減載方案的設(shè)計(jì)中考慮低頻低壓切負(fù)荷控制的負(fù)效應(yīng)。

其實(shí)，有關(guān)學(xué)者們已經(jīng)對(duì)分散式的低壓低頻減載方法進(jìn)行了一定的研究，但在充分考慮負(fù)荷頻率電壓特性對(duì)負(fù)荷功率影響的基礎(chǔ)上進(jìn)行低頻低壓聯(lián)合減載控制仍需進(jìn)一步探究。

本文提出了一種基于響應(yīng)的電力系統(tǒng)低壓低頻聯(lián)合減載方案，該方案將負(fù)荷有功功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)解耦為負(fù)荷母線頻率和負(fù)荷電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，依照實(shí)測得到的本地負(fù)荷的電壓響應(yīng)與頻率響應(yīng)來計(jì)算低壓減載量，再考慮離線計(jì)算的低頻減載量并按一定比例構(gòu)成綜合減載量。IEEE39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的仿真結(jié)果說明，本文所描述方法與傳統(tǒng)逐輪次減載方法相比，能使受擾系統(tǒng)的頻率和電壓恢復(fù)得更好，有利于保障電力系統(tǒng)的電壓和頻率穩(wěn)定性。

低壓低頻聯(lián)合減載方法

本文提出了一種基于響應(yīng)的分散式低壓低頻聯(lián)合減載方法，該方法將負(fù)荷有功功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)解耦為負(fù)荷母線頻率和負(fù)荷電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，根據(jù)實(shí)時(shí)測得的本地負(fù)荷的頻率與電壓響應(yīng)信息計(jì)算低壓減載量，并與離線整定的低頻減載量共同考慮且按一定比例構(gòu)成綜合減載量。

1.低壓低頻綜合減載量計(jì)算

電力系統(tǒng)的負(fù)荷特性可用冪函數(shù)模型表示為：

式中：PL為實(shí)際有功功率，PL0為額定有功功率，V 為實(shí)際負(fù)荷電壓，VL0為額定負(fù)荷電壓，f 為實(shí)際母線頻率，f0為額定系統(tǒng)頻率，即50 赫茲，指數(shù)α 和指數(shù)β分別為與負(fù)荷功率變化有關(guān)的電壓和頻率指數(shù)，其數(shù)值可以通過穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)、在線數(shù)據(jù)分析等方法來確定。從式（1）可以看出，當(dāng)負(fù)荷電壓或者頻率出現(xiàn)顯著變化，由于受到負(fù)荷的電壓頻率特性的影響，負(fù)荷的有功功率也隨之變化。

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生輕微電壓下降或者頻率降低，負(fù)荷的有功功率會(huì)隨之減少以保障系統(tǒng)的電力平衡，這時(shí)候負(fù)荷的電壓頻率特性將有利于負(fù)荷頻率和電壓的恢復(fù)，即表現(xiàn)為正效應(yīng)。但是，當(dāng)出現(xiàn)大擾動(dòng)使得負(fù)荷電壓或者頻率發(fā)生嚴(yán)重跌落時(shí)，將觸發(fā)低壓或者低頻減載，而減載后剩余負(fù)荷的有功功率將隨著系統(tǒng)頻率或電壓的回升而增加，阻礙頻率電壓的恢復(fù)，這時(shí)候負(fù)荷的電壓頻率特性則表現(xiàn)出對(duì)減載控制的負(fù)效應(yīng)。所以在設(shè)計(jì)低壓低頻減載方案時(shí)，必須考慮負(fù)荷的電壓頻率特性對(duì)低壓低頻減載控制的負(fù)效應(yīng)并依據(jù)電壓及頻率的變化實(shí)時(shí)地進(jìn)行減載量的計(jì)算。

將式（1）取標(biāo)幺值并對(duì)時(shí)間t 求導(dǎo)得：

化簡式（2）可得到動(dòng)態(tài)過程中負(fù)荷頻率電壓對(duì)負(fù)荷有功功率的影響公式：

即可將負(fù)荷功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)解耦為負(fù)荷母線頻率及負(fù)荷電壓響應(yīng)，故本文根據(jù)頻率和電壓響應(yīng)對(duì)負(fù)荷有功功率響應(yīng)的影響程度，按照負(fù)荷電壓變化和頻率變化占有功功率變化的比例，采用下式計(jì)算低壓低頻綜合減載量：

式中：ΔPLV和ΔPLf分別為低壓減載和低頻減載的切負(fù)荷量。dV/dt 和df/dt 取兩個(gè)周波內(nèi)的平均值，且均為標(biāo)幺值。

式（4）中，低壓減載的切負(fù)荷量ΔPLV 采用下式計(jì)算：

式中：ΔPLV為實(shí)時(shí)計(jì)算的低壓減載量，PL為該負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的實(shí)測有功功率，V 和f分別為實(shí)測的負(fù)荷電壓及頻率。由式（5）可得到減載后該負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的實(shí)際功率PLS為：

假定減載前后電力系統(tǒng)的傳輸能力不變，即系統(tǒng)能夠供給該負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的有功功率仍然為PL，則經(jīng)過暫態(tài)變化后負(fù)荷所吸收的功率PLS應(yīng)等于系統(tǒng)所能傳輸?shù)墓β蔖L，即：

此時(shí)，負(fù)荷的電壓和頻率應(yīng)逐漸恢復(fù)至接近額定值，即V≈VL0，f≈f0。

式（4）中，低頻減載的切負(fù)荷量ΔPLf可依照傳統(tǒng)方案進(jìn)行離線整定。但是考慮到負(fù)荷電壓變化對(duì)頻率響應(yīng)所產(chǎn)生的影響及切負(fù)荷控制的負(fù)效應(yīng)，在低頻減載第一輪切負(fù)荷量計(jì)算時(shí)可按下式附加上一定的減載量：

式中：ΔP1F為低頻減載首輪附加減載量。

2.減載方案設(shè)計(jì)

按照式（4）可利用實(shí)測的負(fù)荷電壓頻率響應(yīng)信息來計(jì)算低壓低頻綜合減載量?？紤]到系統(tǒng)中除了低頻低壓問題，還存在單一的低頻或者低壓問題，此時(shí)不需要進(jìn)行綜合減載，因此在進(jìn)行綜合減載量計(jì)算時(shí)，需要對(duì)負(fù)荷母線的頻率變化率和電壓變化率的量級(jí)進(jìn)行衡量。

本文采用的處理方法如下：若在低壓問題出現(xiàn)時(shí)負(fù)荷的頻率變化率很低，則忽略頻率變化對(duì)負(fù)荷有功功率的影響，直接進(jìn)行低壓減載即可，類似地，若在低頻問題出現(xiàn)時(shí)負(fù)荷的電壓變化率很低，則忽略負(fù)荷電壓變化對(duì)負(fù)荷有功功率的影響，直接進(jìn)行低頻減載即可，從而構(gòu)成部分基于響應(yīng)的分散式低頻低壓聯(lián)合減載方案，該方案對(duì)應(yīng)的具體減載步驟如下：

步驟（1）：實(shí)時(shí)測量負(fù)荷電壓和母線頻率。當(dāng)負(fù)荷電壓偏移大于10%且在連續(xù)兩個(gè)周波內(nèi)dV/dt<0時(shí)，轉(zhuǎn)步驟（2）；當(dāng)頻率f<49 赫茲且在連續(xù)兩個(gè)周波內(nèi)df/dt<0，轉(zhuǎn)步驟（3）；

步驟（2）：測量母線頻率變化率：若df/dt<-0.01，則按式（4）計(jì)算綜合減載量，若df/dt>-0.01，則將低頻減載量置0，直接按式（5）進(jìn)行低壓減載。減載后，若連續(xù)0.5 秒內(nèi)dV/dt<0 或5 秒內(nèi)電壓無法恢復(fù)至0.9pu 以上，則轉(zhuǎn)步驟（2）繼續(xù)減載，否則轉(zhuǎn)步驟（1）。

步驟（3）：測量負(fù)荷電壓變化率：若dV/dt<-0.05，則按式（4）計(jì)算綜合減載量，若dV/dt>-0.05，則將低壓減載量置0 并按照傳統(tǒng)低頻減載方案進(jìn)行減載（在傳統(tǒng)UFLS 第一輪按式（8）附加減載量）。減載后，若頻率繼續(xù)下降至下一輪定值，則轉(zhuǎn)步驟（3）繼續(xù)減載，否則轉(zhuǎn)步驟（1）。

具體的減載算法流程如圖1所示。圖中，tV和tf分別為觸發(fā)該輪低壓減載和低頻減載的初始時(shí)刻，fKf表示第Kf輪低頻減載的門檻值，Δtf為低頻減載每輪的延時(shí)，ΔPKf為離線整定的第Kf輪的低頻減載量。

圖1 減載流程圖

典型系統(tǒng)算例仿真

分別采用本文方法和傳統(tǒng)逐輪次減載方法在如圖2所示IEEE-39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中對(duì)低壓低頻故障后系統(tǒng)的減載效果進(jìn)行分析對(duì)比。仿真采用電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP。仿真過程考慮調(diào)壓器及調(diào)速器的作用，負(fù)荷模型采用式（1）所表示的冪函數(shù)模型并將式中α 與β 取為1.5。

仿真中采用的傳統(tǒng)典型低壓和低頻減載方案分別如表1和表2所示。同時(shí)，將本文所提出的基于響應(yīng)的低壓低頻聯(lián)合減載方案中低頻減載每輪的門檻值以及減載量與表2所示的傳統(tǒng)低頻減載方案取相同數(shù)值。

圖2 IEEE-39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

故障設(shè)置為圖2所示IEEE39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在線路16～17 斷開的情況下31號(hào)和32號(hào)發(fā)電機(jī)跳閘，故障后共損失有功出力1171 兆瓦，占全網(wǎng)的19.07%，該擾動(dòng)將使得系統(tǒng)頻率和負(fù)荷電壓都發(fā)生明顯跌落，導(dǎo)致低頻減載和低壓減載均被觸發(fā)。

若采取傳統(tǒng)方案進(jìn)行減載，則低頻減載共動(dòng)作3次，低壓減載共動(dòng)作2次，總減載次數(shù)為5次，減載總量為1098 兆瓦；而若采取本文方案，則低頻低壓繼電器僅需要?jiǎng)幼?次，共切除1096兆瓦負(fù)荷。兩種方案的減載效果如圖3和圖4所示?？梢钥闯?，采取傳統(tǒng)方法進(jìn)行減載，切負(fù)荷次數(shù)多，而且減載后負(fù)荷電壓低于0.92pu，由于電壓偏低使得系統(tǒng)頻率緩慢恢復(fù)至50赫茲；采取新方案進(jìn)行減載，因?yàn)榫C合考慮了負(fù)荷的電壓頻率特性，使得減載后負(fù)荷電壓迅速恢復(fù)至0.96pu以上，系統(tǒng)頻率恢復(fù)迅速，且擾動(dòng)過程中系統(tǒng)的最低頻率比采用傳統(tǒng)減載方案時(shí)系統(tǒng)的最低頻率更高。

結(jié)論

本文提出的基于響應(yīng)的電力系統(tǒng)低壓低頻聯(lián)合減載方法，將負(fù)荷有功功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)解耦為負(fù)荷母線頻率和負(fù)荷電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，有效地計(jì)及了負(fù)荷母線頻率和電壓響應(yīng)對(duì)負(fù)荷有功功率響應(yīng)的影響，并通過實(shí)時(shí)測量得到的響應(yīng)信息計(jì)算綜合減載量以觸發(fā)就地逐輪次減載。本文所述方法與傳統(tǒng)逐輪次低頻低壓減載方法相比，減載次數(shù)更少，減載后頻率電壓恢復(fù)效果更好，能更有效地保障電力系統(tǒng)在擾動(dòng)后的電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。

表1 傳統(tǒng)逐輪次低壓減載方案

表2 傳統(tǒng)逐輪次低頻減載方案

圖3 減載后系統(tǒng)頻率

圖4 減載后最低負(fù)荷電壓