电网遭受扰动后水电机组一次调频对电网频率的影响

周永杰，谭雅岚，张江滨

（1.汉中市水电设计院，陕西汉中723000；2.西安理工大学,西安 710048）

0 引言

电力系统频率控制是电力系统运行的一项重要内容，系统频率变化对用户、发电机和电力系统本身都有重大影响，将频率控制在较小的范围内是当今电力系统安全运行的目标之一。当系统有功不平衡时（大负荷突然并网，机组甩负荷，运行人员误操作等），频率通常在3~10 s内就能达到极值[1-2]，而能在秒级内及时作用的只有一次调频（PFR）,PFR容量来源于并列运行的发电机组和负荷，火电机组通过PFR能在5~10 s内改变其有功输出的3%~5%[3]，可见PFR对抑制快速干扰起积极作用。

PFR容量的预留通常需要满足系统安全性和经济性的要求，当电力网络处于不同工况下，调频容量释放过程是存在差别的[4]。就某一台发电机而言，其调速系统的单机运行特性只与本身调速系统的特性相关，但并列运行的特性不仅与本身调速系统的特性相关，还与其他发电机调速系统的特性相关[5-6]。将多区域互联电网的频率和功率调节以地区为基础作为控制区，把每个控制区作为等效的同步发电机群来调节[7]，其频率调节系统不仅与自身调节系统相关，还与与其相联接的区域特性相关。本文主要针对电网出现突发负荷扰动，某个地区的一次调频容量受到限制后，水电机组的死区及较大的水流惯性时间常数对电网频率恢复的影响。

1 用于分析电网一次调频的数学模型

本文选用两区域互联电力系统为研究对象，其一次调频的数学模型和仿真模型见图1。1、2为两互联的电力系统，1为水电机组区域，2为火电机组区域，令i=1、2，Gi（s）为区域i中等效发电机组调速器和原动机的传递函数[8-9]；Ri为区域i中发电机组的调差率；Hi为区域i中发电机组的惯性时间常数;KLi为区域i中的负荷调节效应系数，认为KLi随频率变化很小，本文中取KLi=1.5保持不变；TPi=2Hi/KLi=12/1.5为i区域的时间常数；KPi=1/KLi=1/1.5为i区域的放大倍数；GPi（s）=KPi/（1+sTPi）为i区域的传递函数；T12为区域1、2联络线的同步系数，取T12=T21=0.086 74；ΔFi（s）为区域i的频率标幺值；α12为区域转换系数，假设两区域的装机容量相同；图1（b）中mgi为区域i的负荷扰动量;Govi（s）为i区域中等效发电机组调速器模块[7-8]；Turi（s）为i区域中原动机模块；GPi（s）为i区域的传递函数;ki（一次调频容重比）为该区域投入的一次调频容量占该区域总容量的比重；水轮机组为具有加速度软反馈的理想水轮机模型[10]；汽轮机为功频调速系统的中间再热式机组[11]。

图1 用于分析两区域电网一次调频的模型

2 水电机组发生负荷扰动

为了应对短周期负荷波动，针对水电机组响应幅度大、持续性好，火电机组惯性小的优点，对火电机组设置较小人工转速死区,水电机组较大人工转速死区,一方面避免频繁动作,另一方面当系统出现联络线跳闸或大机组事故解列等较大的频率事故时,有利于系统频率的快速稳定恢复[12]。假设火电机组ef2=0.00，在区域1水电机组死区变化及若水电机组水流惯性大的情况下分析扰动后各个区域的频率变化。

假设水电区域受到负荷扰动（mg1=－0.02），火电机组一次调频容量受限（k2=0.6），仿真结果见图2（x1、x2/p1、p2分别为各区域的频率/功率响应曲线）。水电机组死区使其偏离额定值较远，对于具有较大水流惯性时间常数的水电厂，与火电厂互联后，死区的存在使水电机组偏离额定值很远；若水电厂水流惯性大且设置适当的死区那么在火电调节容量受限情况下，比水流惯性小的水电机组更能使火电机组在额定值最近达到稳定；水流惯性大的水电区域由于反调作用使互联系统的调节时间变长，x/p波形陡峭，但水电区域相对大的水流惯性可使火电非扰动限制区域稳定后的频差相对减小，这验证了死区的设置与水流惯性时间常数密切相关。图3为在mg1=-0.02，水电机组一次调频容量受限（k1=0.4）下的仿真曲线。水流惯性大的机组，在本身调频容量受到限制与相对于火电机组受到限制，其频率偏差较大；死区仍是系统能否在遭受扰动后回到初始值附近的最重要因素。系统频率波动频繁,对水、火电机组分别设置各自的人工转速死区，从而避免水电机组频繁调节可能导致的抵消火电机组的正常调频响应[13]。

3 火电机组发生负荷扰动

区域2火电机组发生负荷扰动(mg2=－0.02)，水电机组一次调频容量受限(k1=0.4)下的仿真曲线见图4。火电机组的调速系统选用功频调节系统，功频调节系统中的负反馈元件是功率调节器，本应测取汽轮机的实发功率，由于技术上的困难而采用了用发电机功率代替汽轮机功率。测量汽轮机功率作为功率信号时，这个信号是系统的反馈信号，而测量发电机功率作为功率信号时，此信号是一个扰动信号，当电网负荷突变时，发电机输出功率随之变化，而这时转速因转子惯性等原因尚未改变，或者变化很小，在调节过程的最初阶段，调节方向与外界负荷的需要相反，即出现反调现象[11]。火电机组响应幅度和持续性受机前蒸汽参数的影响较大[13],一旦锅炉蓄热利用完,再增加负荷比较慢，但水电机组一旦开始响应则响应幅度较大,精度较高,持续时间较长，当火电机组发生负荷扰动时水电机组一次调频容量受到限制，仅靠增加火电机组的调节容量对系统频率恢复在短时间内是有限的。

图3 水电区域扰动且水电机组调频容量受限时的仿真曲线

图5 为火电区域扰动（mg2=－0.02）且火电机组调频容量受限（k2=0.6）时的仿真曲线，火电机组和水电机组一次调频效果比较：火电机组一次调频可以对电网频率变化做出快速的反应,但水电机组一次调频调节时间普遍较长，调节动作随动性差。利用锅炉的蓄热，火电机组可在1 s内将主汽门开到位,可见开启主汽门的迟缓率很小,加上负荷迅速;而水轮机则需要较长的时间[14]。水电机组的水流惯性的影响是在调节的初始阶段，合适的死区可缓解较大水流惯性带来的反调作用。

图4 火电区域扰动且水电机组调频容量受限时的仿真曲线

图5 火电区域扰动且火电机组调频容量受限时的仿真曲线

4 结语

电网一次调频动作要求响应迅速并具有一定的响应幅度和持续性[15]，某区域1机组由于某些原因不能全部参加频率调节，该区域又发生了负荷扰动的情况下另一区要积极配合恢复稳定要求非扰动区域的死区不能设置过大；扰动区水流惯性较大时，调节过程中出现的较大峰值和频繁的波动可通过设置合适的死区缓解该现象，水流惯性时间常数大的机组频率波动频繁，与火电机组互联运行后，减弱了较大水流惯性的反调作用。

伴随电网在线监测功能的发展，网调人员可随时观测出电网的一次调频能力，与二次调频动作相协调，考虑火电机组调速系统时间常数小,响应速度较快及水电机组响应速度较慢但一旦开始响应则响应幅度较大,精度较高,持续时间较长等特点，通过计算预测出一次调频结束后系统频率应稳定的范围，减小在小负荷扰动下全部机组参与一次调频造成的频繁调节动作，通过调用部分机组就能使频率恢复在较小范围内时，可避免投入大量机组一次调频造成的调节时间增长及水火电机组的频繁动作。

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