不同旋转备用容量下电网频率稳定特性研究

丁禹杰， 高阳

(沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136)

0 引 言

新能源占电网的比例日益增高，但新能源机组不具有一次调频能力，因此降低了系统的一次调频能力，同时火电机组的减少也降低了系统的惯性[1]。新能源中的风电机组不耐高压，在特高压直流出现故障时可能会同时出现风电机组脱网，使频率特性进一步恶化，进而导致高低频转化出现问题。

电力系统的动态频率特性是指电力系统在遇到造成系统参数发生巨大变化的事件，系统频率由正常的50 Hz变化为新的稳态值的过程，或者系统失稳崩溃的过程。旋转备用容量是系统动态频率特性的主要影响因素之一[2]，旋转备用用于补足电力系统运行中的偶然事件和日负荷曲线预测偏差产生的功率缺额。虽然旋转备用功率越高越好，但在配置时还需要考虑经济性。因此旋转备用功率的优化配置应在其创造的可靠性效益和运行成本之间找到最好的平衡点[3]。

目前有文献提出了广义旋转备用的概念，并从改善运行可靠性着手，综合考虑多种因素，进行旋转备用优化配置[4-6]。但关于旋转备用容量对特高压直流受端的直流闭锁故障和掉机故障所导致的频率偏移影响还有所欠缺。为此，本文通过建模，对故障时的系统高频和低频稳定进行计算，分析了旋转备用容量对电网动态频率特性的影响，并提出了旋转备用容量的优化配置方案。

1 系统频率偏移的过程及特性

在大容量电源发生故障被切除后，其所产生的大量的有功缺失将会导致发电与负荷的不平衡，在此过程中产生的扰动将快速传递到各台机组。调速器的一次调频动作死区包括机械固有误差导致的以及为了减少动作次数提高系统稳定性而人工设置的，动作死区将导致调速系统此时不动作，系统频率将会迅速下降至整个频率偏移过程的最低值[7]。机组的一次调频是频率偏移时的主要调节方式，调速器将会在几秒后启动，在一次调频和机组增加出力的作用下系统的频率缓慢恢复达到一个较为平稳的状态，但仍未恢复至额定频率，机组调节裕量不足和机组蓄热不足都会使一次调频的能力下降。

相控换流式特高压直流输电与电压源环流式相比有着运行过程中系统损耗低和建设花费低等优点，但其在为受端电网带来大量有功功率的同时也需要交流电网为其强制换相提供大量的无功功率，直流闭锁故障将同时带来大量无功剩余与有功缺失，其所带来的大范围潮流转移和强直弱交的故有问题极有可能将局部故障发展为全局故障，事故的连锁发生会极大提高频率稳定控制难度。

2 基于SFR的旋转备用容量与频率稳定分析

SFR模型可以线性地表示出系统在发生大扰动事故后的系统频率动态变化和全网的一次调频能力，因为拥有计算量较小的特点，所以在在线分析领域被广泛使用。原始的SFR模型使用了等效单机的机械增益常数，为体现出旋转备用容量对电网频率的影响，额外引入旋转备用容量占可发容量的比值这一参数，对SFR模型进行修改，引入新参数后考虑旋转备用的SFR模型为[8]：

(1)

式中：ΔfSR(s)为电网频率偏移量的拉氏变换结果；ΔPeql(s)为系统等效有功功率预测偏移量的拉氏变换结果；H为系统的等效惯性常数；D为系统的等效阻尼常数；M为电网内正常可用状态机组数量的总和；Km,j为等效单机旋转备用的限制幅值能力；Rj为调速器的调差常数；FH,j为等效单机的高压涡轮机的比例常数；TR,j为等效单机的再热时间常数，一般取值为7～11 s。

Km=FP(1-fSR)

(2)

式中：FP为发电机的功率因数；fSR为旋转备用容量占可发容量的比值。

ΔPeql(s)一般为负荷阶跃响应，可得：

(3)

将式(3)代入式(1)，可得ΔfSR的频域表达式：

(4)

式中：

(5)

(6)

(7)

对式(4)进行拉氏反变换，可得ΔfSR的时域表达式：

ΔfSR(t)=-ωSR,1ΔPeql(1+ωSR,4e-tωSR,2+ωSR,5e-tωSR,3)

(8)

式中：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

通过式(8)对构建的考虑旋转备用的SFR模型进行分析计算，研究有无旋转备用情况下系统高频与低频稳定的变化情况。

当系统发生直流故障时，交流电网的盈余功率较大，高频稳定将出现问题。通过fSR模拟旋转备用占系统的比值，使用式(8)对电力系统受到大扰动之后的动态频率特性进行计算，分析全网旋转容量变化对系统高频稳定性产生的影响，通过无旋转备用和20%旋转备用这两种情况的频率进行计算比对，两次计算结果基本相似，得出系统高频稳定基本不受旋转备用影响的结论。

在大容量电源发生故障被切除后，其所产生的大量有功缺失将会导致系统频率的大幅下降，通过无旋转备用和20%旋转备用这两种情况的频率进行计算比对，有旋转备用的系统频率明显高于无旋转备用，可见系统低频稳定受旋转备用影响明显。

3 算例分析

为验证本文提出的考虑旋转备用的SFR模型，使用某区域特高压直流历史运行数据进行仿真，通过对不同运行方式下配置不同的旋转备用容量，模拟机组大量掉机故障后电网频率的波动情况，验证模型所得到的旋转备用对系统频率稳定影响的结论。

电力系统运行方式一为火电开机总量约为火电总装机的80%，机组无旋转备用；方式二为火电机组全部开机，机组出力约为80%，机组20%旋转备用。模拟上述两种方式下直流满送发生双极闭锁的情况时电网频率的波动情况，对系统高频稳定进行对比验证。模拟上述两种方式下机组大量掉机故障后电网频率的波动情况，对系统低频稳定进行对比验证。

特高压直流满送时发生双极闭锁故障会使电网频率产生剧烈波动。使用方式一和方式二进行双极闭锁的仿真，可以看到无旋转后备的方式一最高系统频率为54.42 Hz(图1)，有旋转后备的方式二最高系统频率为54.37 Hz(图2)，对比可知系统高频稳定基本不受旋转备用容量所影响，与优化后的SFR模型所得结论一致。

图1 方式一直流双极闭锁故障后频率曲线

图2 方式二直流双极闭锁故障后频率曲线

在大容量电源发生故障被切除后，其所产生的大量有功缺失将会导致系统频率大幅下降。使用方式一和方式二进行掉机故障后的仿真，可以看到无旋转后备的方式一最低系统频率为46.62 Hz(图3)，有旋转后备的方式二最低系统频率为48.92 Hz，且后续可逐步恢复至49.87 Hz(图4)，对比可知系统低频稳定受旋转备用容量影响很大，且对故障后的恢复起巨大作用，即拥有旋转备用的电力系统对发生掉机故障的承载能力优于无旋转备用的电力系统，与优化后的SFR模型所得结论一致。

4 结束语

本文从改善特高压直流运行稳定性角度出发，研究了旋转备用容量对系统频率稳定性的影响。

图3 方式一掉机故障后频率曲线

图4 方式二掉机故障后频率曲线

通过引入旋转备用容量占可用容量比值这一参数提出了改进的的SFR模型，该模型可以反映不同配置情况旋转备用的动态频率特性。

从研究结果可以看出，系统高频稳定基本不受旋转备用容量的影响，直流故障所产生的高频问题无法通过增加旋转备用解决。而系统低频稳定受旋转备用容量影响很大，且对故障后的恢复起巨大作用，即拥有旋转备用的电力系统对发生掉机故障的承载能力优于无旋转备用的电力系统。当系统机组出力相同时，可以通过提高系统旋转备用来提升系统的低频稳定性。

针对特高压直流投入运行后系统存在的频率稳定问题，可通过增加系统旋转备用容量与合理制订高频切机策略提高系统频率稳定性，避免出现高低频问题转化等连锁反应。

随着更多的特高压直流线路投产，今后的系统可靠性研究中，可更多地考虑特高压直流故障时的暂稳态电压稳定和频率稳定，为建立跨区域大电网提供技术支撑。