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    考慮負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)的低頻減載方案研究

    2012-07-25 03:53:14李宇琦黃彥全何秋泠李亞楠
    電氣開(kāi)關(guān) 2012年5期
    關(guān)鍵詞:調(diào)節(jié)效應(yīng)功率

    李宇琦,黃彥全,何秋泠,李亞楠

    (西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 610031)

    1 引言

    電力系統(tǒng)中有功功率電源不足或負(fù)荷增大時(shí),將會(huì)出現(xiàn)有功功率不平衡,進(jìn)而引起系統(tǒng)頻率下降?,F(xiàn)代大型電力系統(tǒng)在取得高發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),也在一定程度上消弱了在大擾動(dòng)下系統(tǒng)維持頻率穩(wěn)定的能力,使得系統(tǒng)發(fā)生頻率崩潰導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解的可能性增大。為防止嚴(yán)重事故狀態(tài)下系統(tǒng)頻率的大幅度下降,保證系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定,各國(guó)電網(wǎng)普遍采用低頻減載(UFLS)措施作為保障系統(tǒng)安全的第三道防線。有功功率不足時(shí),低頻減載裝置合理快速地切除負(fù)荷,可以使整個(gè)電網(wǎng)在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)至穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。而深入研究復(fù)雜電力系統(tǒng)在有功功率缺額下的頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程以及負(fù)荷的頻率特性,對(duì)于制定合理有效的減載方案至關(guān)重要。

    目前,國(guó)內(nèi)低頻減載裝置普遍采用逐次逼近計(jì)算方法按輪次減載的低頻減載方案。這種方案在進(jìn)行低頻減載整定時(shí),常常設(shè)定負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)為恒定,然后按照各輪的動(dòng)作頻率切除預(yù)先整定好的負(fù)荷。而電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中,是動(dòng)態(tài)變化的,而且不同的負(fù)荷其值也是不同的。另外這種方案未充分考慮負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)特性對(duì)系統(tǒng)頻率恢復(fù)的影響,沒(méi)有有效地利用負(fù)荷自身的頻率調(diào)節(jié)能力,這使得系統(tǒng)頻率恢復(fù)速度緩慢,并且常常導(dǎo)致切負(fù)荷量增多[1,3-4]。

    2 負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)特性

    電力系統(tǒng)中有功功率變化時(shí),系統(tǒng)頻率也將發(fā)生變化,系統(tǒng)中負(fù)荷有功功率隨頻率的變化特性稱(chēng)為負(fù)荷的頻率特性。在不考慮電壓變化的影響,系統(tǒng)頻率和負(fù)荷的有功功率關(guān)系式為:

    式中PL為負(fù)荷在系統(tǒng)頻率為f時(shí)所消耗的有功率;PLN為系統(tǒng)在額定頻率fN時(shí)負(fù)荷所消耗的有功功率;εn為與系統(tǒng)頻率n次方成正比的負(fù)荷在PLN中所占的比例。

    表幺值表達(dá)式為:

    通常系統(tǒng)中與頻率變化三次方以上成正比的負(fù)荷很少,可忽略其影響,并對(duì)上式微分得:

    式中,KL*稱(chēng)為負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)。

    在電力系統(tǒng)運(yùn)行中,允許頻率變化的范圍比較小,一般在48~51Hz之間。在此允許頻率變化的較小范圍內(nèi),根據(jù)系統(tǒng)得實(shí)測(cè),有功負(fù)荷與頻率的關(guān)系曲線是接近于一條直線。

    當(dāng)系統(tǒng)頻率變化時(shí),不同的負(fù)荷有不同的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)。假設(shè)頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)不同的2種負(fù)荷,它們的有功功率和頻率的關(guān)系式分別為:

    如圖1所示,當(dāng)頻率從f0(f0=50Hz)下降到f1時(shí),負(fù)荷a和負(fù)荷b吸收的有功功率變化量是不同的,ΔPa>ΔPb由此可知負(fù)荷a比負(fù)荷b對(duì)頻率的變化更敏感,即負(fù)荷a在頻率變化時(shí)消耗的有功變化更強(qiáng)烈,即KLa*>KLb*。由圖中可以看出,在頻率下降過(guò)程中,頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)大的負(fù)荷從系統(tǒng)吸收的有功功率減少得更多。

    因此,在頻率下降過(guò)程中,若優(yōu)先切除KL*值小的負(fù)荷,保留KL*值大的負(fù)荷,這樣通過(guò)負(fù)荷自身的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng),可以減少?gòu)南到y(tǒng)吸收的功率,有利于系統(tǒng)平衡功率,使頻率快速恢復(fù),并且有利于切除更少的負(fù)荷。

    同理在頻率恢復(fù)階段(特殊輪)頻率上升至可接受的范圍或者額定值的過(guò)程中,優(yōu)先切除KL*值大的負(fù)荷,保留KL*值小的負(fù)荷,則可少切負(fù)荷,且利于提高系統(tǒng)頻率恢復(fù)水平。

    圖1 負(fù)荷的頻率曲線

    3 切負(fù)荷過(guò)程中負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)的變化

    在不考慮電壓變化時(shí),影響系統(tǒng)負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)大小的因素主要包括系統(tǒng)頻率和負(fù)荷的組成類(lèi)型。由于系統(tǒng)頻率變化范圍一般不是很大,所以,系統(tǒng)負(fù)荷的組成是影響系統(tǒng)負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)特性的主要因素。

    下面我們通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo),分別來(lái)討論切除不同類(lèi)型負(fù)荷后,系統(tǒng)KL*的變化。

    假設(shè)某系統(tǒng)中正常運(yùn)行時(shí)總有功負(fù)荷為P,該系統(tǒng)中與頻率的0次方成正比的總有功負(fù)荷為ε0,與頻率的1次方成正比的總有功負(fù)荷為ε1,與頻率的2次方成正比的總有功負(fù)荷為ε2,與頻率的3次方成正比的總有功負(fù)荷為ε3(這里的εn為實(shí)際容量)。

    (1)當(dāng)切除的負(fù)荷為單一負(fù)荷

    為了抑制頻率的下降而需要切除的有功負(fù)荷為Q,如果全部從ε0中切除,則剩余系統(tǒng)的負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)為(利用公式(3)):

    同理,如果全部從ε1、ε2或ε3中切除,相應(yīng)的剩余系統(tǒng)的負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)KL*為下面式子所示。

    如果兩兩相減可以有:

    由此可知,在低頻減載過(guò)程中,所切有功負(fù)荷的功率與頻率的關(guān)聯(lián)越小,所剩系統(tǒng)的綜合負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)就越大。

    (2)當(dāng)切除的負(fù)荷為綜合負(fù)荷時(shí)

    現(xiàn)有兩條接有綜合負(fù)荷容量皆為Q的線路L1、L2。線路L1所接負(fù)荷中,與頻率的0,1,2,3次方成比例的負(fù)荷分別為W、X、Y、Z;線路L2所接負(fù)荷中,與頻率的0,1,2,3 次方成比例的負(fù)荷分別為w、x、y、z。則線路L1所接負(fù)荷與線路L2所接負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)根據(jù)公式(3)分別為:

    假設(shè)K'L1*<K'L2*時(shí),則有:

    在切除線路L1或L2后,剩余系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)分別為:

    將這兩式化簡(jiǎn)得:

    所以,由以上分析可得,當(dāng)切除的線路所接的綜合負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)越小時(shí),所剩余系統(tǒng)的負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)越大。

    綜上,可以得出以下結(jié)論:在不考慮電壓變化時(shí),當(dāng)切除的線路所接綜合負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)越小時(shí),所剩余系統(tǒng)的負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)越大。另外,切除有功與頻率的低次方成比例的負(fù)荷越多,剩余負(fù)荷的綜合負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)就越大。

    4 考慮負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)的減載方案

    為了達(dá)到最佳減載效果,應(yīng)實(shí)時(shí)地識(shí)別出各線路負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)的大小。目前,微機(jī)型的低頻減載裝置取代了傳統(tǒng)的機(jī)電型裝置,使功率采樣和頻率測(cè)量均容易實(shí)現(xiàn),因此實(shí)時(shí)獲取線路綜合負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)已成為可能[5,8]。在此,本文不再敘述具體測(cè)量方法。

    低頻減載裝置中,基本輪和特殊輪的輪級(jí)都是預(yù)先整定,而根據(jù)基本輪和特殊輪的特征可知,完全可以根據(jù)頻率的變化趨勢(shì)和負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)自動(dòng)調(diào)整基本輪和特殊輪各輪可供減載的負(fù)荷分配組成以及減載順序。因此,本文提出如下方案:基本輪減載,對(duì)于所切線路按照線路綜合負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)KL由小到大的先后順序逐步切除;對(duì)特殊輪低頻減載按照線路綜合負(fù)荷的頻率特性系數(shù)KL*由大到小的先后順序逐步切除。當(dāng)然,在具體分配時(shí)要注意線路負(fù)荷的重要性,盡可能保留重要負(fù)荷不被切除。

    5 仿真分析

    為驗(yàn)證切除KL*值不同的負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)頻率恢復(fù)的影響以及減載方案的效果。本文采用MATLAB進(jìn)行數(shù)字仿真,方便起見(jiàn),采用下面簡(jiǎn)單系統(tǒng)仿真計(jì)算模型。

    圖2 仿真計(jì)算模型

    圖2中,G為額定功率為100MW的等值系統(tǒng)。為了對(duì)比負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)對(duì)低頻減載的影響,選取有功功率都與頻率一次方成變化正比的兩種負(fù)荷模型:基本輪負(fù)荷1和特殊輪負(fù)荷1的KL*都為8MW/Hz,基本輪負(fù)荷2和特殊輪負(fù)荷2的KL*都為5MW/Hz。

    在仿真過(guò)程中,應(yīng)先使等值系統(tǒng)達(dá)到額定出力,并調(diào)節(jié)端電壓達(dá)到額定值并維持恒定。設(shè)f=50Hz時(shí),減少等值系統(tǒng)出力,使其少發(fā)10MW功率,系統(tǒng)頻率開(kāi)始下降;當(dāng)頻率值達(dá)到基本輪1輪減載頻率值,即f=48.5Hz時(shí),開(kāi)始基本輪1輪減載,取減載量為5MW,其頻率變化如圖3所示。曲線方式1是切負(fù)荷1的頻率變化曲線;曲線方式2是切負(fù)荷2的頻率變化曲線。兩種減載方式都經(jīng)過(guò)一個(gè)暫態(tài)過(guò)程,最后達(dá)到一個(gè)新的頻率值。方式1在經(jīng)過(guò)25 s的暫態(tài)過(guò)程后,穩(wěn)定在49.0Hz;而對(duì)應(yīng)的方式2在經(jīng)過(guò)20s的暫態(tài)過(guò)程后,穩(wěn)定在49.4Hz。

    圖3 基本輪頻率恢復(fù)曲線

    由圖3可知,低頻減載時(shí)基本輪切除KL*值小的負(fù)荷比切除KL*值大的負(fù)荷更有利于系統(tǒng)頻率恢復(fù)。此仿真結(jié)果與所提出的結(jié)論一樣。

    當(dāng)基本輪減載后頻率懸浮在49.0~49.2Hz時(shí),應(yīng)當(dāng)延時(shí)進(jìn)行特殊輪減載,取減載量為4MW。圖4中,曲線方式3是特殊輪切負(fù)荷1的頻率變化曲線,可以看出,恢復(fù)階段系統(tǒng)頻率經(jīng)過(guò)一個(gè)暫態(tài)的過(guò)程,最后穩(wěn)定在49.79Hz;曲線方式4是切特殊輪負(fù)荷2的頻率變化曲線,恢復(fù)階段系統(tǒng)頻率經(jīng)過(guò)一個(gè)暫態(tài)的過(guò)程,最后穩(wěn)定在49.71 Hz。

    圖4 特殊輪頻率恢復(fù)曲線特殊輪

    比較可知,低頻減載特殊輪切負(fù)荷時(shí),切除LL*值大的負(fù)荷比切除LL*值小的負(fù)荷更有利于提高系統(tǒng)頻率恢復(fù)水平。

    6 結(jié)論

    本文針對(duì)負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)的差異,提出一種考慮負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)的低頻減載方案,并以單機(jī)等值系統(tǒng)為例進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明:在有多種負(fù)荷組成的系統(tǒng)中,當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí),通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量各負(fù)荷并計(jì)算各負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)系數(shù)LL*值,在基本輪減載時(shí)優(yōu)先切除LL*小的負(fù)荷,保留LL*大的負(fù)荷,而在特殊輪減載時(shí)優(yōu)先切除LL*大的負(fù)荷,保留LL*小的負(fù)荷,此舉更有利于系統(tǒng)頻率的恢復(fù),減少切負(fù)荷量,提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

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