水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性影響分析

申盛召，姚秀萍，王維慶，陳 立，王曉飛

?

水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性影響分析

申盛召1,2，姚秀萍1,3，王維慶1，陳 立3，王曉飛3

（1. 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊830047；2. 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司昌吉供電公司，新疆昌吉831100；3. 新疆電力調(diào)度控制中心，烏魯木齊830001）

隨著區(qū)間電網(wǎng)的互聯(lián)，各地區(qū)的自然資源得到充分的利用，但是有些區(qū)間聯(lián)絡(luò)線由于輸電走廊限制等原因相對(duì)較弱，一旦發(fā)生解列事故，容易形成送端（受端）孤立電網(wǎng)，將導(dǎo)致局部系統(tǒng)功率嚴(yán)重失衡，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定問(wèn)題就會(huì)凸顯出來(lái)。本文以新疆電網(wǎng)220kV玉莎線事故為基礎(chǔ)，分析了水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速特性以及水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響，得出孤網(wǎng)中水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對(duì)安全自動(dòng)裝置動(dòng)作的影響，不同容量水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)頻率影響不同，不同容量水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)之間的配合對(duì)孤網(wǎng)頻率影響不同。運(yùn)用PSASP仿真驗(yàn)證了相關(guān)結(jié)論，分析結(jié)果對(duì)實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行、安全自動(dòng)裝置配置以及調(diào)速器參數(shù)設(shè)置具有重要的參考價(jià)值。

電力系統(tǒng)功率頻率特性；調(diào)速系統(tǒng)；調(diào)速特性；負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)

0 前言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的電網(wǎng)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，區(qū)間聯(lián)網(wǎng)送電規(guī)模也在不斷增大，這有利于對(duì)各地區(qū)自然資源合理利用，大力發(fā)展清潔能源。但有時(shí)區(qū)間聯(lián)絡(luò)線由于輸電走廊限制等原因相對(duì)較弱，一旦發(fā)生解列事故，容易形成送端（受端）孤立電網(wǎng)，將導(dǎo)致局部系統(tǒng)功率嚴(yán)重失衡，送端電網(wǎng)功率大量剩余，而受端電網(wǎng)功率嚴(yán)重缺額，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定問(wèn)題就會(huì)凸顯出來(lái)[1-3]。

常規(guī)機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性有很大的影響。當(dāng)系統(tǒng)功率發(fā)生變化時(shí)常規(guī)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作使頻率穩(wěn)定在一定范圍[4]。本文以新疆電網(wǎng)220kV玉莎線事故造成和田電網(wǎng)與主網(wǎng)解列運(yùn)行為基礎(chǔ)，分析水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速特性以及水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響，得出孤網(wǎng)中水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)影響系統(tǒng)安全自動(dòng)裝置動(dòng)作情況，不同容量水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)頻率影響不同，不同容量水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)之間的配合對(duì)孤網(wǎng)頻率影響不同。運(yùn)用PSASP模擬新疆電網(wǎng)220kV玉莎線事故，仿真驗(yàn)證了相關(guān)結(jié)論。

1 電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)過(guò)程

在電網(wǎng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，依靠發(fā)電機(jī)的調(diào)速器以及負(fù)荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)的共同作用而使電網(wǎng)在新的頻率下穩(wěn)定運(yùn)行[5-6]，如圖1電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)過(guò)程所示。

圖1 電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)示意圖

2 水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)特性

水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)特性與火電機(jī)組不同，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí)，水電機(jī)組的出力變化特性是先下降后上升，這種特性為水輪機(jī)的動(dòng)態(tài)反調(diào)特性[7]。為驗(yàn)證本文仿真結(jié)論的正確性，在PSASP程序中建立水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)模型，圖2為本文所采用水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)模型,表1為調(diào)速系統(tǒng)模型采用參數(shù)。

表1 調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)

通過(guò)仿真所得曲線與錄波曲線進(jìn)行對(duì)比，判斷本文所搭建的水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)模型的正確性。圖3為某水電機(jī)組在一次調(diào)頻試驗(yàn)過(guò)程中的輸出功率與導(dǎo)葉開(kāi)度的仿真曲線與錄波曲線。

由圖3可以看出0~13s導(dǎo)葉開(kāi)度為0，對(duì)應(yīng)機(jī)組輸出功率也為0；由于系統(tǒng)功率不平衡，受系統(tǒng)頻率的影響，13~16s導(dǎo)葉開(kāi)度從0上升到0.8，而機(jī)組輸出功率先下降后上升。由此可以清晰地看到水輪機(jī)的動(dòng)態(tài)反調(diào)特性，其反調(diào)特性對(duì)全部由水電機(jī)組構(gòu)成的區(qū)域電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性有很大的影響。

3 仿真分析

和田電網(wǎng)是典型的多水電電網(wǎng)，夏季水資源充足時(shí)，向新疆主網(wǎng)輸送功率（其網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖4所示）。目前通過(guò)單回286.3km的220kV玉莎線和單回167.87km的110kV葉皮線（正常方式下斷開(kāi)備用）與主網(wǎng)相連，距離主系統(tǒng)2000km以上，與主系統(tǒng)聯(lián)系極其薄弱，網(wǎng)內(nèi)統(tǒng)調(diào)發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)雖然達(dá)到284MW，但電源結(jié)構(gòu)不合理，73.9％的電源為水電機(jī)組（波波娜水電站：3×50MW，烏魯瓦提水電站：4×15MW），且受季節(jié)變化影響，存在“以水定電”問(wèn)題。

圖2 某水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)模型

圖3 某水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)特性曲線

圖4 和田電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

本文以和田電網(wǎng)為研究對(duì)象，220kV玉莎線斷線,和田電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，分析水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響。故障前波波娜水電機(jī)組和烏魯瓦提水電機(jī)組滿出力，220kV玉莎線上網(wǎng)功率為65MW。

3.1 全部水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)不參與調(diào)節(jié)

220kV玉莎線斷線后，和田電網(wǎng)出現(xiàn)功率富裕，孤網(wǎng)內(nèi)頻率將上升，安全自動(dòng)裝置動(dòng)作切除部分機(jī)組。假設(shè)網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機(jī)組都沒(méi)有調(diào)節(jié)效應(yīng)，網(wǎng)內(nèi)頻率變化只能通過(guò)切除機(jī)組和負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)。而負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)只能在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，此時(shí)只能通過(guò)安全自動(dòng)裝置動(dòng)作切除機(jī)組，使功率平衡、頻率穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。圖5為切除孤網(wǎng)內(nèi)部分機(jī)組出力（65MW）后孤網(wǎng)內(nèi)頻率和各機(jī)組出力曲線。

圖5 全部調(diào)速系統(tǒng)不參與時(shí)特征曲線

由圖5可知，孤網(wǎng)系統(tǒng)中水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)不參與調(diào)節(jié)時(shí)孤網(wǎng)內(nèi)安全自動(dòng)裝置動(dòng)作切除過(guò)剩的功率。在水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)不參與調(diào)節(jié)時(shí)系統(tǒng)中的頻率不會(huì)發(fā)生大的波動(dòng)，通過(guò)負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)使系統(tǒng)中的頻率穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。同時(shí)各水電機(jī)組出力只在解網(wǎng)時(shí)有一個(gè)大的波動(dòng)，很快恢復(fù)到原始出力保持出力不變。

3.2 波波娜調(diào)速系統(tǒng)投、烏魯瓦提調(diào)速系統(tǒng)不投

假定波波娜水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)效應(yīng)，烏魯瓦提水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)不具有調(diào)節(jié)效應(yīng)。孤網(wǎng)內(nèi)頻率變化，通過(guò)安全自動(dòng)裝置切除部分過(guò)剩功率，其他過(guò)剩功率通過(guò)水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)和負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)同時(shí)參與調(diào)節(jié)，使孤網(wǎng)內(nèi)頻率在合理范圍內(nèi)波動(dòng)。圖6為安全自動(dòng)裝置動(dòng)作切除機(jī)組部分出力57.5MW后孤網(wǎng)內(nèi)頻率及水電機(jī)組出力的仿真曲線。

圖6 波波娜參與、烏魯瓦提不參與時(shí)特征曲線

從圖6可以看出，波波娜水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，烏魯瓦提水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)不參與調(diào)節(jié)時(shí)，孤網(wǎng)內(nèi)頻率會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，最高頻率達(dá)51.04Hz，最低頻率為49.13Hz。波波娜水電機(jī)組出力在額定出力以下波動(dòng)，而烏魯瓦提水電機(jī)組出力在額定出力上下波動(dòng)。由此可得水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率的同時(shí)引起系統(tǒng)中另外水電機(jī)組出力的波動(dòng)。

3.3 波波娜調(diào)速系統(tǒng)不投、烏魯瓦提調(diào)速系統(tǒng)投

假定波波娜水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)效應(yīng)，烏魯瓦提水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)不具有調(diào)節(jié)效應(yīng)。孤網(wǎng)內(nèi)頻率變化，通過(guò)安全自動(dòng)裝置切除部分過(guò)剩功率，其他過(guò)剩功率通過(guò)水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)和負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)同時(shí)參與調(diào)節(jié)，使孤網(wǎng)內(nèi)頻率在合理范圍內(nèi)波動(dòng)。由于波波娜水電站裝機(jī)容量（3×50MW）比烏魯瓦提水電站裝機(jī)容量（4×15MW）大。因此烏魯瓦提水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力要比波波娜水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力弱。在系統(tǒng)中只有烏魯瓦提水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)時(shí)，安全自動(dòng)裝置要切除更多的機(jī)組出力才能使系統(tǒng)頻率在一合理范圍內(nèi)波動(dòng)。圖7為安全自動(dòng)裝置動(dòng)作切除機(jī)組部分出力60MW后孤網(wǎng)內(nèi)頻率及水電機(jī)組出力的仿真曲線。

圖7 波波娜不參與、烏魯瓦提參與時(shí)特征曲線

從圖7可以看出，烏魯瓦提水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，波波娜水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)時(shí)，孤網(wǎng)內(nèi)頻率會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，最高頻率達(dá)50.9Hz，最低頻率為49.87Hz。波波娜水電機(jī)組出力在額定出力上下波動(dòng)，而烏魯瓦提水電機(jī)組出力在額定出力以下波動(dòng)。對(duì)比圖6和圖7可得，水電站的裝機(jī)容量越大對(duì)孤網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，但是頻率及發(fā)電機(jī)組出力波動(dòng)比較大，對(duì)孤網(wǎng)的沖擊影響比較大。

3.4 全部水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)

假定波波娜水電機(jī)組、烏魯瓦提水電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)都參與孤網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)。孤網(wǎng)內(nèi)頻率變化通過(guò)安全自動(dòng)裝置切除部分機(jī)組出力、水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)和負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)來(lái)共同調(diào)節(jié)。圖8為安全自動(dòng)裝置動(dòng)作切除機(jī)組部分出力后孤網(wǎng)內(nèi)頻率及水電機(jī)組出力的仿真曲線。

從圖8可以看出，當(dāng)孤網(wǎng)中所有水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)都參與頻率調(diào)節(jié)時(shí)，孤網(wǎng)內(nèi)頻率波動(dòng)特別大。孤網(wǎng)內(nèi)所有水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)都參與頻率調(diào)節(jié)有可能導(dǎo)致水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)度，使孤網(wǎng)內(nèi)頻率下降特別厲害，引發(fā)低頻減載裝置動(dòng)作。

圖8 全部調(diào)速系統(tǒng)都參與時(shí)特征曲線

通過(guò)對(duì)孤網(wǎng)內(nèi)水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)是否參與孤網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)仿真分析，可以得出孤網(wǎng)內(nèi)水電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)內(nèi)頻率穩(wěn)定影響特別大；不同裝機(jī)容量的水電站對(duì)孤網(wǎng)內(nèi)頻率調(diào)節(jié)能力不同，從而影響安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作情況。孤網(wǎng)內(nèi)所有水電機(jī)組都參與頻率調(diào)節(jié)時(shí)可以提高系統(tǒng)對(duì)頻率的調(diào)節(jié)能力，但是孤網(wǎng)內(nèi)頻率波動(dòng)較大，同時(shí)對(duì)各水電機(jī)組調(diào)速器配合以及參數(shù)設(shè)置要求比較高。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)和田電網(wǎng)仿真分析可得在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)水電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性影響比較大。本文得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)?shù)貐^(qū)電網(wǎng)中大部分負(fù)荷是由水電機(jī)組供應(yīng)時(shí)，由于水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反調(diào)特性影響使地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列后的頻率穩(wěn)定性降低。應(yīng)盡快在地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)建設(shè)火電機(jī)組，利用火電機(jī)組一次調(diào)頻作用中和水電機(jī)組動(dòng)態(tài)反調(diào)特性，提高地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列后頻率穩(wěn)定性。

（2）不同裝機(jī)容量的水電站對(duì)孤網(wǎng)內(nèi)頻率調(diào)節(jié)能力不同，水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參與孤網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)時(shí)安全自動(dòng)裝置配置要考慮水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。

（3）孤網(wǎng)內(nèi)各水電機(jī)組都參與頻率調(diào)節(jié)時(shí)可以提高系統(tǒng)對(duì)頻率的調(diào)節(jié)能力，但是孤網(wǎng)內(nèi)頻率波動(dòng)較大，同時(shí)對(duì)各水電機(jī)組調(diào)速器配合以及參數(shù)設(shè)置要求比較高。

[1] 黃宗君, 李興源, 晁劍, 等. 貴陽(yáng)南部電網(wǎng)“7.7”事故的仿真反演和分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2007, 31(9)．

[2] P.Kundur, 周孝信, 李興源, 譯. 電力系統(tǒng)穩(wěn)定和控制[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2002．

[3] HORNE J, FLYNN D, LITTLER T. Frequency Stability Issues for Islanded Power Systems[C]. IEEE PES Power System Conference and Exposition, 2004．

[4] 于達(dá)仁, 郭鈺鋒, 徐基豫. 發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行一次調(diào)頻的穩(wěn)定性[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2000, 20(9)．

[5] 何仰贊, 溫增根. 電力系統(tǒng)分析[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2002．

[6] 周海鋒, 徐志勇, 申洪. 電力系統(tǒng)功率頻率動(dòng)態(tài)特性研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2009, 33(16)．

[7] 黃青松, 徐廣文. 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)自定義建模與應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012, 36 (16)．

[8] 竺煒, 唐穎杰, 譚喜意. 發(fā)電機(jī)調(diào)速附加控制對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的作用[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2008, 28(12).

The Analysis of Impact of Hydro Turbine Governing System on Stability of Isolated Net Frequency

SHEN Shengzhao1,2, YAO Xiuping1,3, WANG Weiwqing1, CHEN Li3, WANG Xiaofei3

（1. College of Electric Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China; 2. Xinjiang Changji Electric Power Bureau , Xinjiang Changji 831100, China; 3. Xinjiang Electric Power Dispatching Control Center, Urumqi 830001, China）

With the range of grid interconnection, the region's natural resources can be fully utilized. But because of the transmission corridor restrictions and other reasons ,some interval contact line is relatively weak ,splitting the event of an accident, easy to form the sending end (receiving end) isolated grid power will lead to a serious imbalance in the local system, the system's frequency stability issues will be prominent. This paper is based on the solution column operation caused by the 220 kV jade Lufthansa line accident in Xinjiang Power Grid and analysis of the hydroelectric generating speed control system speed characteristics and speed control system impact in the solitary grid frequency stability .It draws solitary network hydroelectric generating speed control system effects the safety automatic device action ,different capacity hydroelectric generating speed control system different effects on isolated network frequency, different speed hydroelectric generating capacity between systems with different effects on the isolated network frequency. It uses PSASP simulation to prove relevant conclusions,, the results with the actual grid operation, safety automatic device configuration and parameter settings governor has important reference value.

frequency characteristic of power system power; speed regulating system; speed regulating characteristics; load regulation effect

TM312

A

1000-3983(2014)04-0005-05

2013-09-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51267017）；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（IRT1258）

申盛召（1988-），研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制，碩士研究生。

審稿人：李桂芬