考慮負(fù)荷頻率特性的可中斷負(fù)荷切除策略研究

張 曼， 繆源誠， 常寶立， 黃志光， 時艷強(qiáng)

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國家電網(wǎng)有限公司華東分部，上海 200120)

0 引言

隨著潰入電網(wǎng)的特高壓直流規(guī)模激增[1-2]，直流閉鎖引起的頻率穩(wěn)定問題已成為大受端電網(wǎng)面臨的最重大風(fēng)險(xiǎn)之一[3-4]。一方面，單一直流輸電規(guī)模不斷提高，電網(wǎng)面臨更大頻率沖擊源的威脅；另一方面，隨著直流受電規(guī)模增大，直流對網(wǎng)內(nèi)常規(guī)電源的置換效應(yīng)進(jìn)一步加劇，相同功率缺額導(dǎo)致的電網(wǎng)頻率跌落更大，電網(wǎng)頻率特性呈現(xiàn)惡化趨勢。文獻(xiàn)[5—6]分析了直流故障造成大受端電網(wǎng)大功率缺額引起的系統(tǒng)頻率下降事故，同時分析了大受端電網(wǎng)頻率響應(yīng)特性。文獻(xiàn)[7]分析了因受端電網(wǎng)交流故障引發(fā)的多饋入直流同時換相失敗故障案例。

目前電網(wǎng)故障后的負(fù)荷暫態(tài)控制，主要通過第二道防線的穩(wěn)控系統(tǒng)和第三道防線的低頻低壓減負(fù)荷裝置實(shí)現(xiàn)，以解決故障導(dǎo)致大功率缺額所引發(fā)的頻率穩(wěn)定問題。文獻(xiàn)[8]提出了特高壓直流配套穩(wěn)控系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)原則和技術(shù)方案。文獻(xiàn)[9] 提出了以在線監(jiān)視為基礎(chǔ)的綜合考慮事故等級的緊急減負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)評估和協(xié)調(diào)決策框架。

電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障(如單回、兩回及以上特高壓直流同時閉鎖)時，可能觸發(fā)第三道防線大量低頻低壓減負(fù)荷裝置動作。由于其切負(fù)荷量大，一旦低頻減載動作容易觸發(fā)599號令[10]所規(guī)定的電力事故等級，造成嚴(yán)重社會影響。

為了進(jìn)一步加強(qiáng)第二道防線，拓展第三道防線,充分利用可中斷負(fù)荷，減小低周減載首輪動作可能，降低觸發(fā)嚴(yán)重事故等級的風(fēng)險(xiǎn)，本文提出了一種可中斷負(fù)荷就地按頻率切除方案，在系統(tǒng)發(fā)生易引發(fā)低周減載的大功率缺額時，利用分布式就地裝置按頻率先切除可中斷負(fù)荷，提升系統(tǒng)恢復(fù)頻率至安全值。進(jìn)一步提出可中斷負(fù)荷切除策略的定值選擇方法，按照“避免過切高周、欠切恢復(fù)頻率不足”原則，合理選擇可中斷負(fù)荷起切頻率定值和切負(fù)荷量，并考慮負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)[11-12]的變化，對所選方案進(jìn)行適應(yīng)性分析。仿真結(jié)果證明了該方案的合理性和可行性。

1 大受端電網(wǎng)頻率控制現(xiàn)狀

1.1 頻率控制主要手段

在中國電網(wǎng)的三道防線中，第二道防線中基于故障聯(lián)切負(fù)荷的緊急控制以及第三道防線中基于頻率響應(yīng)的切負(fù)荷校正控制，是目前解決大電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問題的主要手段[13-15]。

對于低頻減載，DL/T 428—2010[16]規(guī)定，當(dāng)電力系統(tǒng)在實(shí)際可能的各種運(yùn)行方式下因故發(fā)生突然的有功功率缺額后，必須能及時切除相應(yīng)容量的部分負(fù)荷，使保留運(yùn)行的系統(tǒng)部分能迅速恢復(fù)到額定頻率附近繼續(xù)運(yùn)行，不發(fā)生頻率崩潰，也不使事件后的系統(tǒng)頻率長期懸浮于某一過高或過低數(shù)值。自動低頻減負(fù)荷裝置動作后，應(yīng)使運(yùn)行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率恢復(fù)到49.5 Hz水平，因負(fù)荷過切引起恢復(fù)時的系統(tǒng)頻率過調(diào)，其最大值不應(yīng)超過51 Hz。

1.2 大受端電網(wǎng)面臨的頻率問題

對于特高壓直流密集饋入的受端電網(wǎng)，直流輸送容量持續(xù)增加，大量直流功率替代受端電網(wǎng)常規(guī)機(jī)組，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量水平降低、頻率調(diào)節(jié)能力下降，直流閉鎖造成的大功率沖擊，極易誘發(fā)全網(wǎng)頻率問題。

國內(nèi)低頻減載第一輪動作頻率值均設(shè)定在49.0 Hz。經(jīng)過計(jì)算，特高壓直流發(fā)生雙極閉鎖就存在低頻減載裝置動作的風(fēng)險(xiǎn)，易觸發(fā)599號令所規(guī)定的電力事故等級，造成嚴(yán)重社會影響和巨大經(jīng)濟(jì)損失。

2 計(jì)算模型及理論依據(jù)

2.1 研究思路

根據(jù)文獻(xiàn)[16]的建議，采用單機(jī)等值模型進(jìn)行方案研究，避免采用全網(wǎng)模型時，由于母線電壓變化、系統(tǒng)暫穩(wěn)制約等因素，而影響頻率問題的研究。

由于電網(wǎng)中負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)隨不同運(yùn)行工況會存在變化情況，在單機(jī)等值模型中對負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)的適應(yīng)性分析做仿真分析。方案制定完成后，通過全網(wǎng)實(shí)際模型進(jìn)行仿真校驗(yàn)。

2.2 計(jì)算模型

采用單機(jī)帶集中負(fù)荷的等值系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，參考技術(shù)規(guī)范，在計(jì)算模型中進(jìn)行如下考慮[16]：

(1) 由于系統(tǒng)發(fā)生突然有功功率缺額引起系統(tǒng)頻率下降，系統(tǒng)潮流和電壓也要發(fā)生動態(tài)變化，從而影響負(fù)荷量的變化。在進(jìn)行方案的整定計(jì)算時，可忽略電壓對負(fù)荷的影響。對此，負(fù)荷模型采用恒功率模型，并考慮其負(fù)荷頻率特性。

(2) 為了求得可能的最大頻率偏移，可不考慮系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)備用的作用。即關(guān)閉調(diào)速器模型，從而保證計(jì)算結(jié)果具有一定裕度。

對于單機(jī)等值模型，發(fā)電機(jī)的慣性時間常數(shù)和負(fù)荷的頻率因子對仿真結(jié)果有較大影響。對此，以華東電網(wǎng)2016年典型方式BPA數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對直流閉鎖故障進(jìn)行暫態(tài)仿真，然后采用單機(jī)等值模型進(jìn)行近似曲線擬合，得出單機(jī)模型中發(fā)電機(jī)慣性時間常數(shù)取為7 s，負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)取為2.0。

方案制定后，全網(wǎng)模型校核采用華東電網(wǎng)2016年典型方式數(shù)據(jù)和模型，負(fù)荷模型采用40%恒阻抗模型和60%恒功率模型，未考慮馬達(dá)模型。

2.3 單機(jī)模型仿真理論依據(jù)

單機(jī)模型下，由于無旋轉(zhuǎn)備用，損失發(fā)電全部是由負(fù)荷的頻率效應(yīng)來承擔(dān)的[16]，對此滿足如下公式：

(1)

當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時，由于負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)，負(fù)荷吸收的有功功率也會減小[18-19]，不同KL將導(dǎo)致負(fù)荷有功功率變化量的不同。KL越大，頻率下降時負(fù)荷有功功率減小的越多，即越有利于頻率的恢復(fù)。

在實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行中，由于負(fù)荷的不斷發(fā)展和變化，導(dǎo)致KL也是動態(tài)變化的。若整定可中斷負(fù)荷的切除策略時，僅將系統(tǒng)負(fù)荷作為一個綜合負(fù)荷，其負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)KL按固定值考慮，得出的策略將不能適應(yīng)實(shí)際電網(wǎng)中KL的變化，有可能出現(xiàn)過切或欠切的情況。因此，在策略研究的時候，考慮負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)的典型變化范圍。

3 可中斷負(fù)荷就地按頻率切除策略研究

基于負(fù)荷控制的基本原則，可中斷負(fù)荷就地按頻率切除策略研究重點(diǎn)是避免過切高周、欠切恢復(fù)頻率不足[16-17]，選擇合理的起切頻率定值和切負(fù)荷量。用BPA單機(jī)等值模型進(jìn)行方案研究，方案確定后，用華東電網(wǎng)2016年典型方式數(shù)據(jù)下的大系統(tǒng)機(jī)電仿真程序仿真校核方案可行性和合理性。

策略研究按以下步驟進(jìn)行：

(1) 根據(jù)DL/T 428—2010技術(shù)規(guī)定，方案研究時，要求本輪可中斷負(fù)荷切除后恢復(fù)頻率不低于49.5 Hz，最高頻率不高于51 Hz。在滿足該頻率要求的基礎(chǔ)上，盡可能減少切負(fù)荷量，對此，按照最高恢復(fù)頻率不超過50.5 Hz進(jìn)行研究。

(2) 由于切可中斷負(fù)荷對用戶仍然存在影響，方案須具有一定可靠性，而可中斷負(fù)荷就地按頻率切除需早于低周減載首輪動作，因此，其頻率定值fh0暫按不大于49.5 Hz，不小于49.0 Hz區(qū)間進(jìn)行選擇，延時取為0.3 s。

(3) 在49.25 Hz頻率定值下，通過仿真選擇切負(fù)荷量的方法為：在典型KL(如2.0)下，先計(jì)算若本輪不動作，會導(dǎo)致頻率跌至49.01 Hz(即略大于低頻減載首輪動作定值)的功率缺額；接著考慮本輪動作，計(jì)算頻率恢復(fù)至49.5 Hz和50.5 Hz所需切負(fù)荷量F1和F2(F2>F1)；然后計(jì)算若本輪不動作，會導(dǎo)致頻率跌至49.24 Hz(即略小于可中斷負(fù)荷動作定值)的功率缺額；最后考慮本輪動作，計(jì)算頻率恢復(fù)至49.5 Hz和50.5 Hz所需切負(fù)荷量F3和F4(F4>F3)。取其交集，作為可選切負(fù)荷量，即：若F4>F1，則(F1，F(xiàn)4)為可選切負(fù)荷量范圍。

(4) 用不同負(fù)荷頻率因子KL重復(fù)此過程，得到幾個范圍，并取交集。

(5) 在49.50 Hz頻率定值下，按以上兩個步驟重新計(jì)算可選切負(fù)荷量范圍。

(6) 比較頻率定值為49.25 Hz和49.5 Hz的計(jì)算結(jié)果，選擇合理的頻率定值fh0。

(7) 在選取的頻率定值fh0下，對不同切負(fù)荷值進(jìn)行仿真研究，計(jì)算其恢復(fù)頻率。最終選擇合理的切負(fù)荷值。

(8) 用2016年典型方式全網(wǎng)實(shí)際模型對整體方案進(jìn)行仿真校核。

3.1 可中斷負(fù)荷起切頻率定值fh0選擇

在單機(jī)等值模型下，通過仿真計(jì)算選擇起切頻率定值fh0。

(1)fh0=49.25 Hz分析。當(dāng)門檻值取49.25 Hz時，通過仿真計(jì)算，可得到結(jié)果如表1—3所示。

表1 門檻值取49.25 Hz切負(fù)荷比例計(jì)算(KL=1.5)Tab.1 Calculation of load shedding percentage under 49.25 Hz frequency setting value(KL=1.5)

表2 門檻值取49.25 Hz切負(fù)荷比例計(jì)算(KL=2.0)Tab.2 Calculation of load shedding percentage under 49.25 Hz frequency setting value(KL=2.0)

表3 門檻值取49.25 Hz切負(fù)荷比例計(jì)算(KL =2.5)Tab.3 Calculation of load shedding percentage under 49.25 Hz frequency setting value(KL=2.5)

表中計(jì)算了故障后系統(tǒng)頻率恢復(fù)至49.5～50.5 Hz之間所需的切負(fù)荷比例。當(dāng)KL在1.5～2.5之間變化時，對不同KL下得到的范圍取交集，切負(fù)荷比例需在2.51%～3.72%之間。如果假設(shè)切負(fù)荷量取最小值2.5%，通過仿真，當(dāng)KL為1.5時最高恢復(fù)頻率為50.08 Hz，恢復(fù)效果比較理想。

(2)fh0=49. 5 Hz分析。當(dāng)門檻值取49.5 Hz時，通過仿真計(jì)算，得到了KL等于1.5，2.0或2.5時，故障后系統(tǒng)頻率恢復(fù)至49.5～50.5 Hz之間所需的切負(fù)荷比例。在KL在1.5～2.5之間變化時，如果要滿足KL變化時的恢復(fù)頻率在49.5～50.5 Hz之間，切負(fù)荷量需在2.51%～2.99%。

但是假設(shè)切負(fù)荷量取最小值2.5%，通過仿真，當(dāng)KL為1.5時最高恢復(fù)頻率為50.33 Hz，雖然未超過50.5 Hz，但恢復(fù)頻率偏高。同時，若起切頻率設(shè)在49.5 Hz，當(dāng)發(fā)生功率缺額時很容易達(dá)到起切頻率定值觸發(fā)該輪動作。

綜上，起切頻率為49.5 Hz時，切負(fù)荷量在計(jì)算范圍內(nèi)取值時，最高恢復(fù)頻率略高，而且發(fā)生功率缺額時很容易觸發(fā)該輪動作。起切頻率為49.25 Hz時，切負(fù)荷量在計(jì)算范圍內(nèi)取值時，恢復(fù)頻率比較理想，因此可中斷負(fù)荷切除頻率定值設(shè)為49.25 Hz更為合適。

3.2 切負(fù)荷值選擇

基于49.25 Hz的可中斷負(fù)荷切除頻率定值，KL在1.5～2.5之間時，選取2%，2.5%，3% 3個比較有代表性的切負(fù)荷比例，對比不同切負(fù)荷比例下的恢復(fù)頻率(見表4—6)，從而選出最優(yōu)的切負(fù)荷比例。

表4 切負(fù)荷量2.5%系統(tǒng)恢復(fù)頻率(KL=1.5)Tab.4 System recovery frequency under 2.5% load shedding percentage(KL=1.5)

表5 切負(fù)荷量2.5%系統(tǒng)恢復(fù)頻率(KL=2.0)Tab.5 System recovery frequency under 2.5% load shedding percentage(KL=2.0)

表6 切負(fù)荷量2.5%系統(tǒng)恢復(fù)頻率(KL=2.5)Tab.6 System recovery frequency under 2.5% load shedding percentage(KL=2.5)

(1) 當(dāng)切負(fù)荷量取2.5 %時，對于KL在1.5～2.5之間變化時，沒有高周風(fēng)險(xiǎn)，且恢復(fù)頻率都在49.5～50.08 Hz之間，恢復(fù)頻率效果較好。

(2) 當(dāng)切負(fù)荷量取2%時，對于KL在1.5～2.5之間變化時，沒有高周風(fēng)險(xiǎn)，但整體恢復(fù)頻率偏低，當(dāng)KL=2.5時，恢復(fù)頻率最低達(dá)到49.40 Hz，因此不建議選取2%切負(fù)荷量。

(3) 當(dāng)切負(fù)荷量取3%時，當(dāng)KL=1.5時，恢復(fù)頻率最高達(dá)到50.25 Hz，與切負(fù)荷量2.5%相比，恢復(fù)頻率略高，而且考慮到可中斷負(fù)荷的具體可實(shí)施量，不建議選取3%。

綜上，選取2.5%作為可中斷負(fù)荷的切除量。

4 單機(jī)模型仿真校核

對方案在汛低和夏高方式(KL=2.0)的BPA單機(jī)模型下進(jìn)行了校核。在汛低方式下，校核方法主要針對多回特高壓直流中發(fā)生單回直流雙極閉鎖的故障方式進(jìn)行仿真。而對于夏高方式，由于單回特高壓直流雙極閉鎖損失發(fā)電比例較低，因此考慮更加嚴(yán)重的兩回特高壓直流同時發(fā)生雙極閉鎖。記錄可中斷負(fù)荷按頻率切除和低頻減載的動作情況、最低頻率及恢復(fù)頻率，如表7和表8所示。

表7 汛低方式單機(jī)模型校核結(jié)果(KL=2.0)Tab.7 Checking results of the single-machine model under flood off-peak scenario(KL=2.0)

表8 夏高方式單機(jī)模型校核結(jié)果(KL=2.0)Tab.8 Checking results of the single-machine model under summer peak scenario(KL=2.0)

由校核結(jié)果可知，在汛低和夏高兩種方式下，三大特高壓直流分別發(fā)生單回或兩回直流雙極直流閉鎖時，可中斷負(fù)荷就地按頻率切除系統(tǒng)動作，減小了低周減載首輪動作可能。

5 全網(wǎng)模型仿真校核

對方案在汛低和夏高方式的BPA全網(wǎng)模型下進(jìn)行了校核，校核故障方式與單機(jī)模型校核時一致。記錄可中斷負(fù)荷按頻率切除和低頻減載的動作情況、最低頻率及恢復(fù)頻率，如表9和表10所示。

表9 汛低方式全網(wǎng)模型校核結(jié)果Tab.9 Checking results of the detailed grid model under flood off-peak scenario(KL=2.0)

表10 夏高方式全網(wǎng)模型校核結(jié)果Tab.10 Checking results of the detailed grid model under summer peak scenario

由校核結(jié)果可知，由于全網(wǎng)模型中考慮了一次調(diào)頻作用，最低頻率和恢復(fù)頻率都比單機(jī)校核結(jié)果高。

汛低方式下，當(dāng)直流1發(fā)生雙極閉鎖故障時，可中斷負(fù)荷按頻率切除系統(tǒng)未動作；當(dāng)直流2和直流3雙極閉鎖時，可中斷負(fù)荷就地按頻率切除系統(tǒng)動作，未觸發(fā)低頻減載動作。

夏高方式下，當(dāng)直流1，2同時發(fā)生雙極閉鎖故障時，可中斷負(fù)荷按頻率切除系統(tǒng)未動作；當(dāng)直流1，3和直流2，3發(fā)生兩回直流雙極閉鎖時，可中斷負(fù)荷就地按頻率切除系統(tǒng)動作，未觸發(fā)低頻減載動作。同時，在2017年和2018年各典型方式下該方案均通過了校核，具有較好的適應(yīng)性。

6 結(jié)語

通過分析，考慮KL在1.5～2.5之間的變化，得出如下結(jié)論：

(1) 起切頻率為49.5 Hz，切負(fù)荷量在計(jì)算范圍內(nèi)取值時，最高恢復(fù)頻率略高，而且發(fā)生功率缺額時很容易觸發(fā)該輪動作；起切頻率為49.25 Hz，切負(fù)荷量在計(jì)算范圍內(nèi)取值時，恢復(fù)頻率比較理想，因此建議可中斷負(fù)荷切除頻率定值49.25 Hz。

(2) 當(dāng)頻率啟動門檻值選為49.25 Hz，通過對比2.5%和2%的切負(fù)荷比例，取2.5%時恢復(fù)頻率效果較好，也不存在高周風(fēng)險(xiǎn)，能夠滿足要求。如切負(fù)荷比例取3%，恢復(fù)頻率略高，而且考慮到可中斷負(fù)荷的具體可實(shí)施量，不建議選取3%。

綜上，可中斷負(fù)荷就地按頻率切除的起切頻率可選取49.25 Hz，切負(fù)荷比例取2.5%。單機(jī)模型和全網(wǎng)模型的校核結(jié)果表明，可中斷負(fù)荷就地按頻率切除系統(tǒng)能夠在電網(wǎng)發(fā)生易引發(fā)低周減載的大功率缺額時，切除可中斷負(fù)荷，減小了低周減載首輪動作可能，提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。