抽水蓄能發(fā)電對(duì)直流受端多態(tài)頻率穩(wěn)定的影響

王作家，竺煒，程志勇

抽水蓄能發(fā)電對(duì)直流受端多態(tài)頻率穩(wěn)定的影響

王作家，竺煒*，程志勇

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南省 長(zhǎng)沙市 410004）

為了應(yīng)對(duì)直流受端多態(tài)頻率穩(wěn)定問題，利用暫、動(dòng)、靜態(tài)頻率穩(wěn)定性的性能指標(biāo)，即瞬間變化率的倒數(shù)、阻尼比和靜態(tài)偏差量的倒數(shù)，研究了有無抽水蓄能發(fā)電時(shí)等值機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)和靜特性系數(shù)的變化；分析了抽水蓄能發(fā)電后對(duì)暫、動(dòng)、靜態(tài)頻率穩(wěn)定性的影響，得出各狀態(tài)的性能指標(biāo)并與之前相比較。最后，搭建模型進(jìn)行仿真。通過理論分析得出，抽水蓄能發(fā)電提高了直流受端電網(wǎng)的暫、動(dòng)和靜態(tài)頻率穩(wěn)定性，算例仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。研究結(jié)果為抽水蓄能發(fā)電對(duì)直流受端電網(wǎng)多態(tài)頻率穩(wěn)定性的影響提供了重要的理論依據(jù)。

抽水蓄能；直流接入；暫-動(dòng)-靜態(tài)頻率穩(wěn)定性；性能指標(biāo)

0 引言

由于我國(guó)能源和經(jīng)濟(jì)的不對(duì)稱分布，所以采用遠(yuǎn)距離輸電可以優(yōu)化資源配置，保護(hù)自然環(huán)境，符合國(guó)家的能源發(fā)展戰(zhàn)略[1]。特高壓直流輸電在這方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[2-3]，從能源豐富的西部地區(qū)向經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部地區(qū)輸電，是實(shí)現(xiàn)“西電東送”戰(zhàn)略的重要方式[4]，且我國(guó)已掌握大量800 kV及以下的特高壓直流輸電工程建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[5-6]。昌吉—古泉特高壓直流輸電工程將直流電壓從目前的800kV提升到1100kV，成為目前國(guó)際上電壓等級(jí)最高、容量最大、距離最遠(yuǎn)的輸電工程[7]。隨著直流容量占比增加，直流受端電網(wǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量逐漸減小，受端系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力也減弱。因此，受端電網(wǎng)易發(fā)生頻率振蕩，隨著新能源的接入，直流受端區(qū)域頻率問題更加嚴(yán)峻[8-10]，研究直流受端多態(tài)頻率穩(wěn)定性具有重要意義。

文獻(xiàn)[11]針對(duì)直流受端電網(wǎng)頻率安全問題，提出了兩段式頻率安全緊急控制策略，利用其控制策略來實(shí)現(xiàn)故障后系統(tǒng)頻率的緊急控制。文獻(xiàn)[12]利用ADPSS軟件研究了800kV錦蘇直流閉鎖對(duì)受端電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響。而文獻(xiàn)[13]則是把逆變站模擬成同步發(fā)電機(jī)，以此來增加受端系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但該方法只是提高了受端電網(wǎng)的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性，并未改善其動(dòng)、靜態(tài)頻率穩(wěn)定性。

目前，隨著烏東德直流輸電工程的饋入，廣東電網(wǎng)已通過9回直流饋入“西電”，且落點(diǎn)集中于珠江三角洲區(qū)域，但多直流換相失敗、頻率波動(dòng)問題突出。針對(duì)這些問題，文獻(xiàn)[14-15]詳細(xì)研究了直流輸電故障對(duì)受端廣東電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[16]則針對(duì)多直流接入的廣東電網(wǎng)，分析其面臨的主要問題，并提出了合理化建議。文獻(xiàn)[17-18]分析了直流換相失敗對(duì)受端廣東電網(wǎng)的影響。

以上文獻(xiàn)基本是從直流故障或頻率控制方面闡述了對(duì)受端電網(wǎng)的影響，且并未探究受端電網(wǎng)發(fā)生頻率振蕩的根本原因。文獻(xiàn)[19]詳細(xì)研究了影響受端電網(wǎng)多態(tài)頻率穩(wěn)定性的因素，推導(dǎo)出相關(guān)的主導(dǎo)因子，并提出了其機(jī)組的控制策略。本文在文獻(xiàn)[19]的基礎(chǔ)上，利用其得到的性能指標(biāo)，研究了抽水蓄能發(fā)電對(duì)受端多態(tài)頻率穩(wěn)定性的影響，為提高頻率穩(wěn)定性提供重要的理論依據(jù)。

1 抽水蓄能發(fā)電后的等值機(jī)慣量及靜特性系數(shù)變化

目前，電網(wǎng)中擾動(dòng)頻發(fā)，由于機(jī)組轉(zhuǎn)子具有慣性，頻率變化不大，但其變化過程經(jīng)歷暫態(tài)、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)。其直流受端區(qū)域暫態(tài)、動(dòng)態(tài)、靜態(tài)頻率波動(dòng)過程如圖1所示?？捎眯阅苤笜?biāo)來定義頻率波動(dòng)過程中暫態(tài)、動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的變化過程，3種狀態(tài)定義的指標(biāo)如表1所示。

設(shè)受端區(qū)域有臺(tái)機(jī)組，接入恒功率直流，替換其中臺(tái)機(jī)組，但區(qū)域總額定有功容量不變。則直流接入比為

圖1 暫、動(dòng)、靜頻率波動(dòng)過程

表1 暫、動(dòng)、靜態(tài)頻率穩(wěn)定性指標(biāo)

此時(shí)等值機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)及功-頻靜特性系數(shù)分別為

若受端區(qū)域各機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)及功-頻靜特性系數(shù)基本一致，則式(2)可表示為

由式(3)和式(4)可知，抽水蓄能發(fā)電后，其受端區(qū)域等值機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)和功-頻靜特性系數(shù)都增大。

2 抽水蓄能發(fā)電對(duì)直流受端系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率特性分析

2.1 基于簡(jiǎn)單模型的動(dòng)態(tài)頻率特性分析

當(dāng)抽水蓄能未發(fā)電時(shí)，若區(qū)域等值機(jī)組以頻率反饋調(diào)速方式進(jìn)行控制，則頻率反饋簡(jiǎn)單模型如 圖2所示。

圖2 抽水蓄能未發(fā)電時(shí)的頻率反饋簡(jiǎn)單模型

式(5)進(jìn)行拉氏變換后，可得抽水蓄能發(fā)電前的區(qū)域功-頻開環(huán)函數(shù)為

故抽水蓄能發(fā)電前的動(dòng)態(tài)頻率阻尼比為

若抽水蓄能接入發(fā)電后，其頻率反饋簡(jiǎn)單模型如圖3所示。則其頻率響應(yīng)為

圖3 抽水蓄能發(fā)電時(shí)的頻率反饋簡(jiǎn)單模型

其中

由此可得抽水蓄能發(fā)電后的動(dòng)態(tài)阻尼比為

圖4 阻尼比比值變化

2.2 基于典型模型的動(dòng)態(tài)頻率特性分析

目前國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)組一般都采用功-頻反饋調(diào)節(jié)，由于機(jī)械功率測(cè)量困難，功率反饋量一般取自機(jī)端電功率(有功功率)。在動(dòng)態(tài)分析時(shí)，功率反饋通道實(shí)為前饋通道，將負(fù)荷擾動(dòng)前饋量引入控制系統(tǒng)中[21]。功頻調(diào)節(jié)的典型模型如圖5所示。

圖5 抽水蓄能未發(fā)電時(shí)的功頻反饋典型模型

由圖5可得，當(dāng)該區(qū)域等值機(jī)組采用功–頻反饋調(diào)節(jié)方式進(jìn)行控制時(shí)，抽水蓄能發(fā)電前的區(qū)域頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)為

其中

故抽水蓄能發(fā)電前的動(dòng)態(tài)頻率阻尼比為

當(dāng)抽水蓄能發(fā)電后，其典型模型如圖6所示。

圖6 抽水蓄能發(fā)電時(shí)的功頻反饋典型模型

其頻率響應(yīng)為

同理，需要對(duì)式(21)進(jìn)行降階，則式(21)可 寫成

由此可得抽水蓄能發(fā)電后的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)為

故抽水蓄能發(fā)電后的動(dòng)態(tài)阻尼比為

由式(20)、(24)可得

由式(25)可知，其結(jié)果與式(16)相同，由此可表明，無論是基于頻率反饋簡(jiǎn)單模型，還是基于 功-頻反饋調(diào)節(jié)的典型模型，抽水蓄能發(fā)電后，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都比抽水蓄能發(fā)電前好。

3 抽水蓄能發(fā)電對(duì)直流受端系統(tǒng)的暫態(tài)頻率特性分析

3.1 基于簡(jiǎn)單模型的暫態(tài)頻率特性分析

若抽水蓄能發(fā)電后，此時(shí)的頻率響應(yīng)為

則抽水蓄能發(fā)電后的瞬間頻率波動(dòng)率為

由式(26)、(28)可得

即抽水蓄能發(fā)電后，基于簡(jiǎn)單模型的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性變好。

3.2 基于典型模型的暫態(tài)頻率特性分析

若等值機(jī)組以功-頻反饋調(diào)速方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，其頻率反饋通道不通，則功率反饋成為擾動(dòng)前饋量。由圖4可得

當(dāng)抽水蓄能發(fā)電后，其由負(fù)荷擾動(dòng)引起的瞬間頻率波動(dòng)率為

由式(31)、(32)可得

由此可見，抽水蓄能發(fā)電后，基于典型模型的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性也是變好的。

4 抽水蓄能發(fā)電對(duì)直流受端系統(tǒng)的靜態(tài)頻率特性分析

4.1 基于簡(jiǎn)單模型的靜態(tài)頻率特性分析

若受端區(qū)域的等值機(jī)組采用頻率反饋調(diào)節(jié)方式，則在階躍負(fù)荷擾動(dòng)下，應(yīng)用終值定理，受端區(qū)域抽水蓄能發(fā)電前的穩(wěn)態(tài)頻率降為

當(dāng)抽水蓄能發(fā)電后，則在階躍負(fù)荷擾動(dòng)下，應(yīng)用終值定理，則受端區(qū)域的穩(wěn)態(tài)頻率降為

故可得

即抽水蓄能發(fā)電后，基于簡(jiǎn)單模型的靜態(tài)頻率穩(wěn)定性變好。

4.2 基于典型模型的靜態(tài)頻率特性分析

若受端區(qū)域的等值機(jī)采用功-頻率反饋調(diào)節(jié)方式，則在階躍負(fù)荷擾動(dòng)下，應(yīng)用終值定理，則抽水蓄能發(fā)電前的穩(wěn)態(tài)頻率降為

當(dāng)抽水蓄能發(fā)電后，則受端區(qū)域穩(wěn)態(tài)頻率降為

故可得

由此可見，抽水蓄能發(fā)電后，基于典型模型的靜態(tài)頻率穩(wěn)定性也是變好的。

5 基于抽水蓄能發(fā)電前后的典型模型時(shí)域頻率特性仿真分析

設(shè)受端區(qū)域的調(diào)速系統(tǒng)詳細(xì)模型如圖7所示，其中PID=8+0.4/+200/(+200)，max=0.7，1= 0.02 s，e=0.05 s，S=0.3 s。

圖7 功頻調(diào)速器模型

當(dāng)抽水蓄能接入12%及15%時(shí)，并采用如圖6所示的控制方式，則負(fù)荷擾動(dòng)后頻率曲線如圖8所示。

圖8 抽水蓄能發(fā)電前后的多態(tài)頻率特性圖

由圖8可知，與未接入抽水蓄能相比，當(dāng)抽水蓄能接入發(fā)電時(shí)：

1）頻率波動(dòng)變小，說明暫態(tài)穩(wěn)定性變好。

2）振蕩過程中，曲線波動(dòng)較小，振蕩時(shí)間變短，說明動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性變好。

3）振蕩結(jié)束后，頻率偏差變小，說明靜態(tài)穩(wěn)定性變好。

4）隨著抽水蓄能接入比例的增大，多態(tài)頻率穩(wěn)定性變好。

6 結(jié)論

通過動(dòng)態(tài)、暫態(tài)、靜態(tài)穩(wěn)定性的性能指標(biāo)，即阻尼比、瞬間變化率的倒數(shù)和靜態(tài)偏差量的倒數(shù)，分析了有抽水蓄能發(fā)電和無抽水蓄能發(fā)電時(shí)，在電網(wǎng)側(cè)擾動(dòng)下，直流受端區(qū)域頻率的多態(tài)穩(wěn)定性變化情況。研究發(fā)現(xiàn)，抽水蓄能發(fā)電后，其暫態(tài)、動(dòng)態(tài)、靜態(tài)頻率穩(wěn)定性比無抽水蓄能時(shí)都變好，且抽水蓄能接入比越大，其效果越好，理論和仿真驗(yàn)證了其有效性。

研究結(jié)果給抽水蓄能發(fā)電接入直流受端區(qū)域提供了理論依據(jù)，對(duì)提高直流受端區(qū)域頻率穩(wěn)定性具有重要意義。

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Influence of Pumped Storage Power Generation on Multi-state Frequency Stability of DC Receiver

WANG Zuojia, ZHU Wei*, CHENG Zhiyong

(School of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science&Technology,Changsha 410004, Hunan Province, China)

In order to deal with the problem of multi-state frequency stability at DC receiving end, this paper studied the variation of inertia time constant and static characteristic coefficient of equivalent machine with or without pumped storage power generation by using the performance indexes of transient, dynamic and static frequency stability, namely reciprocal of instantaneous change rate, damping ratio and reciprocal of static deviation. The influence of pumped storage power generation on transient, dynamic and static frequency stability was analyzed. The performance indexes of each state were obtained and compared with those before. Finally, the model was built for simulation. Through theoretical analysis, it is concluded that pumped storage power generation improves the transient, dynamic and static frequency stability of the DC receiving end power grid. The correctness of theoretical analysis was verified by numerical simulation. The research results provid an important theoretical basis for the influence of pumped storage power generation on the multi-state frequency stability of DC receiving end power grid.

pumped storage; DC access; temporary-dynamic-static frequency stability; performance index

10.12096/j.2096-4528.pgt.19038

TM 612

2019-03-25。

(責(zé)任編輯 辛培裕)