PDF《9 19”锦苏直流双极闭锁事故华东电网频率特性分析及思考》

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9 锦苏直流双极闭锁事故华东电网频率特性分析及思考 李兆伟1,

2 ,吴雪莲1,

2 ,庄侃沁3 ,王亮3 ,缪源诚3 ,李碧君1,

2 ( 1. 南瑞集团公司( 国网电力科学研究院) ,江苏省南京市

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0 6;

2. 国电南瑞科技股份有限公司,江苏省南京市

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0 6;

3. 国家电网公司华东分部,上海市

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2 0 ) 摘要:小负荷方式下系统的频率稳定形势日趋严峻.针对华东电网 9?1

9 事故, 从负荷模型及调 速器/原动机模型角度研究分析了影响华东电网频率响应特性的关键因素.基于实测数据, 对华东 电网负荷频率响应因子, 机组的一次调频限幅、 调差系数, 以及锅炉主蒸汽压力模型相关参数进行 了辨识, 复现 9?1

9 事故的频率响应特性.根据辨识结果反映的问题提出了相关建议. 关键词:频率;

调速器;

主蒸汽压力;

参数辨识 收稿日期:

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1 0;

修回日期:

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1 1. 上网日期:

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1 4. 国家电网公司科技项目 改善系统频率稳定性的跨区多直流 功率紧急支援协控系统关键技术研究 .

0 引言

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1 5年9月1 9日2 1:

5 8:

0 2, 锦苏特高压直流 发生双极闭锁, 故障前, 落地华东电网的直流输电功 率总量约为2 5. 7GW, 其中锦苏直流落地功率约为 4. 9GW, 系统频率为49.

9 7 H z , 华东电网负荷为138GW, 开机1

6 8GW, 旋转备用约为5 2GW.故 障发生后, 华东电网出现较大功率缺额,

1 2s后全网 频率最低跌至4 9.

5 6 H z , 经电网动态区域控制偏差 ( A C E) 动作以及华东网调的紧急调度, 约2

4 0s后 频率恢复至5 0H z . 计算表 明, 本次事故中华东电网损失发电约3.

5 5%, 即造成了约0.

4 1H z的频率跌落, 系统频率 稳定特性弱于之前的经验认识[

1 G

3 ] , 主要与小负荷方 式下电网开机规模较小导致系统转动惯 量降低有 关, 且机组的一次调频情况不及预计情况.而经时 域仿真分析, 现调度采用的仿真模型参数不能完全 复现事故后频率特性.按照 十三五 规划, 未来两 年内华东电网还将建设投运晋北―南京、 锡盟―泰州、 准东―皖南三回特高压直流, 电网面临大容量功 率缺额风险加大, 如此巨量的直流接入背景下准确 把握华东电网的频率稳定特性刻不容缓, 需要深入 分析影响系统频率仿真特性的关键因素, 基于实测 故障录波数据提出满足系统频率仿真要求的模型参 数, 提高电网频率仿真精度. 文献[

4 ] 通过数字仿真从静态负荷频率调节系 数、 感应电动机比例、 发电机模型、 调速器一次调频 限幅等角度, 分析了华东电网频率仿真结果与实际 系统频率响应差异的原因, 为本文的研究提供了基 础, 但考虑的因素有所欠缺, 未给出适应电网频率仿 真要求的参数建议.文献[ 5] 通过对影响频率响应 轨迹的主要参数进行了灵敏度分析, 基于此依据来 调整参数使动态频率仿真轨迹与实测频率轨迹尽可 能接近, 但对拟合结果缺少有效的量化评估手段. 文献[

6 ] 采用遗传算法实现了同步发电机参数的辨 识, 遗传算法搜索空间大, 虽然具有良好的全局收敛 性能, 但搜索速度较慢, 而且稳定性较差, 搜索方向 具有随机性, 每次搜索得到的结果可能会有差异[ 7] . 本文针对 9?1

9 锦苏直流双极闭锁事故, 通过 仿真分析, 模拟华东电网频率响应特性, 梳理影响华 东电网频率响应特性的关键因素, 根据系统中各参 数对频率特性的影响趋势, 基于实测故障录波数据 对影响华东电网频率响应特性的关键模型参数进行 辨识, 使系统频率仿真轨迹与实测频率轨迹基本吻 合, 提高电网频率仿真精度.根据曲线拟合结果反 映的问题, 对华东电网大容量直流接入背景下的频 率控制提出建议.

1 影响频率响应的主要因素 电力系统频率反映了系统中有功功率的平衡情 况.当电力系统发生大容量功率缺额时, 各机组将 释放储存的部分惯性动能, 动能的消耗将使机组转 速下降, 从而使系统频率降低[

8 ] .当电力系统频率 偏离额定值时, 负荷吸收的有功功率随之变化.可 以认为对于一个确定的网络输电结构, 系统在遭受 大功率缺额冲击后, 决定系统暂态频率响应特性的

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1 第4 1卷第7期2017年4月1 0日Vol.41N o . 7A p r .

1 0,

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1 7 D O I :

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2 因素主要包括系统负荷特性、 一次调频性能和锅炉 蓄能特性等.下面将分别进行具体的分析. 1.

1 一次调频性能 一次调频是指当电力系统频率偏离目标频率 时, 发电机组通过调速系统的自动反应, 调整有功出 力以维持电力系统频率稳定.一次调频性能的优劣 对系统的频率响应特性影响重大.一般来说, 配置 了调速系统的发电机都具备一次调频能力[ 9] , 从广 义角度讲, 开放了频率调制功能的直流也具备一次 调频能力.一次调频性能对电网频率影响的研究已 较为成熟, 本文结合华东电网, 分析了火电机组对电 网频率的影响, 详细分析过程见附录 A.一次调频 限幅和调差系数都是影响电网频率响应特性的关键 因素, 二者同时影响着大容量不平衡功率冲击下系 统频率的最大偏差及恢复水平.随着一次调频限幅 的增加, 系统一次调频容量增加, 系统频率调节能力 增强;

随着调差系数增加, 一次调频性能变差, 系统 频率调节能力减弱. 1.

2 负荷模型 负荷模型也是影响系统频率响应特性的重要因 素[

1 0 ] .目前电力系统仿真中, 负荷模型主要采用静 态负荷模型和动态负荷模型两大类. 常用的静态负荷模型如式(

1 ) 所示. P=P0 P1 V V0 ? è ? ? ? ÷

2 +P2 V V0 ? è ? ? ? ÷ +P3 é ? ê ê ù ? ú ú ( 1+Δ f LD P ) Q=Q0 Q1 V V0 ? è ? ? ? ÷

2 +Q2 V V0 ? è ? ? ? ÷ +Q3 é ? ê ê ù ? ú ú ( 1+Δ f LD Q ) ì ? í ? ? ? ? (

1 ) 式中: P 和Q 分别为负荷的有功分量和无功分量;

P0 和Q0 分别为负荷在额定电压和额定频率时所 消耗的有功和无功功率;

P1, P2, P3 分别为恒阻抗 负荷、 恒电流负荷、 恒功率负荷中有功分量占比, 满足P1 +P2 +P3 =1;

Q1, Q2, Q3 分别为恒阻 抗负荷、 恒电流负荷、 恒功率负荷中无功分量占比, 满足 Q1+Q2+Q3 =1;

V 为系统电压;

V0 为额定电压;

Δ f 为系统频率相对额定频率的偏差;

LD P 和LD Q 分 别为有功负荷和无功负荷的频率响应因子.系统负 荷的各类型占比、 有功频率响应因子均对系统频率 响应有较大影响. 动态负荷模型主要考虑感应电动机模型, 一般 认为感应电动机模型主要与系统的电压稳定特性密 切相关, 实际上一方面电动机转子运动方程中包含 频率的一次导数项, 另一方面电动机负荷的电压特 性会通过影响负荷的有功分量来影响系统的频率特 性.本文分析了静态负荷模型和动态负荷模型对系 统频率响应特性的影响, 详见附录 A.静态负荷的 有功负荷频率响应因子和动态负荷的感应电动机比 例都对系统频率最大偏差影响较大.随着有功负荷 频率因子的增加, 系统频率稳定特性有所提高, 频率 偏差有减小的趋势.基于所采用的感应电动机模型 及仿真边界条件, 随着感应电动机比例的增加, 系统 频率响应特性略有恶化的趋势, 系统最大频率偏差 变大. 1.

3 锅炉主蒸汽压力 在目前的频率仿真中, 一般假定机组蓄热能力 足够大, 即锅炉主蒸汽压力恒定不变, 原动机出力仅 与气门开度成正比.但是实际上, 机组蓄热能力总 是有一定限度的, 当机组蓄热逐渐耗尽或主蒸汽压 力因气门开度的变化而变化时, 原动机输出功率便 会受到影响, 机组的一次调频性能也会受到影响, 进 而会影响系统的频率响应特性. 在系统大功率缺额时, 锅炉的蓄热能力不足以 长时间维持主蒸汽压力恒定, 从而使得调速器的调 门指令与主蒸汽压力存在一定比例关系.随着主蒸 汽压力的降低, 调门指令将呈下降趋势, 即机组的一 次调频能力有逐渐下降的趋势.附录 A 详细仿真 分析了锅炉主蒸汽压力模型对华东电网频率的影 响. 考虑锅炉模型后系统最低频率和稳态频率均有 较大程度的降低, 尤其对稳态恢复频率, 由........