水電機組調(diào)速系統(tǒng)對孤網(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

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水電機組調(diào)速系統(tǒng)對孤網(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)功率嚴重失衡，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定問題就會凸顯出來。本文以新疆電網(wǎng)220kV玉莎線事故為基礎(chǔ)，分析了水電機組調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速特性以及水電機組調(diào)速系統(tǒng)對孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響，得出孤網(wǎng)中水電機組調(diào)速系統(tǒng)對安全自動裝置動作的影響，不同容量水電機組調(diào)速系統(tǒng)對孤網(wǎng)頻率影響不同，不同容量水電機組調(diào)速系統(tǒng)之間的配合對孤網(wǎng)頻率影響不同。運用PSASP仿真驗證了相關(guān)結(jié)論，分析結(jié)果對實際電網(wǎng)運行、安全自動裝置配置以及調(diào)速器參數(shù)設(shè)置具有重要的參考價值。

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

0 前言

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國的電網(wǎng)規(guī)模在不斷擴大，區(qū)間聯(lián)網(wǎng)送電規(guī)模也在不斷增大，這有利于對各地區(qū)自然資源合理利用，大力發(fā)展清潔能源。但有時區(qū)間聯(lián)絡(luò)線由于輸電走廊限制等原因相對較弱，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)功率嚴重失衡，送端電網(wǎng)功率大量剩余，而受端電網(wǎng)功率嚴重缺額，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定問題就會凸顯出來[1-3]。

常規(guī)機組的調(diào)速系統(tǒng)對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性有很大的影響。當(dāng)系統(tǒng)功率發(fā)生變化時常規(guī)機組調(diào)速系統(tǒng)動作使頻率穩(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)解列運行為基礎(chǔ)，分析水電機組調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速特性以及水電機組調(diào)速系統(tǒng)對孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響，得出孤網(wǎng)中水電機組調(diào)速系統(tǒng)影響系統(tǒng)安全自動裝置動作情況，不同容量水電機組調(diào)速系統(tǒng)對孤網(wǎng)頻率影響不同，不同容量水電機組調(diào)速系統(tǒng)之間的配合對孤網(wǎng)頻率影響不同。運用PSASP模擬新疆電網(wǎng)220kV玉莎線事故，仿真驗證了相關(guān)結(jié)論。

1 電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)過程

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

圖1 電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)示意圖

2 水電機組調(diào)速系統(tǒng)特性

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

通過仿真所得曲線與錄波曲線進行對比，判斷本文所搭建的水電機組調(diào)速系統(tǒng)模型的正確性。圖3為某水電機組在一次調(diào)頻試驗過程中的輸出功率與導(dǎo)葉開度的仿真曲線與錄波曲線。

由圖3可以看出0~13s導(dǎo)葉開度為0，對應(yīng)機組輸出功率也為0；由于系統(tǒng)功率不平衡，受系統(tǒng)頻率的影響，13~16s導(dǎo)葉開度從0上升到0.8，而機組輸出功率先下降后上升。由此可以清晰地看到水輪機的動態(tài)反調(diào)特性，其反調(diào)特性對全部由水電機組構(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，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)電機組總裝機雖然達到284MW，但電源結(jié)構(gòu)不合理，73.9％的電源為水電機組（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”問題。

圖2 某水電機組調(diào)速系統(tǒng)模型

圖3 某水電機組調(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)為研究對象，220kV玉莎線斷線,和田電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時，分析水電機組調(diào)速系統(tǒng)對孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響。故障前波波娜水電機組和烏魯瓦提水電機組滿出力，220kV玉莎線上網(wǎng)功率為65MW。

3.1 全部水電機組調(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，安全自動裝置動作切除部分機組。假設(shè)網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機組都沒有調(diào)節(jié)效應(yīng)，網(wǎng)內(nèi)頻率變化只能通過切除機組和負荷調(diào)節(jié)效應(yīng)來調(diào)節(jié)。而負荷調(diào)節(jié)效應(yīng)只能在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，此時只能通過安全自動裝置動作切除機組，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)部分機組出力（65MW）后孤網(wǎng)內(nèi)頻率和各機組出力曲線。

圖5 全部調(diào)速系統(tǒng)不參與時特征曲線

由圖5可知，孤網(wǎng)系統(tǒng)中水電機組調(diào)速系統(tǒng)不參與調(diào)節(jié)時孤網(wǎng)內(nèi)安全自動裝置動作切除過剩的功率。在水電機組調(diào)速系統(tǒng)不參與調(diào)節(jié)時系統(tǒng)中的頻率不會發(fā)生大的波動，通過負荷調(diào)節(jié)效應(yīng)使系統(tǒng)中的頻率穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。同時各水電機組出力只在解網(wǎng)時有一個大的波動，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

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

圖6 波波娜參與、烏魯瓦提不參與時特征曲線

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

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

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

圖7 波波娜不參與、烏魯瓦提參與時特征曲線

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

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

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

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

圖8 全部調(diào)速系統(tǒng)都參與時特征曲線

通過對孤網(wǎng)內(nèi)水電機組調(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)水電機組的調(diào)速系統(tǒng)對網(wǎng)內(nèi)頻率穩(wěn)定影響特別大；不同裝機容量的水電站對孤網(wǎng)內(nèi)頻率調(diào)節(jié)能力不同，從而影響安全自動裝置的動作情況。孤網(wǎng)內(nèi)所有水電機組都參與頻率調(diào)節(jié)時可以提高系統(tǒng)對頻率的調(diào)節(jié)能力，但是孤網(wǎng)內(nèi)頻率波動較大，同時對各水電機組調(diào)速器配合以及參數(shù)設(shè)置要求比較高。

4 結(jié)論

通過對和田電網(wǎng)仿真分析可得在孤網(wǎng)運行時水電機組的調(diào)速系統(tǒng)對孤網(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)中大部分負荷是由水電機組供應(yīng)時，由于水電機組調(diào)速系統(tǒng)的動態(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)火電機組，利用火電機組一次調(diào)頻作用中和水電機組動態(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）不同裝機容量的水電站對孤網(wǎng)內(nèi)頻率調(diào)節(jié)能力不同，水電機組調(diào)速系統(tǒng)參與孤網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)時安全自動裝置配置要考慮水電機組調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。

（3）孤網(wǎng)內(nèi)各水電機組都參與頻率調(diào)節(jié)時可以提高系統(tǒng)對頻率的調(diào)節(jié)能力，但是孤網(wǎng)內(nèi)頻率波動較大，同時對各水電機組調(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)自動化, 2007, 31(9)．

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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

國家自然科學(xué)基金項目（51267017）；教育部創(chuàng)新團隊項目（IRT1258）

申盛召（1988-），研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制，碩士研究生。

審稿人：李桂芬