新能源與多饋入直流的受端電網(wǎng)頻率緊急控制策略

丁浩寅，周 磊，黃志光，黃 慧，李兆偉，陳 浩

（1.國(guó)家電網(wǎng)有限公司華東分部，上海 200120；2.南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，南京 211006）

“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)促使電力系統(tǒng)向以新能源為主體、特高壓跨區(qū)互聯(lián)互濟(jì)的方向邁進(jìn)[1]。隨著新能源持續(xù)接入和大容量跨區(qū)直流的投產(chǎn)，頻率問題在送端電網(wǎng)和受端電網(wǎng)愈發(fā)顯現(xiàn)[2]。從擾動(dòng)形式來看，大容量直流閉鎖、換相失敗和重啟動(dòng)給送端/受端電網(wǎng)帶來巨量的功率盈余/缺損，導(dǎo)致嚴(yán)重的高頻/低頻問題。例如，國(guó)網(wǎng)公司在運(yùn)的同送端同受端特高壓直流有4組，數(shù)量達(dá)10條。單一故障引發(fā)全局性的多回直流同時(shí)換相失敗[3]，使送受端電網(wǎng)遭受巨大暫態(tài)能量沖擊。從支撐能力來看，新能源在電源結(jié)構(gòu)中的比重迅速上升，現(xiàn)階段并不能提供規(guī)模化的慣量和一次調(diào)頻支撐[4]，加劇了發(fā)生頻率穩(wěn)定問題的風(fēng)險(xiǎn)。且進(jìn)一步，新能源頻率耐受能力弱于常規(guī)電源，異常頻率條件下，大規(guī)模新能源脫網(wǎng)更易導(dǎo)致連鎖停電事故，如澳大利亞“9·28”和英國(guó)“8·9”大停電[5-6]。

為應(yīng)對(duì)上述問題，在頻率穩(wěn)定控制措施方面，文獻(xiàn)[7-8]在送端電網(wǎng)采取基于故障信息觸發(fā)的緊急切除多類型電源措施；文獻(xiàn)[9]在傳統(tǒng)控制措施基礎(chǔ)上引入直流頻率控制和多直流協(xié)調(diào)，擴(kuò)展頻率控制手段；文獻(xiàn)[10-11]提出了含風(fēng)電、光伏等多類電源的過頻切機(jī)方案；文獻(xiàn)[12-13]在受端電網(wǎng)采用融合緊急控制和矯正控制，包含直流調(diào)制、抽蓄切泵、精準(zhǔn)切負(fù)荷措施的頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱頻率協(xié)控系統(tǒng)），來解決低頻問題。綜上所述，前期研究著重于頻率控制手段和控制對(duì)象的擴(kuò)充，未考慮高比例新能源和多饋入直流等無(wú)調(diào)頻能力電源，對(duì)慣量支撐能力的削弱，以及巨大容量直流閉鎖對(duì)頻率的沖擊和惡化。

進(jìn)入“十四五”，支撐長(zhǎng)三角負(fù)荷中心的華東電網(wǎng)，作為我國(guó)負(fù)荷比重最大的受端電網(wǎng)，在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)進(jìn)程中，采取大量引入?yún)^(qū)外直流、大規(guī)模發(fā)展新能源的低碳化舉措，其“雙高”特征（即區(qū)外來電占比高和新能源占比高）進(jìn)一步凸顯，頻率問題更加突出[14]。區(qū)外直流方面，世界單一容量最大的吉泉直流投產(chǎn)后，直流饋入總規(guī)模達(dá)70 GW，區(qū)外來電占比顯著增大的同時(shí)，單回直流容量達(dá)12 GW，按照單極（單層）閉鎖不采取控制措施的導(dǎo)則要求，對(duì)應(yīng)的不平衡功率達(dá)6 GW，已接近一回常規(guī)直流容量，給系統(tǒng)頻率帶來極大沖擊。區(qū)內(nèi)新能源方面，預(yù)計(jì)“十四五”內(nèi)繼續(xù)新增近100 GW 新能源裝機(jī)，進(jìn)一步削弱電網(wǎng)的慣量支撐和一次調(diào)頻能力[15]。以上兩個(gè)因素，都給現(xiàn)有的頻率協(xié)控系統(tǒng)提出了巨大挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，在控制策略方面，需要進(jìn)行大容量直流接入條件下的適應(yīng)性升級(jí)；在控制資源方面，需要在原有江蘇可中斷負(fù)荷基礎(chǔ)上，把上海、浙江和安徽可中斷負(fù)荷，納入精準(zhǔn)切負(fù)荷對(duì)象。上述背景下，本文首先基于“雙高”場(chǎng)景，分析多維因素影響下的頻率特性，以及頻率控制措施的靈敏度和優(yōu)先級(jí)。其次研究適應(yīng)大容量直流接入的頻率協(xié)控系統(tǒng)遠(yuǎn)方控制策略，和精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)擴(kuò)容后的措施量分配方法。最后結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)仿真，給出頻率協(xié)控系統(tǒng)配合下，防御不同直流故障擾動(dòng)的抽蓄開機(jī)要求和負(fù)荷水平要求。

1 理論與模型

以低頻為例，直流閉鎖、機(jī)組脫網(wǎng)導(dǎo)致的功率擾動(dòng)發(fā)生瞬間，網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機(jī)功角無(wú)法突變，輸出有功變化量為

式中：ΔPi為第i臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出功率變化量；Ksik為同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)；ΔPL為擾動(dòng)造成的不平衡功率；n為發(fā)電機(jī)個(gè)數(shù)。

ΔPi按照發(fā)電機(jī)i與擾動(dòng)點(diǎn)j之間的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)Ksik分配[16]。從擾動(dòng)發(fā)生后至發(fā)電機(jī)調(diào)速器響應(yīng)前，系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)按其慣性常數(shù)來分擔(dān)不平衡功率，則有

式中，Mi為第i個(gè)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

火電或水電機(jī)組調(diào)速器在擾動(dòng)發(fā)生后的3～4 s開始響應(yīng)[17]，增加原動(dòng)機(jī)輸出功率，彌補(bǔ)系統(tǒng)功率缺額使頻率回升。暫態(tài)過程中頻率跌落速率與機(jī)組慣量負(fù)相關(guān)，頻率偏差最大值與功率缺額和調(diào)速器調(diào)差系數(shù)正相關(guān)，與機(jī)組慣量負(fù)相關(guān)[18]。

頻率穩(wěn)定分析手段方面，基于簡(jiǎn)化模型的理論分析[19]，其結(jié)果與實(shí)際電網(wǎng)特性存在一定差異。對(duì)于實(shí)際大電網(wǎng)，目前較為準(zhǔn)確手段是基于詳細(xì)模型的時(shí)域仿真。本文研究中，調(diào)速器模型采用根據(jù)“9·19”故障擬合的詳細(xì)模型，并考慮火電機(jī)組汽輪機(jī)鍋爐實(shí)際蓄熱能力[20]。負(fù)荷模型采用恒阻抗+恒功率模型，考慮有功負(fù)荷頻率響應(yīng)因子[21]。上述模型參數(shù)經(jīng)過故障擬合和事故驗(yàn)證[22]，可以較準(zhǔn)確地反映暫態(tài)擾動(dòng)過程中的頻率響應(yīng)情況。

按照時(shí)間尺度，頻率穩(wěn)定控制分為穩(wěn)態(tài)頻率控制和暫態(tài)頻率緊急控制。本文側(cè)重研究直流閉鎖后較短時(shí)間尺度內(nèi)的緊急控制措施。實(shí)際大電網(wǎng)運(yùn)行在高維注入?yún)?shù)空間，其相應(yīng)的控制措施，理論上也位于高維空間。但目前的技術(shù)水平下，緊急控制作為第二道防線，故障后僅能根據(jù)有限的輸入變量，由既定的策略表和措施量計(jì)算公式，給出低維空間下的控制措施。針對(duì)多維因素影響下的頻率特性，如何提取關(guān)鍵因素，形成可以涵蓋電網(wǎng)各種運(yùn)行方式的控制策略，是頻率緊急控制的難點(diǎn)。以下通過頻率特性分析，把影響頻率穩(wěn)定的多維度因素映射到單一因素表征的低維空間，為制定頻率控制策略奠定基礎(chǔ)。

2 頻率特性

由上述理論分析可知，時(shí)域仿真元件模型參數(shù)確定后，實(shí)際電網(wǎng)的頻率特性仍然受多個(gè)因素影響。把電網(wǎng)內(nèi)具備慣量支撐和一次調(diào)頻能力的火電和水電機(jī)組統(tǒng)稱為常規(guī)電源，直流和新能源統(tǒng)稱為電力電子電源，二者共同支撐電網(wǎng)負(fù)荷，其中常規(guī)電源開機(jī)規(guī)模又稱為開機(jī)容量，是常規(guī)電源出力與旋轉(zhuǎn)備用之和。頻率特性各因素之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 頻率特性影響因素之間的關(guān)系Fig.1 Relationship among factors related to frequency characteristics

上述因素可歸為故障前的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)范疇，而在故障范疇內(nèi)，直流閉鎖故障造成的功率缺額，也是影響頻率穩(wěn)定的一個(gè)重要因素。

首先分析單一因素影響，即相同負(fù)荷水平和功率缺額下，電源開機(jī)規(guī)模對(duì)頻率特性的影響，以及相同負(fù)荷水平和電源開機(jī)規(guī)模下，功率缺額對(duì)頻率特性的影響。然后分析多重因素影響，即功率缺額、負(fù)荷水平、開機(jī)規(guī)模、電力電子電源共同作用下的頻率特性。把多個(gè)因素折算為單一因素，保留影響最大的功率缺額因素，其他因素用負(fù)荷水平來表征，得到不同負(fù)荷水平下，功率缺額與最低頻率之間的關(guān)系。

2.1 單一因素影響下的頻率特性

目前華東網(wǎng)內(nèi)僅常規(guī)電源具備慣量響應(yīng)和一次調(diào)頻能力。無(wú)調(diào)頻能力的電力電子電源擠占常規(guī)電源開機(jī)后，電網(wǎng)調(diào)頻能力會(huì)隨著常規(guī)電源開機(jī)規(guī)模的減少而減弱。把常規(guī)電源出力與負(fù)荷水平的比值定義為常規(guī)電源出力占比。以200 GW負(fù)荷水平下吉泉直流單極閉鎖為例，不同的常規(guī)電源出力占比下最大頻率偏差如圖2 所示。相同的負(fù)荷水平及功率缺額下，若維持旋轉(zhuǎn)備用不變，常規(guī)電源出力減小，必然導(dǎo)致開機(jī)臺(tái)數(shù)減少，慣量減小，參與一次調(diào)頻機(jī)組數(shù)量減少，慣量與一次調(diào)頻影響疊加，最大頻率偏差呈非線性增加。

圖2 相同負(fù)荷水平及功率缺額下，最大頻率偏差與常規(guī)電源出力占比的關(guān)系Fig.2 Relationshipbetweenmaximumfrequencydeviation and ratio of conventional power output at the same load level and power shortage

相同的負(fù)荷水平及功率缺額下，若維持常規(guī)電源出力不變，旋轉(zhuǎn)備用增大，伴隨開機(jī)臺(tái)數(shù)增多，慣量增大，參與一次調(diào)頻機(jī)組數(shù)量增多，最大頻率偏差減小，其關(guān)系如圖3所示。

圖3 相同負(fù)荷水平及功率缺額下，最大頻率偏差與旋轉(zhuǎn)備用的關(guān)系Fig.3 Relationship between maximum frequency deviation and spinning reserve at the same load level and power shortage

類似地，維持負(fù)荷水平和電源開機(jī)規(guī)模不變，不同功率缺額下的最大頻率偏差如圖4所示。

圖4 相同負(fù)荷水平及電源開機(jī)規(guī)模下，最大頻率偏差與功率缺額的關(guān)系Fig.4 Relationship between maximum frequency deviation and power shortage at the same load level and power supply start-up scale

2.2 多重因素影響下的頻率特性

在實(shí)際電網(wǎng)中，負(fù)荷水平的變化會(huì)帶來開機(jī)規(guī)模的變化，大負(fù)荷水平一般也對(duì)應(yīng)較大的常規(guī)電源開機(jī)規(guī)模?；诓糠钟绊懸蛩刂g的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，維持電力電子電源不變，負(fù)荷變化由常規(guī)電源出力平衡，即常規(guī)電源出力與負(fù)荷水平維持固定關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)常規(guī)電源出力變化因素由負(fù)荷水平的變化來表征。

為保證上述條件可以涵蓋電網(wǎng)各種運(yùn)行方式，需要進(jìn)一步明確電力電子電源和旋轉(zhuǎn)備用的條件。根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行情況，網(wǎng)內(nèi)直流滿送和新能源大發(fā)一般不同時(shí)出現(xiàn)，直流和新能源出力總和一般不超過65 GW，系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用一般在30 GW 左右，且在頻率仿真過程中，不參與調(diào)頻的直流來電和新能源出力可相互置換。本文后續(xù)的仿真分析中，不同負(fù)荷水平下均以電力電子電源（直流和新能源）70 GW、旋轉(zhuǎn)備用25 GW為邊界條件。

按照上述邊界條件，不同負(fù)荷水平下不同頻率最低跌落值對(duì)應(yīng)的功率缺額如圖5 所示。若功率缺額由直流單極閉鎖產(chǎn)生，可以表征不同負(fù)荷水平下，頻率最低跌落至特定值時(shí)，系統(tǒng)可接入的最大直流單極功率；若功率缺額由直流雙極閉鎖產(chǎn)生，則可以表征無(wú)控制措施時(shí)，不同負(fù)荷水平下，頻率最低跌落至特定值時(shí)，系統(tǒng)可接入的最大直流功率。

圖5 不同負(fù)荷水平下，不同頻率最低跌落值對(duì)應(yīng)的功率缺額Fig.5 Power shortages corresponding to the lowest frequency drops at different load levels

電力電子電源和旋轉(zhuǎn)備用固化為較保守條件，在犧牲一定靈活性的前提下，把多個(gè)頻率影響因素折算為2個(gè)主要因素：功率缺額和負(fù)荷水平。所得出不同負(fù)荷水平下功率缺額與最低頻率之間的關(guān)系，在保證安全性的同時(shí)，滿足了頻率緊急控制策略輸入變量的要求，為選擇合適的輸入變量，構(gòu)造策略計(jì)算公式打下基礎(chǔ)。

3 控制措施的靈敏度、優(yōu)先級(jí)和動(dòng)作時(shí)間

暫態(tài)過程中控制頻率穩(wěn)定的主要思路是快速平衡電網(wǎng)內(nèi)有功功率，從電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)2個(gè)方面著手，在電源側(cè)緊急提升直流功率增大有功供給[23]，在負(fù)荷側(cè)緊急切除抽水狀態(tài)的抽蓄機(jī)組和可中斷負(fù)荷[24]，減少負(fù)荷消耗。以下進(jìn)一步分析控制措施靈敏度、優(yōu)先級(jí)和動(dòng)作時(shí)間。

3.1 靈敏度分析

緊急提升直流，通過增加受端電網(wǎng)的注入有功來緩解低頻問題，直流功率增大伴隨無(wú)功消耗增多，從交流系統(tǒng)吸收更多無(wú)功，引起近區(qū)電壓降低。負(fù)荷中恒阻抗負(fù)荷吸收的有功與電壓平方成正比，電壓降低使恒阻抗負(fù)荷消耗的有功減少，對(duì)緩解低頻有利。

抽水狀態(tài)抽蓄機(jī)組作為恒功率負(fù)荷被切除，近區(qū)負(fù)荷減少伴隨電壓升高。負(fù)荷中恒阻抗負(fù)荷吸收的有功功率與電壓平方成正比，電壓升高使恒阻抗負(fù)荷消耗的有功增大，會(huì)進(jìn)一步惡化低頻問題。

切除由恒功率和恒阻抗構(gòu)成的可中斷負(fù)荷，抑制低頻的效果介于提升直流和切抽蓄之間。以吉泉直流雙極閉鎖為例，相同措施量下，不同控制措施抑制低頻的效果如圖6所示，對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了上述分析結(jié)論。

圖6 相同措施量下，不同類別控制措施抑制低頻效果Fig.6 Suppression effect on frequency reduction by different kinds of control measures under the same capacity of measure

3.2 優(yōu)先級(jí)分析

緊急提升直流，在滿足直流過負(fù)荷能力和無(wú)功控制要求的基礎(chǔ)上，僅需要送端電網(wǎng)跨區(qū)支援部分電源出力，不導(dǎo)致負(fù)荷損失和設(shè)備停運(yùn)，所需代價(jià)最小。切除抽水狀態(tài)的抽蓄機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱切抽蓄），雖不造成負(fù)荷損失，但抽蓄機(jī)組啟停，仍耗費(fèi)一定調(diào)度控制成本。切除以合約形式允許有條件停電的可中斷負(fù)荷，可以把停電損失降低至較小。所以綜合控制效果靈敏度和成本代價(jià)，按照優(yōu)先級(jí)，緊急頻率控制措施依次為提升直流、切抽蓄、切可中斷負(fù)荷。

3.3 動(dòng)作時(shí)間

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，直流控保系統(tǒng)接收并執(zhí)行緊急提升直流命令，直流功率階躍提升時(shí)間約為0.1 s。抽蓄機(jī)組開關(guān)和負(fù)荷線路開關(guān)，接收跳閘命令跳開時(shí)間約為0.1 s。進(jìn)一步考慮通信傳輸時(shí)間和電氣量采樣判據(jù)所需延時(shí)，在后續(xù)仿真提升直流、切抽蓄、切可中斷負(fù)荷措施時(shí)，均以故障后0.3 s 措施執(zhí)行完畢為前提，保證相應(yīng)策略可靠實(shí)施。

4 控制策略

頻率控制策略由華東電網(wǎng)頻率協(xié)控系統(tǒng)實(shí)施。系統(tǒng)構(gòu)架方面，吉泉直流投產(chǎn)后，新增吉泉直流控制子站。上海、浙江、安徽精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)投運(yùn)后，新增3 個(gè)省份的切負(fù)荷中心站，華東電網(wǎng)頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具體構(gòu)架如圖7所示。

圖7 華東電網(wǎng)頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)構(gòu)架Fig.7 Frame of frequency emergency coordination control system in East China Branch of state Grid

系統(tǒng)策略方面，分為基于直流閉鎖故障觸發(fā)的遠(yuǎn)方策略和基于頻率響應(yīng)觸發(fā)的就地策略。吉泉直流投產(chǎn)后，單一直流閉鎖導(dǎo)致更大的功率缺額，相應(yīng)的措施量計(jì)算原則需要改進(jìn)升級(jí)。上海、浙江、安徽精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)投運(yùn)后，切負(fù)荷對(duì)象擴(kuò)充為包括原有江蘇在內(nèi)的4省份可中斷負(fù)荷，相應(yīng)的切負(fù)荷量分配方法需要優(yōu)化調(diào)整。以下分別從措施量計(jì)算和切負(fù)荷量分配，2 個(gè)方面對(duì)頻率協(xié)控系統(tǒng)遠(yuǎn)方策略展開研究。

4.1 吉泉直流投產(chǎn)后措施量計(jì)算

針對(duì)直流閉鎖導(dǎo)致的功率損失，若按照功率平衡原則實(shí)施與損失功率相等的措施量，則代價(jià)較高。所以一般情況下，措施量小于直流閉鎖導(dǎo)致的功率損失量，功率損失量與措施量之差即欠切量。

根據(jù)第2 節(jié)頻率特性結(jié)論，影響頻率跌落的因素簡(jiǎn)化為功率缺額和負(fù)荷水平兩個(gè)因素后，功率缺額對(duì)頻率變化影響最大，作為頻率控制策略的核心參考量。把控制策略與功率缺額（即故障造成的功率損失量Ploss）掛鉤，以功率損失作為因變量，構(gòu)造控制措施量的計(jì)算公式。負(fù)荷水平作為另一個(gè)影響因素，在公式中通過不同負(fù)荷水平下的不同欠切量來體現(xiàn)，即

式中：P為緊急控制措施量；Ploss為直流閉鎖造成的功率損失量；P0為欠切量，在不同負(fù)荷水平下整定為不同取值，使式（3）計(jì)算出的措施量可以涵蓋多個(gè)負(fù)荷水平下的運(yùn)行方式。

進(jìn)一步，基于提升直流和切抽蓄代價(jià)較小的特點(diǎn)，把式（3）由連續(xù)函數(shù)拓展為分段函數(shù)，計(jì)及當(dāng)前可用的提升直流和切抽蓄措施量，給出更加靈活的措施量計(jì)算結(jié)果。

當(dāng)可用提升直流和切抽蓄措施量W充足時(shí)，采用較小欠切量P1計(jì)算措施量，并優(yōu)先分配為提升直流，其次分配為切抽蓄，目的是優(yōu)先使用代價(jià)較小的措施，且較大的措施量可以盡快抑制頻率下跌。當(dāng)可用提升直流和切抽蓄措施量W不足，需要采取切可中斷負(fù)荷措施時(shí)，用較大欠切量P2計(jì)算措施量，優(yōu)先分配為提升直流，其次分配為切抽蓄，最后分配為切可中斷負(fù)荷，目的是在保證可中斷負(fù)荷損失最少前提下，用最小的措施量解決頻率問題。頻率緊急控制的措施量P計(jì)算公式為

若可用提升直流和切抽蓄措施量W不足，出現(xiàn)W＜Ploss-P2情況，則分配完提升直流和切抽蓄措施量W后，用切可中斷負(fù)荷來彌補(bǔ)措施量缺額。切可中斷負(fù)荷措施量L的計(jì)算公式為

欠切量P2決定緊急控制可以采取的最小措施量，一方面與暫態(tài)過程需要保證的頻率跌落最低值有關(guān)，由于第三道防線就地按頻率切可中斷負(fù)荷動(dòng)作定值為49.25 Hz[25]，為不損失可中斷負(fù)荷，暫態(tài)過程中頻率跌落最低值需高于49.25 Hz。另一方面，欠切量P2也與故障造成的功率損失量有關(guān)，頻率協(xié)控系統(tǒng)作為第二道防線，根據(jù)安全穩(wěn)定導(dǎo)則，針對(duì)單一直流雙極閉鎖來設(shè)防。吉泉直流投產(chǎn)后，網(wǎng)內(nèi)單一直流閉鎖下功率缺額由8 GW增大為12 GW（落地功率11.4 GW），導(dǎo)致更嚴(yán)重的頻率跌落，為保證最低頻率高于49.25 Hz，對(duì)應(yīng)欠切量P2相比從前需要進(jìn)一步減小。不同負(fù)荷水平下，吉泉直流雙極閉鎖對(duì)應(yīng)的最小措施量和欠切量如表1所示。

表1 不同負(fù)荷水平下，最小措施量和最大欠切量Tab.1 Minimum measure and maximum undercut at different load levels

若欠切量P2僅參考最小負(fù)荷水平下的結(jié)果取值，會(huì)導(dǎo)致大負(fù)荷水平頻率跌落不嚴(yán)重時(shí)，措施量過大，達(dá)不到措施量最小的目的。所以欠切量P2根據(jù)不同負(fù)荷水平分檔，分別取表1中不同分檔邊界的計(jì)算值，具體如表2所示。

表2 不同負(fù)荷水平區(qū)間的欠切量Tab.2 Undercut in intervals with different load levels

欠切量P1決定緊急控制可以采取的最大措施量，一般取小負(fù)荷120 GW水平下頻率跌落至49.8 Hz的不平衡功率1 500 MW，且為達(dá)到措施量最大的目的，不同負(fù)荷水平下維持不變。

4.2 精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)擴(kuò)容后切負(fù)荷量分配

上海、浙江、安徽精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)接入頻率協(xié)控系統(tǒng)后，預(yù)計(jì)可中斷負(fù)荷的最大可切容量如表3所示。

表3 各省市精準(zhǔn)切負(fù)荷接入容量Tab.3 Capacity of precise load shedding in different provinces and cities

按照?qǐng)D7 的協(xié)控系統(tǒng)構(gòu)架，把式（5）計(jì)算的切可中斷負(fù)荷總量L分配至各省份的切負(fù)荷中心站。傳統(tǒng)的切負(fù)荷分配原則有最優(yōu)組合原則和輪次優(yōu)先級(jí)原則，但僅適用于區(qū)域局部電網(wǎng)，難以滿足有大量省間功率交換的大區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定要求。

基于此，根據(jù)按比例均攤原則和功率就地平衡原則，分別提出兩類切負(fù)荷分配方案供實(shí)際選用。

（1）按照各省上送可切負(fù)荷在可切負(fù)荷總量中的占比，來分配切負(fù)荷量，即有

式中：ILJ、ILS、ILZ、ILW分別為江蘇省、上海市、浙江省和安徽省上送的可切負(fù)荷量；PJ、PS、PZ、PW分別為江蘇省、上海市、浙江省和安徽省切負(fù)荷中心站接收的切負(fù)荷量。該方案的特點(diǎn)是能均衡利用全網(wǎng)的可切負(fù)荷資源，邏輯簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

（2）應(yīng)對(duì)直流閉鎖的切負(fù)荷量若按比例分配至全網(wǎng)各省，直流閉鎖導(dǎo)致的功率缺額由全網(wǎng)承擔(dān)，會(huì)帶來省間斷面潮流較大波動(dòng)。從減少省間功率交換，就地平衡有功缺額的角度出發(fā)，提出優(yōu)先切除故障直流所在省份的可中斷負(fù)荷分配方案。

以江蘇省內(nèi)直流閉鎖為例，若本省可中斷負(fù)荷充足，即ILJ≥L時(shí)，則僅切除本省可中斷負(fù)荷，就地平衡有功缺額，減少省間功率波動(dòng)，表示為

若本省可中斷負(fù)荷不足，即ILJ＜L時(shí)，剩余部分切負(fù)荷量L-ILJ，按各省上送比例分配至其他省份，表示為

以落點(diǎn)江蘇和上海的兩回直流閉鎖為例，若兩省可中斷負(fù)荷之和充足，即(ILJ+ILS)≥L時(shí)，僅切按照兩省上送可切負(fù)荷的比例切除兩省可中斷負(fù)荷，分別表示為

若閉鎖直流所在的兩省可中斷負(fù)荷不足，即(ILJ+ILS)＜L時(shí)，剩余部分切負(fù)荷量L-ILJ-ILS，按比例分配至其他省份，即

對(duì)于3 回及以上直流閉鎖，功率缺額較大情況，對(duì)應(yīng)切負(fù)荷量也較大，需要全網(wǎng)各省均參與切負(fù)荷，則不再優(yōu)先切除閉鎖直流所在省份負(fù)荷，直接按照式（6）分配切負(fù)荷量。

策略流程示意如圖8 所示。該方案的特點(diǎn)是可就地平衡直流閉鎖造成的功率缺額，把切負(fù)荷造成的停電損失限制在局部省份內(nèi)，但會(huì)增加邏輯判斷環(huán)節(jié)和復(fù)雜程度。

圖8 可中斷負(fù)荷分配策略流程Fig.8 Flow chart of interruptible load distribution strategy

每個(gè)省的切負(fù)荷中心站收到切負(fù)荷量后，按照優(yōu)先級(jí)和輪次分配至執(zhí)行站，省內(nèi)切負(fù)荷的具體分配和執(zhí)行方案參照文獻(xiàn)[26]。

5 仿真驗(yàn)證

本文主要工作是從頂層角度提出頻率緊急控制策略及設(shè)計(jì)方案。在仿真驗(yàn)證部分，著重給出該系統(tǒng)投運(yùn)后，實(shí)際電網(wǎng)可以抵御多大程度的直流故障擾動(dòng)，為使該系統(tǒng)發(fā)揮作用需要安排多少控制措施資源，不同新能源接入比例下的策略適應(yīng)性，以及相應(yīng)的電網(wǎng)運(yùn)行方式控制要求。

仿真條件與第2.2節(jié)相同，兼顧新能源同時(shí)率、直流來電和常規(guī)電源開機(jī)慣量。頻率特性分析中的影響因素折算和仿真驗(yàn)證中的邊界條件假定，均基于較惡劣的條件，可以覆蓋電網(wǎng)可能的多種運(yùn)行方式。給出最嚴(yán)重情況下的結(jié)論，作為頻率控制策略的依據(jù)和電網(wǎng)運(yùn)行的參考。

5.1 單回直流單極（或單層）閉鎖

吉泉直流滿送時(shí)，受端單極（或單層）閉鎖損失功率5 700 MW 條件下，不同負(fù)荷水平頻率跌落最低值如圖9所示。負(fù)荷低于180 GW，存在最低頻率跌至49.25 Hz 的風(fēng)險(xiǎn)（考慮0.1 Hz 裕度），可導(dǎo)致就地按頻率切可中斷負(fù)荷動(dòng)作。

圖9 吉泉直流單極(或單層)閉鎖，不同負(fù)荷水平下的最低頻率Fig.9 Lowest frequency under Jiquan DC unipolar(or single layer)block at different load levels

為保證無(wú)措施條件下頻率穩(wěn)定且不損失負(fù)荷，小負(fù)荷方式下，需要限制直流單極（或單層）功率。參考第2.2節(jié)圖5中結(jié)論，根據(jù)最低頻率49.25 Hz條件下不同負(fù)荷水平可承受的功率缺額，對(duì)負(fù)荷進(jìn)行分檔，不同負(fù)荷水平區(qū)間下限制直流單極（或單層）送電功率，如表4所示。

表4 不同負(fù)荷水平區(qū)間下直流最大功率Tab.4 Maximum DC power in intervals with different load levels

5.2 單回直流雙極閉鎖

單回直流雙極閉鎖，為不損失負(fù)荷，需要有足夠的提升直流和切抽蓄容量。西南電網(wǎng)與華中電網(wǎng)異步運(yùn)行后，復(fù)奉、錦蘇、賓金3大水電特高壓直流不參與緊急提升?？紤]龍政、宜華、林楓、靈紹、雁淮、錫泰、吉泉可提升自身額定容量10%，且閉鎖直流不參與提升，總的可提直流措施量為2 700 MW。汛期低谷時(shí)段，抽蓄機(jī)組受庫(kù)容限制和防汛要求，無(wú)法靈活安排抽水，導(dǎo)致切抽蓄措施量進(jìn)一步減少。有必要基于上述實(shí)際運(yùn)行條件，進(jìn)一步分析措施量的控制要求，以及不同新能源接入比例下，控制策略的有效性。

不同負(fù)荷水平區(qū)間下，最大功率的單一直流閉鎖，基于相應(yīng)的欠切量和可提升直流容量，可得出需要預(yù)留的最小切抽蓄容量，如表5所示。

表5 不同負(fù)荷水平區(qū)間，防御單回直流閉鎖所需最小切抽蓄容量Tab.5 Minimum cut pumping capacity for single DC block in intervals with different load levels

不同新能源接入比例，直流來電不變，電力電子電源不超過70 GW條件下，最大功率的單一直流閉鎖，基于相應(yīng)的欠切量，采取對(duì)應(yīng)策略，均可控制最低頻率在49.6 Hz以上，如圖10所示。

圖10 不同新能源接入比例下，控制措施抑制低頻效果Fig.10 Suppression effect on frequency reduction by control measure at different new energy integration proportions

5.3 多回直流閉鎖

汛期條件下，復(fù)奉、錦蘇、賓金等水電特高壓直流為消納水電需要安排滿送，若多直流共用的密集輸電通道走廊發(fā)生故障，導(dǎo)致2回水電特高壓直流同時(shí)閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)大為增加。同時(shí)受庫(kù)容限制和防汛要求，抽蓄機(jī)組無(wú)法靈活安排抽水，導(dǎo)致措施量進(jìn)一步減少，即使切除全部可中斷負(fù)荷，仍有頻率低于49 Hz導(dǎo)致低頻減載動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。不同負(fù)荷水平下，容量最大的兩條水電特高壓直流錦蘇（落地功率6 800 MW）、賓金（落地功率7 600 MW）同時(shí)雙極閉鎖，為保證頻率不低于49 Hz 所需的最小措施量如表6 所示?；谧钚〈胧┝颗c可提升直流和可中斷負(fù)荷容量之差，可得出需要預(yù)留的最小切抽蓄容量。隨著負(fù)荷增大，所需切抽蓄容量進(jìn)一步減少。負(fù)荷大于160 GW時(shí)，最小切抽蓄容量為負(fù)值，即措施量充足，不安排抽蓄機(jī)組抽水，僅依靠提升直流和切可中斷負(fù)荷措施，仍可防御2回水電特高壓直流閉鎖，不導(dǎo)致低頻減載第1輪動(dòng)作。

表6 不同負(fù)荷水平，防御兩回直流閉鎖所需最小切抽蓄容量Tab.6 Minimum cut pumping capacity for double DC blocks at different load levels

6 結(jié) 語(yǔ)

在“雙碳”目標(biāo)愿景下，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)進(jìn)程中，電網(wǎng)特性將發(fā)生深刻變革，頻率穩(wěn)定是系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要前提。本文研究了華東電網(wǎng)“雙高”特征下的頻率穩(wěn)定特性，結(jié)合控制措施靈敏度和優(yōu)先級(jí)分析，提出了適應(yīng)大容量直流接入的頻率協(xié)控系統(tǒng)遠(yuǎn)方控制策略，和精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)擴(kuò)容后的措施量分配原則。并根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行條件，給出了防御單回直流閉鎖下的抽蓄開機(jī)要求和汛期防御兩回水電直流閉鎖下的負(fù)荷水平要求。

應(yīng)該指出，在大直流、高比例新能源持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)下，系統(tǒng)頻率特性將日益復(fù)雜且多變，頻率防控手段也應(yīng)進(jìn)一步豐富。電源側(cè)進(jìn)一步優(yōu)化提升常規(guī)機(jī)組一次調(diào)頻能力，推進(jìn)新能源場(chǎng)站和儲(chǔ)能電站參與慣量支撐和一次調(diào)頻能力建設(shè)。電網(wǎng)調(diào)度側(cè)開展慣量監(jiān)視、機(jī)組一次調(diào)頻性能監(jiān)測(cè)。負(fù)荷側(cè)進(jìn)一步深化負(fù)荷主動(dòng)響應(yīng)程度，擴(kuò)充虛擬電廠、綜合能源體等各類可調(diào)負(fù)荷資源。構(gòu)建涵蓋“源網(wǎng)荷”的多維防控體系，是新型電力系統(tǒng)發(fā)展框架下頻率安全穩(wěn)定的重要保證。