電力系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定評(píng)估與控制研究.pdf

1、頻率是交流電力系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)，反映了有功發(fā)電與負(fù)荷的平衡情況。頻率穩(wěn)定是電力系統(tǒng)穩(wěn)定的重要組成部分，反映了電力系統(tǒng)在遭受嚴(yán)重?cái)_動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)電-負(fù)荷出現(xiàn)嚴(yán)重不平衡時(shí)頻率能夠保持或恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)不發(fā)生頻率崩潰的能力，包括短期暫態(tài)頻率穩(wěn)定和長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定兩部分。早期小型區(qū)域電網(wǎng)備用有限，且與其他電網(wǎng)缺少互聯(lián)，機(jī)組切除等故障容易導(dǎo)致頻率發(fā)生嚴(yán)重偏移，頻率穩(wěn)定問題突出。隨著低頻減載等控制措施的普遍應(yīng)用以及電網(wǎng)互聯(lián)程度的提高，區(qū)域電網(wǎng)間互

2、為備用，系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力逐漸增強(qiáng)，頻率穩(wěn)定一般不被認(rèn)為是互聯(lián)電網(wǎng)的重要問題。但是，近些年來(lái)，由于電力系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，隱性故障、連鎖故障等導(dǎo)致多處電網(wǎng)發(fā)生了頻率崩潰事故，表明電力系統(tǒng)頻率失穩(wěn)的可能性依然存在，是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要威脅之一。此外，風(fēng)電接入電網(wǎng)的規(guī)模越來(lái)越大，風(fēng)電的間歇性和嚴(yán)重爬坡事件對(duì)系統(tǒng)頻率響應(yīng)和頻率穩(wěn)定的影響也日益顯著，需要準(zhǔn)確把握電力系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)特性和深入研究頻率穩(wěn)定控制措施。電力系統(tǒng)頻率與有功平衡密切相關(guān)，頻

3、率穩(wěn)定本質(zhì)上是有功平衡問題。電力系統(tǒng)無(wú)功-電壓動(dòng)態(tài)會(huì)影響有功-頻率動(dòng)態(tài)，導(dǎo)致頻率穩(wěn)定與功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定相互耦合，頻率穩(wěn)定分析難度較大。但是，在系統(tǒng)無(wú)功備用充裕且勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)時(shí)，有功不平衡故障導(dǎo)致的電壓偏移較小，無(wú)功-電壓動(dòng)態(tài)對(duì)有功-頻率動(dòng)態(tài)的影響較小。為降低問題的復(fù)雜度，簡(jiǎn)化頻率響應(yīng)計(jì)算，本文在暫態(tài)頻率穩(wěn)定評(píng)估與控制研究中忽略無(wú)功-電壓動(dòng)態(tài)，從而更好地把握有功平衡與頻率穩(wěn)定之間的關(guān)系。本文采用理論分析與數(shù)值仿真的方法，對(duì)暫態(tài)頻

4、率穩(wěn)定的評(píng)估與控制問題進(jìn)行了深入研究。論文的主要研究工作和取得的創(chuàng)新性成果如下。
　　 (1)針對(duì)快速分析電力系統(tǒng)有功-頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求，提出了一種基于直流潮流的頻率響應(yīng)模型。電力系統(tǒng)各處的頻率響應(yīng)具有分散與統(tǒng)一的特征，頻率穩(wěn)定與功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定具有耦合與獨(dú)立的特征。目前，頻率響應(yīng)分析方法主要有研究頻率響應(yīng)分散性和頻率穩(wěn)定耦合性的全時(shí)域仿真法、研究頻率響應(yīng)統(tǒng)一性和頻率穩(wěn)定耦合性的中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)模型以及研究頻率響應(yīng)統(tǒng)一性和頻率穩(wěn)定

5、獨(dú)立性的平均系統(tǒng)頻率模型。針對(duì)頻率動(dòng)態(tài)與有功動(dòng)態(tài)密切相關(guān)的特點(diǎn)，提出了一種基于直流潮流的頻率響應(yīng)模型，以研究頻率響應(yīng)的分散性和頻率穩(wěn)定的獨(dú)立性。忽略無(wú)功-電壓動(dòng)態(tài)對(duì)有功-頻率動(dòng)態(tài)的影響，簡(jiǎn)化負(fù)荷、發(fā)電機(jī)組、高壓直流輸電和雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等模型，并采用直流潮流模型模擬網(wǎng)絡(luò)以近似考慮頻率時(shí)空分布特性，能夠在分析系統(tǒng)頻率響應(yīng)的同時(shí)分析機(jī)組和支路有功動(dòng)態(tài)。該模型采用微分-代數(shù)方程組模擬，求解算法成熟，能夠根據(jù)需要擴(kuò)展低頻減載、機(jī)組低頻保護(hù)、

6、超速保護(hù)、鍋爐、自動(dòng)發(fā)電控制等模型。編制了基于改進(jìn)歐拉法的仿真程序，并在3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和福建電網(wǎng)上進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，該模型能夠有效分析機(jī)組切除、負(fù)荷突變和線路切除等故障。該模型能夠準(zhǔn)確分析系統(tǒng)有功-頻率動(dòng)態(tài)，且計(jì)算量小，為電力系統(tǒng)有功-頻率動(dòng)態(tài)分析提供了一種新方法。
　　 (2)針對(duì)暫態(tài)頻率穩(wěn)定評(píng)估的需求，提出了一種考慮機(jī)組低頻保護(hù)的暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標(biāo)和評(píng)估方法。頻率穩(wěn)定的核心是有功平衡。嚴(yán)重的頻率下降會(huì)威脅系統(tǒng)設(shè)備的安

7、全運(yùn)行，為保證機(jī)組安全，機(jī)組一般配置有低頻保護(hù)繼電器，以在系統(tǒng)頻率嚴(yán)重下降時(shí)切除并保護(hù)機(jī)組。然而，機(jī)組低頻跳閘會(huì)惡化系統(tǒng)功率不平衡，并導(dǎo)致系統(tǒng)頻率進(jìn)一步下降，甚至可能引發(fā)其他機(jī)組連鎖跳閘，造成頻率失穩(wěn)。因此，本文認(rèn)為機(jī)組因低頻保護(hù)跳閘是電力系統(tǒng)暫態(tài)頻率失穩(wěn)的必要條件，并據(jù)此提出了一種考慮機(jī)組低頻保護(hù)的暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標(biāo)與評(píng)估方法。利用暫態(tài)頻率偏移安全性定量計(jì)算機(jī)組低頻保護(hù)的臨界擾動(dòng)量，通過(guò)比較實(shí)際擾動(dòng)功率缺額與臨界擾動(dòng)量定義暫態(tài)頻率穩(wěn)

8、定裕度指標(biāo)。為提高暫態(tài)頻率穩(wěn)定評(píng)估的在線實(shí)用性，本文對(duì)再熱汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，推導(dǎo)了計(jì)及機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用的頻率響應(yīng)解析解，以快速求取系統(tǒng)頻率響應(yīng)并計(jì)算暫態(tài)頻率穩(wěn)定臨界擾動(dòng)量。以新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)為例評(píng)估了系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性，并分析了部分區(qū)域因功角失穩(wěn)與主網(wǎng)解列后的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，該指標(biāo)具有較好的線性度，反映了頻率穩(wěn)定與有功平衡密切相關(guān)的特點(diǎn)，能夠較好地評(píng)估系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定性，對(duì)于指導(dǎo)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行

9、具有重要意義。
　　 (3)在暫態(tài)頻率穩(wěn)定評(píng)估的基礎(chǔ)上，提出了一種基于暫態(tài)頻率偏移安全性的低頻減載優(yōu)化決策方法.低頻減載是電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定控制的重要手段，是第三道防線的重要內(nèi)容?；趩?dòng)頻率和動(dòng)作延時(shí)的傳統(tǒng)低頻減載方案應(yīng)用廣泛，但傳統(tǒng)整定方法在無(wú)備用假設(shè)下進(jìn)行整定，方案較為粗糙，適應(yīng)性差。為提高低頻減載方案的適應(yīng)性，本文將基本輪的啟動(dòng)判據(jù)視為頻率安全二元表，提出了一種基于暫態(tài)頻率偏移安全性的低頻減載優(yōu)化決策方法。對(duì)于基本輪，利用

10、暫態(tài)頻率偏移安全性定量計(jì)算各輪次的臨界擾動(dòng)量和切負(fù)荷量上限，利用啟發(fā)式搜索方法優(yōu)化整定基本輪各輪次的切負(fù)荷量，滿足系統(tǒng)最大擾動(dòng)功率要求;對(duì)于特殊輪，在基本輪整定方案的基礎(chǔ)上利用靜態(tài)頻率特性計(jì)算特殊輪切負(fù)荷量上下限，并合理整定特殊輪輪數(shù)和各輪次的切負(fù)荷量。為克服忽略無(wú)功-電壓動(dòng)態(tài)的缺陷，提高低頻減載方案的有效性，分析了電壓偏移對(duì)低頻減載的影響，提出了一種綜合頻率-電壓?jiǎn)?dòng)判據(jù)，利用動(dòng)態(tài)過(guò)程中的頻率和電壓信息指導(dǎo)低頻減載動(dòng)作。以山東電網(wǎng)為例