水电机组调速系统对孤网频率稳定性影响分析

申盛召，姚秀萍，王维庆，陈 立，王晓飞



水电机组调速系统对孤网频率稳定性影响分析

申盛召1,2，姚秀萍1,3，王维庆1，陈 立3，王晓飞3

（1. 新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐830047；2. 国网新疆电力公司昌吉供电公司，新疆昌吉831100；3. 新疆电力调度控制中心，乌鲁木齐830001）

随着区间电网的互联，各地区的自然资源得到充分的利用，但是有些区间联络线由于输电走廊限制等原因相对较弱，一旦发生解列事故，容易形成送端（受端）孤立电网，将导致局部系统功率严重失衡，系统的频率稳定问题就会凸显出来。本文以新疆电网220kV玉莎线事故为基础，分析了水电机组调速系统调速特性以及水电机组调速系统对孤网频率稳定性的影响，得出孤网中水电机组调速系统对安全自动装置动作的影响，不同容量水电机组调速系统对孤网频率影响不同，不同容量水电机组调速系统之间的配合对孤网频率影响不同。运用PSASP仿真验证了相关结论，分析结果对实际电网运行、安全自动装置配置以及调速器参数设置具有重要的参考价值。

电力系统功率频率特性；调速系统；调速特性；负荷调节效应

0 前言

随着我国国民经济的发展，我国的电网规模在不断扩大，区间联网送电规模也在不断增大，这有利于对各地区自然资源合理利用，大力发展清洁能源。但有时区间联络线由于输电走廊限制等原因相对较弱，一旦发生解列事故，容易形成送端（受端）孤立电网，将导致局部系统功率严重失衡，送端电网功率大量剩余，而受端电网功率严重缺额，系统的频率稳定问题就会凸显出来[1-3]。

常规机组的调速系统对系统频率稳定性有很大的影响。当系统功率发生变化时常规机组调速系统动作使频率稳定在一定范围[4]。本文以新疆电网220kV玉莎线事故造成和田电网与主网解列运行为基础，分析水电机组调速系统调速特性以及水电机组调速系统对孤网频率稳定性的影响，得出孤网中水电机组调速系统影响系统安全自动装置动作情况，不同容量水电机组调速系统对孤网频率影响不同，不同容量水电机组调速系统之间的配合对孤网频率影响不同。运用PSASP模拟新疆电网220kV玉莎线事故，仿真验证了相关结论。

1 电力系统频率调节过程

在电网负荷发生变化时，依靠发电机的调速器以及负荷的调节效应的共同作用而使电网在新的频率下稳定运行[5-6]，如图1电网频率调节过程所示。

图1 电网频率调节示意图

2 水电机组调速系统特性

水电机组调速系统特性与火电机组不同，当系统频率下降时，水电机组的出力变化特性是先下降后上升，这种特性为水轮机的动态反调特性[7]。为验证本文仿真结论的正确性，在PSASP程序中建立水电机组调速系统模型，图2为本文所采用水电机组调速系统模型,表1为调速系统模型采用参数。

表1 调速系统模型参数

通过仿真所得曲线与录波曲线进行对比，判断本文所搭建的水电机组调速系统模型的正确性。图3为某水电机组在一次调频试验过程中的输出功率与导叶开度的仿真曲线与录波曲线。

由图3可以看出0~13s导叶开度为0，对应机组输出功率也为0；由于系统功率不平衡，受系统频率的影响，13~16s导叶开度从0上升到0.8，而机组输出功率先下降后上升。由此可以清晰地看到水轮机的动态反调特性，其反调特性对全部由水电机组构成的区域电网频率稳定性有很大的影响。

3 仿真分析

和田电网是典型的多水电电网，夏季水资源充足时，向新疆主网输送功率（其网络示意图如图4所示）。目前通过单回286.3km的220kV玉莎线和单回167.87km的110kV叶皮线（正常方式下断开备用）与主网相连，距离主系统2000km以上，与主系统联系极其薄弱，网内统调发电机组总装机虽然达到284MW，但电源结构不合理，73.9％的电源为水电机组（波波娜水电站：3×50MW，乌鲁瓦提水电站：4×15MW），且受季节变化影响，存在“以水定电”问题。

图2 某水电机组调速系统模型

图3 某水电机组调速系统特性曲线

图4 和田电网网络示意图

本文以和田电网为研究对象，220kV玉莎线断线,和田电网孤网运行时，分析水电机组调速系统对孤网频率稳定性的影响。故障前波波娜水电机组和乌鲁瓦提水电机组满出力，220kV玉莎线上网功率为65MW。

3.1 全部水电机组调速系统不参与调节

220kV玉莎线断线后，和田电网出现功率富裕，孤网内频率将上升，安全自动装置动作切除部分机组。假设网内发电机组都没有调节效应，网内频率变化只能通过切除机组和负荷调节效应来调节。而负荷调节效应只能在小范围内调节，此时只能通过安全自动装置动作切除机组，使功率平衡、频率稳定在合理范围内。图5为切除孤网内部分机组出力（65MW）后孤网内频率和各机组出力曲线。

图5 全部调速系统不参与时特征曲线

由图5可知，孤网系统中水电机组调速系统不参与调节时孤网内安全自动装置动作切除过剩的功率。在水电机组调速系统不参与调节时系统中的频率不会发生大的波动，通过负荷调节效应使系统中的频率稳定在合理范围内。同时各水电机组出力只在解网时有一个大的波动，很快恢复到原始出力保持出力不变。

3.2 波波娜调速系统投、乌鲁瓦提调速系统不投

假定波波娜水电机组调速系统具有调节效应，乌鲁瓦提水电机组调速系统不具有调节效应。孤网内频率变化，通过安全自动装置切除部分过剩功率，其他过剩功率通过水电机组调速系统和负荷调节效应同时参与调节，使孤网内频率在合理范围内波动。图6为安全自动装置动作切除机组部分出力57.5MW后孤网内频率及水电机组出力的仿真曲线。

图6 波波娜参与、乌鲁瓦提不参与时特征曲线

从图6可以看出，波波娜水电机组调速系统参与调节，乌鲁瓦提水电机组调速系统不参与调节时，孤网内频率会产生波动，最高频率达51.04Hz，最低频率为49.13Hz。波波娜水电机组出力在额定出力以下波动，而乌鲁瓦提水电机组出力在额定出力上下波动。由此可得水电机组调速系统在调节系统频率的同时引起系统中另外水电机组出力的波动。

3.3 波波娜调速系统不投、乌鲁瓦提调速系统投

假定波波娜水电机组调速系统具有调节效应，乌鲁瓦提水电机组调速系统不具有调节效应。孤网内频率变化，通过安全自动装置切除部分过剩功率，其他过剩功率通过水电机组调速系统和负荷调节效应同时参与调节，使孤网内频率在合理范围内波动。由于波波娜水电站装机容量（3×50MW）比乌鲁瓦提水电站装机容量（4×15MW）大。因此乌鲁瓦提水电机组调速系统的调节能力要比波波娜水电机组调速系统的调节能力弱。在系统中只有乌鲁瓦提水电机组调速系统参与调节时，安全自动装置要切除更多的机组出力才能使系统频率在一合理范围内波动。图7为安全自动装置动作切除机组部分出力60MW后孤网内频率及水电机组出力的仿真曲线。

图7 波波娜不参与、乌鲁瓦提参与时特征曲线

从图7可以看出，乌鲁瓦提水电机组调速系统参与调节，波波娜水电机组调速系统参与调节时，孤网内频率会产生波动，最高频率达50.9Hz，最低频率为49.87Hz。波波娜水电机组出力在额定出力上下波动，而乌鲁瓦提水电机组出力在额定出力以下波动。对比图6和图7可得，水电站的装机容量越大对孤网频率调节能力越强，但是频率及发电机组出力波动比较大，对孤网的冲击影响比较大。

3.4 全部水电机组调速系统参与调节

假定波波娜水电机组、乌鲁瓦提水电机组的调速系统都参与孤网频率调节。孤网内频率变化通过安全自动装置切除部分机组出力、水电机组调速系统和负荷调节效应来共同调节。图8为安全自动装置动作切除机组部分出力后孤网内频率及水电机组出力的仿真曲线。

从图8可以看出，当孤网中所有水电机组调速系统都参与频率调节时，孤网内频率波动特别大。孤网内所有水电机组调速系统都参与频率调节有可能导致水电机组调速系统调节过度，使孤网内频率下降特别厉害，引发低频减载装置动作。

图8 全部调速系统都参与时特征曲线

通过对孤网内水电机组调速系统是否参与孤网频率调节仿真分析，可以得出孤网内水电机组的调速系统对网内频率稳定影响特别大；不同装机容量的水电站对孤网内频率调节能力不同，从而影响安全自动装置的动作情况。孤网内所有水电机组都参与频率调节时可以提高系统对频率的调节能力，但是孤网内频率波动较大，同时对各水电机组调速器配合以及参数设置要求比较高。

4 结论

通过对和田电网仿真分析可得在孤网运行时水电机组的调速系统对孤网频率稳定性影响比较大。本文得出以下结论：

（1）当地区电网中大部分负荷是由水电机组供应时，由于水电机组调速系统的动态反调特性影响使地区电网与主网解列后的频率稳定性降低。应尽快在地区电网内建设火电机组，利用火电机组一次调频作用中和水电机组动态反调特性，提高地区电网与主网解列后频率稳定性。

（2）不同装机容量的水电站对孤网内频率调节能力不同，水电机组调速系统参与孤网频率调节时安全自动装置配置要考虑水电机组调速系统的调节能力。

（3）孤网内各水电机组都参与频率调节时可以提高系统对频率的调节能力，但是孤网内频率波动较大，同时对各水电机组调速器配合以及参数设置要求比较高。

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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

国家自然科学基金项目（51267017）；教育部创新团队项目（IRT1258）

申盛召（1988-），研究方向为电力系统稳定与控制，硕士研究生。

审稿人：李桂芬