海南“大机小网”孤网运行方式下频率特性研究

黄汉昌，张 宇，李 献，张忠华，祁永福，王建华，毛李帆

(1.海南电网有限责任公司，海南 海口 570203；2.中国电力工程顾问集团公司 东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130021)

海南“大机小网”孤网运行方式下频率特性研究

黄汉昌1，张 宇2，李 献1，张忠华2，祁永福1，王建华2，毛李帆1

(1.海南电网有限责任公司，海南 海口 570203；2.中国电力工程顾问集团公司 东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130021)

以海南电网以及昌江核电站为例，首先计算频率特性K值；然后，在孤网运行时，不同负荷水平下，分析损失核电机组对孤网频率的影响，并提出核电机组损失的频率控制措施。计算结果表明：同一负荷水平下损失不同出力的核电机组，对应的频率特性K值基本为一恒定值；不同负荷水平下，K值与负荷水平呈正比关系。因此，为避免孤网状态下损失核电机组所需切负荷量构成电力安全事故，可在事故前限制核电机组出力，并建议海南电网孤网运行时仅投入1台核电机组。

频率特性；大机小网；孤网运行；频率控制

海南电网结构较为薄弱，主网架采用220 kV电压等级，作为负荷1 000～5 000 MW的省级电网，目前，仅通过1回500 kV海底电缆与南方电网相连。在联网线检修停运或事故跳闸后，海南电网将成为孤网。当昌江核电接入后，大容量机组(2×650 MW，约占目前海南统调负荷的1/3)将使得“大机小网”现象成为影响电网安全运行的重要因素。在联络线检修或故障时的孤网条件下，这一特性更将成为制约电网安全稳定运行的重中之重，其主要表现为由损失核电机组引起的电网低频失稳问题[1-2]。

电力系统频率特性是电力系统第二道防线(安全自动装置)、第三道防线(低频减负荷装置)等进行整定的依据。孤网运行时电网损失核电机组，可采取快切负荷措施，或依靠第三道防线的低频减载措施，按频率分轮级切除负荷，避免海南电网出现频率崩溃。研究核电机组不同开机方式、系统不同负荷水平情况下，核电损失单机、双机情况下系统频率变化以及需切负荷量，有助于了解海南电网孤网运行时的频率特性，指导昌江核电安稳装置的配置及整定值设置。

笔者主要分析海南电网孤网运行时，损失核电机组对其安全稳定状况产生的影响，运行方式选取大、小负荷2种典型方式，负荷分别选取2016—2018年这3个水平年。为分析海南电网孤网运行时频率特性对核电出力的敏感性，对核电机组出力分别按照100%，75% FP考虑。

1 频率特性K值参数计算

电力系统的电能生产与消费同时进行，系统所提供的电源功率需与功率消耗相匹配。当电力系统的有功功率平衡突然遭到破坏时，系统的频率将从正常的稳定值过渡到另一个稳定值。这种频率变化过程反映了系统的频率动态特性，频率特性可反映功率变化对频率变化的对应关系[3]。

电力系统的频率特性与发电机组出力和调速系统、负荷的大小和特性等因素有关。对于大机小网系统，一方面损失大容量机组引起的有功功率差额大，另一方面系统频率调节特性相对弱，因此系统频率波动幅度大。定义K值来反映所损失机组的容量对电网频率变化的影响，其物理含义为引起系统单位频率变化所需的机组容量[4]，即

K=|ΔP/ΔF|。

(1)

式中 ΔP为系统功率变化量；ΔF为系统频率变化量。

负荷频率静态特性不同种类的负荷对频率的变化关系各异，当分析计算海南电网孤网方式下的系统频率变化时，系统变电站及厂用电负荷采用恒阻抗、恒电流、恒功率并计入频率因子的综合静态负荷模型，具体参数如表1所示。

表1 海南电网稳定计算负荷模型参数

2 损失核电机组对孤网频率的影响分析

2.1 损失1台核电机组

孤网运行时海南电网损失1台核电机组后的频率偏差计算结果如表2所示，可以看出，同一负荷水平下，孤网运行方式下损失不同出力的核电机组时，对应的K值基本为一恒定值。而对于不同负荷水平，K值与负荷水平呈正比关系，即海南电网负荷水平越大，引起系统发生1 Hz频率偏差所需的机组容量越大，故而损失1台核电机组后，小负荷方式下引起的频率偏差变化值更大[5-6]。

综合表2的计算结果，得出损失1台核电机组容量占总负荷的百分比与对应频率偏差之间的关系曲线，如图1所示。由图1可见，不同负荷水平下海南电网孤网运行时，损失核电1台机组容量占总负荷的百分比值与引起的频率偏差值之间基本形成一条带有斜率的直线，即任何负荷水平下，损失机组容量百分比与频率偏差之间基本呈线性关系，即机组容量占全网负荷比例越大，损失该机组导致的系统频率偏差就越大。

表2 孤网方式下1台核电机组失磁故障后频率偏差值(不计调速器作用)

注：括号中百分数表示机组出力与额定出力的百分比

图1 损失1台核电机组频率偏差曲线

2.2 损失2台核电机组

孤网运行时海南电网损失2台核电机组后的频率偏差计算结果如表3所示，所得结论与孤网运行时海南电网损失1台核电机组结论相同。即同一负荷水平下，孤网运行方式下损失不同出力不同数量的核电机组时，对应的K值仍基本为一恒定值。而对于不同负荷水平，K值与负荷水平呈正比关系，即海南电网负荷水平越大，引起系统发生1 Hz频率偏差所需的机组容量越大。同样，如图2所示，损失2台核电机组容量占总负荷的百分比与对应频率偏差之间的关系曲线亦为一带有斜率的直线，与孤网运行时海南电网损失1台核电机组结论相同。

表3 孤网方式下2台核电机组失磁故障后频率偏差值(不计调速器作用)

注：括号中百分数表示机组出力与额定出力的百分比

图2 损失2台核电机组频率偏差曲线

3 核电机组损失的频率控制措施分析

损失核电机组后，电源供给功率小于负荷功率需求，从两方面来研究控制措施：①紧急切负荷，减少负荷需求；②控制核电机组的正常运行出力，减小损失机组带来的功率差额值。

3.1 损失1台核电机组

3.1.1 事故后切负荷措施

孤网方式下，当1台核电机组发生失磁故障或采取切1台核电机组的措施后，海南电网将失去重要电源，会导致系统低频失稳，需采取切负荷措施以恢复频率稳定。

对于不同负荷水平方式下，核电机组失磁故障后不引起低频减负荷装置动作的最小切负荷量结果如表4所示，由此可知，当损失相同容量的核电机组，小负荷方式下的切负荷量略大于大负荷方式；从所需切负荷量与损失机组容量的比值来看，小负荷方式的比值要高于大负荷方式，这与K值相对于负荷水平变化的规律一致。

表4 孤网方式下损失核电1台机组后切负荷措施(不计调速器作用)

注：1. 表中机组出力与额定出力的百分比； 2. 表中括号内的百分数表示切负荷量与负荷水平的百分比

3.1.2 事故前限制核电出力措施

海南电网中核电单机容量较大(占统调负荷的12%以上)，采取事故后切负荷措施极有可能造成电力安全事故。如表5所示，在2016—2018年度各负荷水平下，当损失1台100%FP或75%FP出力的核电机组时，事故后所切负荷量可能构成一般或较大电力安全事故[7]。

表5给出了事故前核电压出力后，损失1台核电机组可构成一般和较大电力安全事故的阈值。如2016年丰小方式，当核电机组压出力幅度在26%FP及以下时，即机组出力在74%FP及以上，损失该机组所需切负荷量将构成较大电力安全事故；当核电压出力幅度在26%FP以上、54%FP及以下时，损失该机组将构成一般电力安全事故；当核电压出力幅度在54%FP以上时，损失该机组不构成电力安全事故。

对比表5中数据可得，小负荷方式下为使损失机组后所切负荷量不致引起电力事故，核电机组所需压出力的幅度较大负荷方式更大，与K值相对于负荷水平变化的规律一致[8]。

表5 核电不同出力孤网方式下损失1台核电机组的切负荷量

注：1. 表中机组出力与额定出力的百分比； 2. 表中括号内的百分数表示切负荷量与负荷水平的百分比； 3. 表中损失机组出力总和与 单台额定机组出力的百分比

3.2 损失2台核电机组后的措施分析

3.2.1 事故后切负荷措施

对于不同负荷水平方式下，核电机组双机故障后不引起低频减负荷装置动作的最小切负荷量结果如表6所示，所得结论与孤网运行时海南电网损失1台核电机组结论相同，即损失相同容量的核电机组时，小负荷方式下的切负荷量略大于大负荷方式；从所需切负荷量与损失机组容量的比值来看，小负荷方式的比值高于大负荷方式，系统失去核电双机的比值高于损失单台机组[9]。

表6 孤网方式下损失核电2台机组后切负荷措施(不计调速器作用)

注：1. 表中机组出力与额定出力的百分比； 2. 表中括号内的百分数表示切负荷量与负荷水平的百分比

3.2.2 事故前限制核电出力措施

如表7所示，在2016-2018年度各负荷水平下，当损失2台100%FP或1台75%FP及1台100%FP出力的核电机组时，事故后所切负荷量大多构成较大电力安全事故。

与孤网运行时海南电网损失1台核电机组结论同样，小负荷方式下为使损失机组后所切负荷量不致引起电力事故，核电机组所需压出力的幅度较大负荷方式更大，与K值相对于负荷水平变化的规律一致[10]。

此外，由表7可见，在各年度各负荷水平下，损失1台满出力核电机组所切负荷量基本至少构成一般电力事故，为保障海南电网安全稳定运行，建议在孤网状态下限制核电出力。

表7 核电不同出力孤网方式下损失2台核电机组的切负荷量

注：1. 表中机组出力与额定出力的百分比； 2. 表中括号内的百分数表示切负荷量与负荷水平的百分比； 3. 表中损失机组出力总和与单台额定机组出力的百分比

4 结语

计算分析表明：

1)海南电网孤网运行时，同一负荷水平下，损失1台或2台不同出力的核电机组，对应的K值基本为一恒定值。

2)对于不同负荷水平，K值与负荷水平呈正比关系，即海南电网负荷水平越大，引起系统发生1 Hz频率偏差所需的机组容量越大，故而损失相同容量核电机组后，小负荷方式下引起的频率偏差变化值更大。与此同时，损失核电机组容量占总负荷的百分比值与引起的频率偏差值之间基本呈正比关系，即机组容量占全网负荷比例越大，损失该机组导致的系统频率偏差就越大。

3)为避免孤网状态下损失核电机组所需切负荷量构成电力安全事故，可在事故前限制核电机组出力。计算结果表明，所需压出力的幅度与负荷水平有关，负荷水平越低，故障前所需压出力的幅度越大。

4)从核电机组自身安全角度出发，机组不宜在低功率(50%FP及以下)运行且运行功率不应频繁调整。因此，在海南孤网运行模式下，为避免损失核电机组引起较大事故的风险，建议仅投入运行1台核电机组。

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Research on frequency characteristics of small power system containing large capacity generator under isolated grid operation in Hainan province

HUANG Han-chang1, ZHANG Yu2, LI Xian1, ZHANG Zhong-hua2, QI Yong-fu1, WANG Jian-hua2, MAO Li-fan1

(1.Hainan Power Grid Co. Ltd, Haikou 570203, China; 2.Northeast Electric Power Design Institute, Changchun 130021, China)

Aiming at Hainan power grid and Changjiang nuclear power plant, the parameter K of frequency characteristics was calculated. Under isolated grid operation with different load levels, the influences of losing one or two nuclear generators for frequency was analyzed, and frequency control scheme for losing one or two nuclear generators was presented. Calculation results show that under the same load level, losing different outputting nuclear generators, the corresponding value K is basically constant, while under different load levels, the value K is proportional to load levels. Thus, in order to avoid safety accidents while losing nuclear generators under isolated grid operation, the generator outputting could be limited before the accident. And under isolated grid operation, running only one nuclear power plant is suggested in Hainan power grid.

frequency characteristics；small power system containing large capacity generator；isolated network operation; frequency control scheme

2016-04-28

张 宇(1989—), 女, 助理工程师，主要从事继电保护及安全稳定控制研究；E-mail: zhangyu@nepdi.net

TM712.3

A

1673-9140(2016)04-0188-07