西北送端大电网频率特性试验方法

孙骁强, 程 松, 刘 鑫, 段乃欣, 褚云龙, 李 华

(1. 国家电网公司西北分部, 陕西省西安市 710048; 2. 国网陕西省电力公司电力科学研究院, 陕西省西安市 710100)

0 引言

西北外送型电网已初具规模,电网频率安全管理面临新形势、新挑战。随着西北电网特高压直流输电工程的大量投产,电网运行与结构愈加复杂,系统功率平衡及调频难度不断加大。预计至2018年年底,西北电网将建成5条特高压直流外送通道,外送规模预计达到54.71 GW,直流大功率闭锁(相继闭锁)将对电网频率安全造成严重威胁[1-3]。华东电网“9·19” 锦苏直流双极闭锁事故的发生表明,亟须进行大电网频率特性实测分析研究[1],提升电网频率安全风险防控水平。

当前,大量的研究集中于频率偏差系数的优化计算及如何用于互联电网区域偏差控制[4-7],针对大电网频率特性试验的测试方法鲜有研究。2009年华中电网[8]、2012年及2015年西北电网开展了全网机组一次调频试验,但未针对电网频率特性进行实测分析。此外,工程实用中未明确区分电网频率静态、动态特性概念,实际应用中易发生混淆[9-11]。本文提出了一种西北送端大电网频率特性试验测试方法。该方法通过实际制造电网频率扰动方式,实测了西北全网频率动态特性及静态全特性,检验了网内常规电源机组一次调频动作性能,对提升西北送端大电网频率安全防控水平具有重要意义。

1 西北电网频率特性试验情况

2016年6月24日至25日,西北电网组织实施了上半年全网频率特性试验,本次试验参试常规电源机组219台,总计容量59.094 GW,共计完成了全网机组自动发电控制(AGC)退出模式下拉西瓦水电厂逐步增减1.4 GW试验、拉西瓦水电厂1.2 GW扰动试验等共计5项试验项目,其中试验项目一、三、四、五为频率阶跃扰动试验,用以分析西北电网频率动态特性,试验二为频率斜坡扰动试验,用以分析西北电网频率静态特性。

1.1 频率扰动实现方式

拉西瓦水电厂为网内容量最大水力发电厂,全场容量3.5 GW,共装有5台发电机组,单台机组容量0.7 GW,站内接线为单元接线方式。通过打跳同单元内两台机组以及逐步增减(调速器电手动方式)同单元内两台机组出力方式,实现西北电网频率特性试验频率扰动源。

为了保证试验期间初始工况满足要求,试验期间指定网内李家峡水电厂为全网第一调频厂,进行各试验项目初始频率的调整及试验结束后频率的恢复。

频率扰动发生后,全网3 min内不得人工调整机组出力(包括第一调频厂),进行试验数据记录,3 min后,第一调频厂不待调令迅速恢复系统频率至(50±0.10)Hz以内。

试验扰动期间,为了保证频率不越限,采取了频率异常控制措施,具体为:当系统频率超出(50±0.15)Hz,第一调频厂不待调令恢复系统频率至(50±0.10)Hz以内;当系统频率超出(50±0.18)Hz,西北电力调控分中心所有直调水电厂不待调令恢复系统频率至(50±0.10)Hz以内。

1.2 系统频率波动过程分析

1.2.1频率阶跃扰动试验

试验项目一、三、四、五频率阶跃扰动试验过程中的各项参数见附录A表A1。

1.2.2频率斜坡扰动试验

试验项目二共进行了4组拉西瓦水电厂逐步增减出力频率斜坡扰动试验,各项参数如附录A表A2所示。

2 电网频率特性

2.1 系统频率静态特性

2.1.1频率静态特性

频率静态特性系数β是电力系统固有的频率特性系数,由发电机一次调频特性和负荷静态频率特性共同决定,反映了功率与频率的静态变化关系,用该系数表征系统频率的静态特性[12]。图1所示为电网发生大功率扰动后的实际频率曲线,其中A点为频率起始点,表征电网发生功率缺额前的初始频率,B点为频率极值点,表征电网发生功率缺额后的极值频率,C点为频率稳态点,表征电网发生功率缺额后的稳态频率。A,B,C三点确定方法见文献[13]。

图1 试验五全网频率曲线Fig.1 Frequency curve of whole network during the fifth test

电力系统静态频率特性的物理意义为电力系统发生功率缺额ΔP与其发生后的频率稳态偏差Δf∞(功率缺额发生时的频率与发生后频率稳态值之差)的相对值之比[8],表征电网发生功率缺额后频率恢复稳定的能力。定义Ks表示系统的频率静态特性系数,其由发电机的静态特性系数KG和负荷的静态特性系数KL组成,其表达式为:

(1)

Ks=KG+KL

(2)

式中:PN0和fN0分别为系统发生功率缺额前的总负荷和频率。

实际应用中,Ks是设计事故频率控制系统和实施频率控制考核的重要参数,决定了电网一次调频与联络线控制的协调性。

2.1.2频率静态全特性

由于并网发电机组一次调频频率死区、限幅的存在,频率静态特性系数根据频率区域的不同呈现分段特性。实际应用中,仅用一个以频率静态特性系数β为斜率的直线关系来反映电网功率与频率的静态特性具有片面性,对电网频率的控制效果带来影响,因此实测频率静态全特性具有重要意义。

2.2 系统频率动态特性

电力系统的频率动态特性是指系统发生功率缺额而产生频率下降(或上升)的过程。根据电路动态过程的经典理论,电力系统动态频率特性是一条按指数归类衰减的曲线[14],公式如下:

(3)

式中:f*为功率缺额后t时刻的系统频率;f0*为功率缺额起始时刻系统频率;Δf∞*为功率缺额发生后稳态频率与起始频率之差;Tf为系统频率下降时间常数。

Tf与整个系统的转动部分机械惯性时间常数Tx有如下关系:

(4)

式中:PFe为系统机组出力;PFHe为系统负荷;ΔPF*为机组出力变化;ΔPFHe*为系统负荷变化。

由式(3)和式(4)可知,当系统发生功率缺额后,频率的下降速度取决于转动部分机械惯性时间常数,即与系统的转动部分机械惯量有关。

3 西北电网频率特性实测分析

3.1 西北电网频率静态全特性实测分析

3.1.1实测分析方法

由于并网机组一次调频死区的存在,系统频率静态全特性呈现分段特性。根据电网运行准则,火电机组一次调频死区设置为±0.033 Hz,水电机组一次调频死区设置为±0.05 Hz。

为了实测西北电网频率静态全特性,利用拉西瓦水电厂定步长增减出力的方式,分段测定电网的频率静态特性系数。选取电网在多个稳定工况点频率与功率的对应关系,通过数据拟合,曲线斜率取平均值就是电网频率静态特性系数值。具体步骤如下(以逐步增加出力为例)。

1)全网机组AGC功能退出,令拉西瓦水电厂5号、6号机组各带0 MW出力,令第一调频厂(李家峡水电厂)将系统频率调整至49.98～50.02 Hz并保持稳定约1 min。

2)通过拉西瓦水电厂2台0 MW出力运行机组快速增出力(调速器电手动方式)推升电网稳定频率。电网频率在49.96～50.04 Hz时,步长为100 MW,每次增负荷结束,稳定10 s;电网频率超出49.96～50.04 Hz时,步长为200 MW,每次增负荷结束,稳定20 s,逐步使电网频率推升至50.08 Hz以上。

3)通过拉西瓦水电厂机组快速减出力(调速器电手动方式),按上述调节步长及稳定时间要求,逐步使电网频率拉低至49.98～50.02 Hz。

4)本组试验结束后,西北电力调控分中心通知第一调频厂频率正常调整。

在千岛湖“保水渔业”产业发展大会上，一系列重要举措被提上日程：“中国大水面生态净水研究中心”正式落户千岛湖，针对千岛湖地区特点和产业发展需求，开展共性关键技术的研发与示范推广；“中林两山学院”挂牌成立，为培训和普及千岛湖“保水渔业”提供渠道；与上海海洋大学、浙江海洋大学、浙江工业大学等高校合作，培养更多的千岛湖渔业产业人才。

3.1.2实测结果

试验项目二中,分别通过2次拉西瓦机组快速增加和减少出力,使系统频率升高和频率降低,实测电网在多个稳定工况点频率与功率的对应关系,具体见附录A图A1和图A2。通过曲线拟合,得到全网静态全特性如图2所示,得出电网频率在(50±0.035)Hz范围内外,电网频率静态特性有着明显差别,其中红实线表示实测结果。

图2 西北电网频率静态全特性示意图Fig.2 Schematic diagram of frequency and static characteristics of northwest power grid

1)在(50±0.035)Hz范围内,频率静态特性系数在-300 MW/0.1 Hz左右。

2)在(50±0.035)Hz范围以外,频率静态特性系数在-3 000 MW/0.1 Hz以上。需要特别说明的是,试验项目二第4组测试中,低频回调过程中因拉西瓦5号、6号机组调速器手动方式异常,导致测试数据缺失一组。

3)虚线部分为西北电网频率静特性的分析结果,其中虚线折线部分是考虑并网火电机组一次调频限幅的影响。

3.2 西北电网频率动态特性实测分析

由式(4)可知,系统频率下降时间常数与较多因素有关,实际计算较困难。在工程实际中,多重点关注扰动动态过程中频率极值与系统扰动量的关系,用以表征系统频率抵御功率扰动的能力,定量表征电网机械惯量水平。定义电网频率极值特性系数βm,用来反映电网频率极值与功率扰动量的对应关系,用该系数近似表征系统频率动态特性,具体公式表达为:

(5)

式中:fmax为电网功率大扰动过程中的频率极值,具体为频率上扰过程的最大频率或频率下扰过程的最小频率;f0为频率扰动过程的起始频率。

频率大扰动过程中,通过机组一次调频动作及机组惯性将系统频率调至极值,随后逐步恢复,因此,为了更加准确地体现出系统频率动态特性,并更加精准地计算功率扰动量与频率极值关系,f0应为考虑火电机组一次调频死区影响后的频率初值,具体为:若f0至fmax经过火电一次调频死区,则f0应取为49.967 Hz(低频扰动)或50.033 Hz(高频扰动);若f0初始在(50±0.033)Hz外,则f0为实际频率初值。

表1 频率极值特性系数βm实测分析Table 1 Analysis of frequency extreme characteristic coefficient

由表1可知,西北电网频率极限特性系数βm为1 500 MW/0.1 Hz,即电网发生1 500 MW功率扰动时,系统频率最大变化0.1 Hz。

4 西北电网常规电源机组一次调频性能实测分析

本次西北电网频率特性试验期间,通过试验项目一、三、四、五的4次频率阶跃扰动,完成了全网单机0.2 GW及以上火电机组、单机0.05 GW及以上水电机组一次调频性能实测分析。

4.1 一次调频性能统计分析方法

4.1.1单次试验项目机组一次调频性能评价标准

按照文献[15]中一次调频专业管理技术指标,通过积分电量合格率指标判定机组单次试验项目下一次调频性能[16],即积分电量合格率为机组60 s实际积分电量与机组60 s理论积分电量的比值。其中,火电机组一次调频合格率大于60%,水电机组一次调频合格率大于50%,认定机组本次频率扰动一次调频动作性能合格。

4.1.2机组一次调频性能综合评价标准

通过统计4次频率大扰动(试验项目一、三、四、五)期间机组一次调频性能不合格次数,对机组一次调频性能进行综合评价认定,具体评价标准见附录A表A3。

4.2 全网常规电源机组一次调频性能实测分析

4.2.1全网火电机组一次调频性能实测分析

本次西北电网频率特性试验期间,全网单机0.2 GW及以上火电机组共计124台参试,其中合格机组台数93台,合格率75%。不同容量机组一次调频统计分析结果见附录A表A4。

实测发现火电机组一次调频存在的共性问题为:①额定负荷工况下机组一次调频增负荷方向能力不足;②在顺序阀或混合阀方式下,机组在特定负荷段运行时,阀门重叠度较高,未能有效避开阀门不灵敏区[17];③机组一次调频能力易受负荷工况影响,当机组运行工况偏离额定参数时,一次调频能力不足。

4.2.2全网水电机组一次调频性能实测分析

本次西北电网频率特性试验期间,全网单机0.05 GW及以上水电机组共计59台参试,其中合格机组台数42台,合格率71.19%。不同容量机组一次调频统计分析结果见附录A表A5。

实测发现水电机组一次调频存在的共性问题为:①水电厂机组调速器运行于开度模式,普遍存在一次调频与监控系统闭环不协调问题[18];②部分小水电机组调速器老旧,亟须升级改造。

5 试点光伏逆变器一次调频性能实测分析

仿照常规电源机组一次调频功能,通过修改网内4台光伏试验逆变器控制逻辑,完成有功—频率下垂特性曲线,实现光伏逆变器参与电网一次调频功能。本次全网一次调频试验期间,通过提前预留光伏逆变器10%有功备用方式,完成了4台试验光伏试验逆变器一次调频性能验证。试验逆变器一次调频实测波形如图3和图4所示。图中，Ppv和Ppvref分别为光伏逆变器功率和理论动作功率。

选取试验项目三、试验五2次电网频率阶跃扰动数据,从响应时间、调节速率、60 s积分电量完成率3个指标对比光伏逆变器与常规机组一次调频响应能力,分析结果见附录A表A6。由分析结果可知:试验光伏逆变器一次调频响应时间与火电、水电机组大致相当(3～5 s),调节速率整体上优于火电机组,与水电机组相当,具备参与电网一次调频能力。需要说明的是:本次试验期间,光伏逆变器通过提前预留有功备用方式完成电网低频响应。实际运行中,不考虑逆变器加装储能装置,若未提前预留有功备用,光伏逆变器仅可参与电网高频减出力快速调节。

图3 吴忠十六光伏53号逆变器测试波形Fig.3 Test waveforms of No. 53 inverter of Wuzhong-Shiliu photovoltaic power plant

图4 恰龙光伏2号逆变器测试波形Fig.4 Test waveforms of No. 2 inverter of Qialong photovoltaic power plant

6 结论

本文提出了一种电网频率特性试验测试方法。该方法利用水电厂快增、快减出力方式制造电网斜坡式频率扰动,通过稳定工况点频率与功率的对应关系,以数据拟合方式实测完成西北电网频率静态全特性。同时,该方法利用打跳网内单元接线内2台大型水电机组方式制造电网实际频率大阶跃扰动,实测了西北全网频率动态特性,检验了网内常规电源机组一次调频动作性能,有如下结论。

1)该方法是一种实用化的电网频率特性试验测试方法,可实测电网频率静态及动态特性,填补了以往频率特性实测试方法的空缺,而且实验过程安全稳定,可行性高。

2)电网频率静态特性因常规电源机组一次调频死区呈现分段特性。实测表明,在(50±0.035)Hz频段内,频率静态特性系数为-300 MW/0.1 Hz,在(50±0.035)Hz频段外,频率静态特性系数为-3 000 MW/0.1 Hz。

3)实测表明,西北电网频率极限特性系数为1 500 MW/0.1 Hz,即电网发生1 500 MW功率扰动时,系统频率最大变化0.1 Hz。

4)实测发现,利用水电厂机组逐步增减出力过程中,调节步长大小、稳定时间长短的合理选取,对全网频率静态全特性测试结果有较大影响,有待进一步深入分析。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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