電力系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定評估與控制研究.pdf

1、頻率是交流電力系統(tǒng)運行的一個重要指標，反映了有功發(fā)電與負荷的平衡情況。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)在遭受嚴重擾動導致系統(tǒng)發(fā)電-負荷出現嚴重不平衡時頻率能夠保持或恢復到允許的范圍內不發(fā)生頻率崩潰的能力，包括短期暫態(tài)頻率穩(wěn)定和長期頻率穩(wěn)定兩部分。早期小型區(qū)域電網備用有限，且與其他電網缺少互聯，機組切除等故障容易導致頻率發(fā)生嚴重偏移，頻率穩(wěn)定問題突出。隨著低頻減載等控制措施的普遍應用以及電網互聯程度的提高，區(qū)域電網間互

2、為備用，系統(tǒng)抗擾動能力逐漸增強，頻率穩(wěn)定一般不被認為是互聯電網的重要問題。但是，近些年來，由于電力系統(tǒng)復雜度的提高，隱性故障、連鎖故障等導致多處電網發(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)定運行的重要威脅之一。此外，風電接入電網的規(guī)模越來越大，風電的間歇性和嚴重爬坡事件對系統(tǒng)頻率響應和頻率穩(wěn)定的影響也日益顯著，需要準確把握電力系統(tǒng)頻率動態(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，頻

3、率穩(wěn)定本質上是有功平衡問題。電力系統(tǒng)無功-電壓動態(tài)會影響有功-頻率動態(tài)，導致頻率穩(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)無功備用充裕且勵磁系統(tǒng)調節(jié)能力較強時，有功不平衡故障導致的電壓偏移較小，無功-電壓動態(tài)對有功-頻率動態(tài)的影響較小。為降低問題的復雜度，簡化頻率響應計算，本文在暫態(tài)頻率穩(wěn)定評估與控制研究中忽略無功-電壓動態(tài)，從而更好地把握有功平衡與頻率穩(wěn)定之間的關系。本文采用理論分析與數值仿真的方法，對暫態(tài)頻

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

5、獨立性的平均系統(tǒng)頻率模型。針對頻率動態(tài)與有功動態(tài)密切相關的特點，提出了一種基于直流潮流的頻率響應模型，以研究頻率響應的分散性和頻率穩(wěn)定的獨立性。忽略無功-電壓動態(tài)對有功-頻率動態(tài)的影響，簡化負荷、發(fā)電機組、高壓直流輸電和雙饋感應風力發(fā)電機組等模型，并采用直流潮流模型模擬網絡以近似考慮頻率時空分布特性，能夠在分析系統(tǒng)頻率響應的同時分析機組和支路有功動態(tài)。該模型采用微分-代數方程組模擬，求解算法成熟，能夠根據需要擴展低頻減載、機組低頻保護、

6、超速保護、鍋爐、自動發(fā)電控制等模型。編制了基于改進歐拉法的仿真程序，并在3機9節(jié)點系統(tǒng)和福建電網上進行仿真。仿真結果表明，該模型能夠有效分析機組切除、負荷突變和線路切除等故障。該模型能夠準確分析系統(tǒng)有功-頻率動態(tài)，且計算量小，為電力系統(tǒng)有功-頻率動態(tài)分析提供了一種新方法。
　　 (2)針對暫態(tài)頻率穩(wěn)定評估的需求，提出了一種考慮機組低頻保護的暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標和評估方法。頻率穩(wěn)定的核心是有功平衡。嚴重的頻率下降會威脅系統(tǒng)設備的安

7、全運行，為保證機組安全，機組一般配置有低頻保護繼電器，以在系統(tǒng)頻率嚴重下降時切除并保護機組。然而，機組低頻跳閘會惡化系統(tǒng)功率不平衡，并導致系統(tǒng)頻率進一步下降，甚至可能引發(fā)其他機組連鎖跳閘，造成頻率失穩(wěn)。因此，本文認為機組因低頻保護跳閘是電力系統(tǒng)暫態(tài)頻率失穩(wěn)的必要條件，并據此提出了一種考慮機組低頻保護的暫態(tài)頻率穩(wěn)定裕度指標與評估方法。利用暫態(tài)頻率偏移安全性定量計算機組低頻保護的臨界擾動量，通過比較實際擾動功率缺額與臨界擾動量定義暫態(tài)頻率穩(wěn)

8、定裕度指標。為提高暫態(tài)頻率穩(wěn)定評估的在線實用性，本文對再熱汽輪發(fā)電機組進行適當簡化，推導了計及機組旋轉備用的頻率響應解析解，以快速求取系統(tǒng)頻率響應并計算暫態(tài)頻率穩(wěn)定臨界擾動量。以新英格蘭10機39節(jié)點為例評估了系統(tǒng)在正常運行狀態(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)與主網解列后的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性。仿真結果表明，該指標具有較好的線性度，反映了頻率穩(wěn)定與有功平衡密切相關的特點，能夠較好地評估系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定性，對于指導系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行

9、具有重要意義。
　　 (3)在暫態(tài)頻率穩(wěn)定評估的基礎上，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容?；趩宇l率和動作延時的傳統(tǒng)低頻減載方案應用廣泛，但傳統(tǒng)整定方法在無備用假設下進行整定，方案較為粗糙，適應性差。為提高低頻減載方案的適應性，本文將基本輪的啟動判據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。對于基本輪，利用

10、暫態(tài)頻率偏移安全性定量計算各輪次的臨界擾動量和切負荷量上限，利用啟發(fā)式搜索方法優(yōu)化整定基本輪各輪次的切負荷量，滿足系統(tǒng)最大擾動功率要求;對于特殊輪，在基本輪整定方案的基礎上利用靜態(tài)頻率特性計算特殊輪切負荷量上下限，并合理整定特殊輪輪數和各輪次的切負荷量。為克服忽略無功-電壓動態(tài)的缺陷，提高低頻減載方案的有效性，分析了電壓偏移對低頻減載的影響，提出了一種綜合頻率-電壓啟動判據，利用動態(tài)過程中的頻率和電壓信息指導低頻減載動作。以山東電網為例