大擾動下缺額功率分配及頻率分布特性研究

荀道玉, 郝思鵬

(南京工程學院 電力工程學院,江蘇 南京 211167)

0 引 言

頻率穩定是電力系統穩定運行的關鍵指標。目前,我國新能源發電裝機規模居世界第一,發電比例穩步提高。截至2022年4月底,新能源發電裝機容量大幅增長,同比增長20.5%。隨著新能源滲透率提高,傳統火電機組占比不斷下降,電力系統慣量水平持續降低,頻率穩定支持能力下降[1]。至2020年底,我國成功投運“十四交十六直”30個特高壓工程,跨省跨區輸電能力達1.4億kWh時。特高壓交直流輸電提升了線路的傳輸容量,也提高了擾動的沖擊性。兩者相互疊加進一步放大了電力系統頻率失穩的風險。

國內外對頻率穩定方面取得了一定的成果。單從慣量角度分析:文獻[2]以時間尺度為原則,從離線評估、在線估計以及趨勢預測三個方向來評估電力系統的整體慣量的時空分布特性;文獻[3]和文獻[4]創新提出節點慣量特性的概念,前者基于慣性時空特性進行辨識電力系統節點計算慣量大小,后者則從電網結構和參數角度分析系統的慣量分布特性,得出節點計算慣量的解析表達式,并研究區域間慣量的相互影響。綜合慣量與系統頻率的關系看:文獻[5]從不同系統出發,探究新能源機組慣量特性以及慣量分布對頻率穩定性的影響;文獻[6-12]針對多起停電事故這一現狀進行分析,事故造成頻率大幅跌落,誘發一系列連鎖故障;文獻[13]側重于研究解決慣量水平下降引起系統頻率調節能力降低問題的方法,歐洲電網從增加系統慣量和實時監控角度提出一系列應對措施;文獻[14]提出頻率空間存在分布性差異,基于慣量量度指標反應提出改善各點頻率的最大偏移量和變化率兩個特征值的有效措施;文獻[15-19]為應對系統慣量降低,調頻能力不足等問題,提出一次調頻和二次調頻綜合控制策略方案以提高電網頻率穩定性;文獻[20]側重于發生擾動時不同負荷類型對頻率穩定性的影響。

目前個別學者雖已提出節點慣量和節點頻率的觀點,但缺乏針對系統不同節點慣量、頻率分布特性的定量描述以及擾動點附近的附加連鎖故障的研究。新能源(海上風電)并網增加了系統調頻困難。本文從分布慣量調頻的角度,分析了電網中擾動點缺額功率分配規律、節點頻率分布特性以及在新能源(海上風電)機組附近產生的連鎖反應,并在此基礎上提出考慮網架結構不同的分區域方法,為大規模海上風電接入后系統調頻措施提供支撐。

1 擾動功率大小分配

特高壓交直流輸電線路上大功率擾動事件增多,有功功率損失引起節點的頻率響應特性發生很大的變化,系統中的發電機組無法迅速響應擾動功率的波動,系統就會發生頻率失穩的現象?；陔娋W結構參數對缺額功率分配重點研究并猜想提出:缺額功率的分配與電氣距離有關。

1.1 擾動功率分配原理

在兩機系統中,擾動功率從擾動點向線路兩側分布輸送到兩側發電機組?？紤]線路各節點電壓角度差變化不大時(額定電壓附近),擾動功率ΔP可近似為ΔI,即電網某點K處發生功率擾動時,不平衡功率相當于給電路施加一個反向電流源,該反向電流由擾動點K向兩側電路分流,電流大小與電網結構參數線路阻抗成反比,分配功率大小與電流大小呈正相關。當發電機內部阻抗較線路阻抗可以忽略不計時,改變節點K到兩區發電機的線路參數(即電氣距離),分析擾動后產生的功率分配與電氣距離的關系。

1.2 擾動功率分配模型

研究考慮發電機內電勢功率分配模型,如圖1所示。計及發電機內電勢的不平衡電流分配公式如下:

(1)

圖1 考慮發電機內電勢的功率分配等效圖

不平衡功率分配情況等同于上述電流分配情況,缺額功率分配與線路阻抗參數成反比。因此鄰近機組拾取的分配功率比較大,較遠機組拾取的分配功率較小。這為電網分析確定擾動的位置、掌握功率分布情況提供了理論指導。

2 擾動大小對各點頻率的影響

電力系統穩態運行時,用系統任一節點量測到的頻率來表征系統的頻率。但電力系統時刻發生各種大擾動和小擾動,在電網不同節點位置發生有功功率擾動后引起節點的頻率發生偏差[21],用節點頻率變化率(節點處不平衡功率的大小與發電機慣量的比值)刻畫偏差程度。在不同節點的位置點測量到的頻率跌落大小不一樣,電網中頻率變化率呈現分布特性。

頻率變化率具有分布特性。單個機組頻率跌落的大小與擾動功率大小以及發電機組慣量有關,擾動產生的不平衡功率越大,機組的慣量越小,響應的頻率變化率就越大。一旦頻率跌落至低頻減載保護裝置整定值,減載動作將引發系統大面積停電。因此,研究頻率變化率的分布特性至關重要。

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定義電網中節點K的頻率變化率為節點K處發生功率擾動后,擾動功率的大小與所加發電機的慣性時間常數的比值有關。

3 新能源并網下各擾動點產生的附加連鎖反應

隨著新能源的快速發展,傳統火電機組比例顯著下降,電網中可提供的慣量持續下降,再加上電網出現單線路故障,產生較大功率缺額,兩者引起系統頻率大幅下降。當線路故障附加新能源保護連鎖反應,進一步加大擾動大小,將導致頻率進一步下降,一旦下降超過新能源機組的頻率變化保護動作閾值(0.125 Hz/s),導致機組再次脫網,加劇系統頻率大幅跌落,產生連鎖反應誘發一系列低頻減載動作。

為了確保電網穩定運行,提高新能源機組的慣性響應特性,采取了一系列新能源參與頻率控制技術[22]。但電網中新能源機組經過層層升壓,阻抗放大數倍后,等同于遠距離機組,當電網線路某點發生擾動后的暫態過程中,遠端機組(擾動點與發電機組之間線路阻抗較大)由于端口電壓波動較小,勵磁調節不起作用,發電機內阻抗一般為穩態電抗,再加上線路阻抗較大。因此遠端機組分配的功率較小,即使遠端機組具有較大的慣量,頻率變化率較小,對該點的頻率支撐能力較小,因此電網的虛擬慣量支撐能力極其有限。

4 仿真分析

4.1 擾動功率分配

理論分析可知:缺額功率分配與線路阻抗成反比。為了驗證所提結論的有效性,本文采用時域仿真軟件BPA建立如圖2所示的四機兩區系統模型。圖2中:兩區之間線路K點(母線7)切負荷,模擬線路上發生功率擾動(規定:區域一為發電機1和2,區域二為發電機3和4)。

圖2 IEEE四機兩區系統圖

由發電機內部阻抗與線路阻抗比值量級可得出:當線路長達400 km及以上時,不平衡功率分配以線路阻抗為主,僅研究線路長達400 km以上的模型即不平衡功率分配以線路阻抗為主。

表1為四機兩區系統的參數值,設置系統基準容量均為900 MVA。

表1 四機兩區系統參數

在仿真驗證中,通過加大擾動點K與區域2的發電機組的電氣距離(即不斷增大節點K與區域2的阻抗)得出:點K分配到區域2的功率越來越小,功率大小和阻抗大小近似成反比。因此,該仿真結果與理論分析結果相一致。

4.2 頻率變化率分布特性

發電機轉子的轉速和母線頻率下降的快慢與發電機慣量大小和擾動的功率分配相關。擾動點分配的不平衡功率分配上文已具體研究,簡單了解發電機慣量。

(2)

以上公式只適用于系統慣量或者區域慣量是一致的情況,在實際電力系統運行中,慣量具有分布特性,相應的節點頻率變化也具有分布特性。理論推導中假設不考慮發電機勵磁調節器的作用,發電機空載電動勢Eq為常數,將系統的狀態方程在平衡點線性化可得式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式(3)和式(4)即為系統某點發生功率擾動時,擾動功率大小、慣性時間常數和頻率變化率之間的關系。

在時域仿真軟件BPA中建立如圖3所示的兩機五節點系統仿真模型分析頻率跌落具有分布特性。上述模型中,兩臺發電機位于母線1、2處,發電機為考慮阻尼繞組的次暫態模型,基準容量100 MW, 發電機1機端母線1可看作是無窮大母線,發電機2機端電壓為13.8 kV位于母線K處接有恒阻抗負荷90 MW。系統參數設置具體如表2所示。

表2 兩機五節點系統參數

圖3 IEEE兩機五節點系統圖

算例中:在發電機1與發電機2中間一條線路母線K處切除負荷后,觀察發電機2的功率變化以及頻率跌落情況;在另一條線路上不同節點插入母線,觀察各節點處母線偏差。由圖4(頻率偏差最大為母線6,最小為母線5)可以看出,仿真與理論分析結果相一致。節點K處受到功率擾動時,線路上各節點測量到的頻率跌落大小不一樣,電網中頻率變化率呈現分布特性,低慣量機組附近的頻率偏差較大。

圖4 不同節點頻率偏差曲線

接著調整兩臺發電機慣量一致,不斷改變節點K在線路上的位置(距離發電機2由近到遠)。

驗證分析時,為了避免測量的偶然性,取擾動發生后初始0.2 s內的數據(僅考慮系統產生偏差功率后頻率變化最為劇烈的初始時間段)。根據式(3)、式(4)(假設Eq恒定,U取故障處的母線電壓)計算。仿真結果如表3所示。

表3 線路測量點的頻率變化率

由圖5可知:兩臺發電機等慣量時,由故障點到發電機2機端距離越小,頻率偏差越小,故障節點K處初始頻率偏差最大,故障點到發電機端線路上各節點頻率偏差逐漸減小;即發電機2對電網頻率響應支撐能力就越強。近端發電機對故障點的頻率支撐能力比較強,遠端發電機對故障點的頻率支撐是比較薄弱的。

圖5 不同測量點的頻率變化率

4.3 分析討論

上述算例屬于聯系緊密的小型電網,電網運行時同步性較強,推想:在一個大電網系統中,發生擾動后的暫態過程中,頻率變化量最大通常發生在閉鎖換流站附近的小機組和遠處的大機組之間。根據電網頻率變化率分布情況,提出區域慣量調頻提高新型電力系統的慣量支撐能力。

5 結束語

針對電網慣量下降且分布不均、線路發生擾動的風險增加,頻率分布差異顯著,本文采用兩機系統和四機兩區系統進行推導驗證,得出如下結論。

(1) 故障點處發生擾動后,擾動功率由該點向兩側線路分布,兩側拾取功率大小與阻抗(線路阻抗與發電機內部暫態電抗之和)成反比。

(2) 發生擾動后電網各節點的頻率響應變化率具有分布特性。

(3) 虛擬慣量支撐能力有限,需配置更合理的頻率變化保護閾值,避免附加連鎖故障。

本文為后期新能源并網慣量調頻措施的研究具有一定參考價值。一方面,在計及儲能的新能源并網控制研究中,選取頻率偏差較大的點作為儲能并網點,增強并網點的電網強度和頻率變化保護動作值,確保故障時針對各點設置相應的頻率保護動作值以配合儲能系統提升電能質量。各點在儲能配置的協調控制下,系統恢復動態穩定運行。另一方面,從實際工程角度考慮,研究華東電網中江蘇省周邊遠距離的機組可以為江蘇電網慣量調頻提供支撐。