CN107546754B - 特高压大功率缺失下互联电网一次频率响应能力评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种特高压大功率缺失下互联电网一次频率响应能力评价方法，包括以下步骤：步骤A：建立火电机组频率响应仿真模型；步骤B：建立联络线模块仿真模型；步骤C：建立两区域互联电网的仿真模型；步骤D：构建互联电网动态频率响应能力评价指标；本发明所述的一种特高压大功率缺失下互联电网一次频率响应能力评价方法，利用新的火电机组频率响应模型和联络线模型，建立了两区域互联电网的仿真模型，在两区域互联电网的仿真模型的基础上，定义了互联电网中发电机组的一次调频能力指标，并可利用一次调频功率、频率偏差和单位调频功率精确的计算出一次调频能力指标，以评价发电机组的一次频率响应能力。

Description

特高压大功率缺失下互联电网一次频率响应能力评价方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种特高压大功率缺失下互联电网一次频率响应能力评价方法。

背景技术

我国地域辽阔，能源与和资源分布很不均衡，特别是西南水电、风电、光伏发电等的大范围开发，导致大规模能源基地的煤电、风电等需经电力输送网络输送至负荷中心，且能量输送量巨大，在远距离输送过程中，能量往往损耗巨大，导致严重的能源浪费。

为解决远距离输电损耗巨大、输电线路走廊紧缺等问题，特高压交直流混联电网密集投产，其中，特高压直流电网用于大水电、大煤电等基地的远距离大容量能量外送，特高压交流电网用于网架建设和跨大区送电。但我国环境相对较差，直流线路积污速度快，特高压直流电网单极闭锁故障率高；而且交流电网也存在运行技术也不够成熟、输送功率有限和区域间功率交换能力不足的问题。这就导致特高压交直流混联电网输电存在一定的风险，其故障将使送端系统产生功率盈余，受端系统产生大功率缺额，进而对电网频率、潮流产生冲击，这就要求特高压大功率缺失下互联电网具有良好的动态频率响应能力。

但是，近年来可再生能源迅猛发展，可再生能源并网量逐年上升，大大挤占了常规机组的上网空间。因可再生能源机组一般不具备动态频率响应能力，因而导致电力系统频率响应能力减小，惯性质量降低，抵御故障的频率响应能力显著下降。

因此针对功率缺额逐渐增大，电网频率响应能力下降这一现状，亟需一种特高压大功率缺失下互联电网一次频率响应能力评价方法，评价特高压大功率缺失下互联电网一次调频响应能力，并评价其动态频率响应能力，以实现在大功率缺失故障后通过互联电网的协调控制避免系统低频减载的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种特高压大功率缺失下互联电网一次频率响应能力评价方法，其目的是提出一种能够在特高压背景下，准确评估互联电网动态频率响应能力，以实现在大功率缺失故障后通过互联电网的协调控制避免系统低频减载的目的。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种特高压大功率缺失下互联电网一次频率响应能力评价方法，包括以下步骤：

步骤A：建立火电机组频率响应仿真模型，包括以下步骤：

步骤A1：建立发电机——负荷模块仿真模型；

步骤A2：建立调速器负荷模块仿真模型；

步骤A3：建立汽轮机负荷模块仿真模型；

步骤A4：根据步骤A1、A2和A3建立火电机组频率响应仿真模型；

步骤B：建立联络线模块仿真模型；

步骤C：利用步骤A的火电机组频率响应仿真模型和步骤B的联络线模块仿真模型建立两区域互联电网的仿真模型；

步骤D：利用步骤C的两区域互联电网的仿真模型构建互联电网动态频率响应能力评价指标。

所述的步骤A1具体采用以下方法：在忽略机组损耗的情况下, 负荷功率变化量ΔP_D应等于发电机发电功率发电功率变化量ΔP_e,即ΔP_D＝ΔP_e；因此通过由电网负荷波动而产生的频率变化Δf乘以调差系数D来模拟负荷的频率调节特性，叠加后的输入功率再经发电机的惯性环节模拟发电机的机械惯性，最后输出负荷的频率变化Δf；即发电机——负荷模块的仿真模型为

其中：D为单位频率调节特性，取值范围1～2；Pm为机械功率；H为发电机惯性常数，取值范围为3～6。

所述的步骤A2具体采用以下方法：

假设己全部补偿了蒸汽阀门的高度非线性，并且忽略了凸轮结构的非线性，则由电网负荷波动而引起的频率变化量Δf乘以调差系数的倒数1/R完成对蒸汽阀门开度的控制；即调速器负荷模块仿真模型为：

其中：R为调差系数，取值范围4～5％(R＝5％表示5％的频率变化将会引起蒸汽阀门位置100％的变化)；P_sp为功率增量给定值，取值1；Δf 为机组的频率变化量；T_G为调速器时间常数；

ΔP_V为蒸汽流量。

所述的步骤A3具体采用以下方法：

汽轮机通过改变蒸汽阀门的开度，使得蒸汽流量ΔP_V发生变化，进而导致其输出机械功率Pm发生变化，从而改变发电机组的发电功率；在可再热式汽轮机中,经过高压气缸段(HP)的蒸汽没有直接送往中压气缸段(IP)，而是被返回锅炉，由再热器处理后才被送到中压气缸段(IP)，通过再热处理提高了火电机组汽轮机输出机械功率 Pm，因此汽轮机负荷模块仿真模型可表示为

其中：F_H为由涡轮机产生的功率比例，F_H取值范围0.25～0.3；T_R为再加热时间常数，取值范围6～12；K_m为功率转化率，取值范围0.9～ 0.95；P_m为机械功率。

步骤A4中所述的火电机组频率响应仿真模型为：

根据权利要求1所述的特高压大功率缺失下互联电网一次频率响应能力评价方法，其特征在于：步骤B1：计算联络线功率P_T；

联络线功率P_T的计算公式为：

其中：U₁和U₂为联络线两端电压；X_T为联络线电路电抗；δ₁₀和δ₂₀为联络线两端电压角；

步骤B2：整理联络线功率P_T的计算公式：

将联络线功率P_T的计算公式进一步整理得：

其中：Δf_A为事故区的频率变化值；Δf_B为支援区的频率变化值；

步骤B2：定义联络线同步系数T；

定义T为联络线同步系数，联络线同步系数T的计算公式如下：

将联络线同步系数T代入步骤B2所述的整理后的联络线功率P_T计算公式，并进行拉普拉斯变化可得：

所述的步骤D包括以下步骤：

步骤D1：定义两区域互联电网的仿真模型中发电机组的一次调频的效果；

步骤D2：根据两区域互联电网的仿真模型中发电机组的一次调频的效果，定义发电机组一次调频性能的评价指标PFRC；

步骤D3：计算发电机组一次调频性能的评价指标PFRC。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种特高压大功率缺失下互联电网一次频率响应能力评价方法，利用新的火电机组频率响应模型和联络线模型，建立了两区域互联电网的仿真模型，在两区域互联电网的仿真模型的基础上，定义了互联电网中发电机组的一次调频能力指标，并可利用一次调频功率、频率偏差和单位调频功率精确的计算出一次调频能力指标，以评价发电机组的一次频率响应能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的所述的发电机负荷模块的仿真结构图；

图2为本发明的所述的调速器负荷模块的仿真结构图；

图3为本发明的所述的汽轮机负荷模块的仿真结构图；

图4为本发明的所述的火电机组的频率响应的仿真结构图；

图5为本发明的所述的联络线模块的仿真结构图；

图6为本发明的所述的互联电网的仿真结构图；

图7为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于目前电网中光伏、风电等新能源不具有频率响应能力，因此可忽略其他类型机组对互联电网动态频率响应能力的影响，重点研究火电机组的频率响应能力，进而获得互联电网频率响应能力；因此本发明所述的一种特高压大功率缺失下互联电网一次频率响应能力评价方法，如图7所示：包括以下步骤：

步骤A：建立火电机组频率响应仿真模型，具体包括以下步骤：

步骤A1：建立发电机负荷模块仿真模型；

如图1所示：众所周知，电力系统有功功率的平衡是频率恒定的前提,所以在稳定运行时,如忽略机组损耗,假定汽轮机机械功率和发电机功率相平衡，则有：机械功率＝发电功率＝负荷功率；然而,由于负荷功率是不断变化的，发电机的发电功率跟随负荷功率的变化而变化，如负荷功率增加ΔP_D,发电机便立即增加发电功率ΔP_e来满足负荷功率的变化,即ΔP_D＝ΔP_e；因此以通过由电网负荷功率波动而产生的频率变化Δf乘以调差系数D来模拟负荷功率的频率调节特性，即若 D＝1，则频率1％的变化就会引起负荷功率1％的变化，输入功率再经发电机的惯性环节模拟发电机的机械惯性，最后输出负荷功率的频率变化Δf；即发电机——负荷模块的仿真模型为：

其中：D为单位频率调节特性，取值范围1～2；

P_m为机械功率；

H为发电机惯性常数，取值范围3～6。

步骤A2：建立调速器负荷模块仿真模型，具体采用以下方法；

如图2所示：调速器是发电机组的重要组成部分之一，汽轮机调速器的主要作用是通过对蒸汽阀门开度的控制来自动控制发电机组的转动速度，从而控制发电机组的频率。从功能上讲，调速器由测量环节、放大环节和执行环节组成。测量环节将调速器的输出值与系统检测到的频率参考值进行比较，根据产生的误差信号来控制蒸汽阀门开度；放大环节中，由于机械传感器的调速杆能产生的力并不足以控制蒸汽阀门的开度，因此需要先用一个速度继动器将信号进行放大再调节调速器；最终执行环节根据经测量环节以及放大环节得出的信号通过调节调速器的蒸汽阀门开度来控制蒸汽流量。

本发明中，假设已全部补偿了蒸汽阀门的高度非线性，并且忽略了凸轮结构的非线性，则由电网负荷波动而引起的频率变化量Δf乘以调差系数的倒数1/R完成对蒸汽阀门开度的控制；即调速器负荷模块仿真模型为：

其中：R为调差系数，取值范围4～5％(R＝5％表示5％的频率变化将会引起蒸汽阀门位置100％的变化)；

P_sp为功率增量给定值，取值1；

Δf为机组的频率变化量；

T_G为调速器时间常数；

ΔP_V为蒸汽流量。

步骤A3：建立汽轮机负荷模块仿真模型，具体采用以下方法；

如图3所示：众所周知，火力发电机组的汽轮机由高压汽缸段 (HP)、中压汽缸段(IP)以及低压汽缸段(LP)组成，分为无再热式汽轮机与可再热式汽轮机两种，由于在实际应用中可再热式汽轮机占主要地位，所以本发明以可再热汽轮机为研究对象；汽轮机通过改变蒸汽阀门的开度，使得蒸汽流量ΔP_V发生变化，进而导致其输出机械功率Pm发生变化，从而改变发电机组的发电功率。在可再热式汽轮机中,经过高压气缸段(HP)的蒸汽没有直接送往中压气缸段(IP)，而是被返回锅炉，由再热器处理后才被送到中压气缸段(IP)，通过再热处理提高了火电机组汽轮机输出机械功率Pm，即汽轮机负荷模块仿真模型为：

其中：F_H为由涡轮机产生的功率比例，现有汽轮机中，为了在汽轮机过速时迅速控制其输出机械功率Pm，截止阀在再热器之前就控制了进入再热器再加热的蒸汽流量，从而只有部分的蒸汽可以被再加热，蒸汽在高压气缸段(HP)里产生的输出机械功率P_m的额F_H通常为25％至30％，即F_H取值范围0.25～0.3；

T_R为再加热时间常数，取值范围6～12；

K_m为功率转化率，取值范围0.9～0.95；

P_m为机械功率。

步骤A4：根据步骤A1、A2和A3建立火电机组频率响应仿真模型；

如图4所示：综合对于以上三个模块的分析与建模，根据实际的工作流程，可得到火电机组的频率响应模型为：

步骤B：建立联络线模块仿真模型，具体包括以下步骤；

步骤B1：定义联络线同步系数，具体采用以下方法：

如图5所示：联络线是一种专用导线，其作用为将发电厂和电网联接在一起，可以将发电厂发出的功率输送给电网，也可以将电网中的功率输送回发电厂；电力系统中，称联络在线流过的功率为联络线功率P_T，其计算公式为：

其中：U₁，U₂：传输线两端电压；

X_T：传输线电路电抗；

δ₁₀，δ₂₀：传输线两端电压角。

从中可以看出，联络线功率的数值主要取决于两端电压的相位差角，将公式(1)进一步整理得：

其中：Δf_A：事故区的频率变化值；

Δf_B：支援区的频率变化值。

定义T为“联络线同步系数”，计算公式如下：

将公式(3)代入公式(2)，并进行拉普拉斯变化可得：

步骤C：建立两区域互联电网的仿真模型；

如图6所示：通过单机组模型与联络线模型可模拟仿真互联电网，得到互联电网的仿真模型：通过单机组模型与联络线模型可模拟仿真互联电网，得到互联电网的仿真模型。

步骤D：利用步骤C的两区域互联电网的仿真模型构建互联电网动态频率响应能力评价指标，具体包括以下步骤：

步骤D1：定义两区域互联电网的仿真模型中发电机组的一次调频的效果，具体采用以下方法：

如上述步骤C所示的两区域互联电网的仿真模型中，考虑到发电机组的一次调频的主要作用是减少频率偏差，使电网在遭遇负荷突变时频率能得到一定恢复，所以要对单台机组的一次调节性能进行评价，为了表现一次调频的效果，可以用调节功率与频率偏差的乘积来表现，当乘积为负值时，假设频率偏差为负值，则此时调节功率应该是正值，即当系统中负荷增多或机组跳闸等原因引起系统频率降低时, 由于发电机组的一次调节起作用增发了功率，使系统频率偏差减少，显然，此时一次调节有利于频率偏差的减小，有利于电网的稳定；反之，当乘积为正时，则表明一次调节对频率偏差起反向调节作用，使频率偏差进一步变大，不利于电网稳定。

步骤D2：根据两区域互联电网的仿真模型中发电机组的一次调频的效果，定义发电机组一次调频性能的评价指标PFRC，具体采用以下方法：

在评价发电机组的一次调频能力时，如果在相同的频率偏差下，因为各台发电机组的调节能力和调节容量都不一样，所以并不是调节功率越大该机组的一次调节性能就好；由现有技术可知，能表征各发电机组一次调频能力的是单位调节功率，一次调频能力强的机组对电网频率恢复做的贡献应该要多一些，因此可以用一次调频的效果与发电机组的单位调节功率的综合来构造评价发电机组一次调频性能的指标，这样就能公平评价不同调节能力的发电机组对电网频率稳定所做的贡献大小，但是发电机组的单位调节功率要根据试验来确定；因为如果在评价发电机组的一次调节性能时只是选择一些特殊的时段，例如当频率偏差超过一定值后的某段时间，则可能对发电机组的一次调频能力评价不公平，因为上述特殊的时段在发电机组运行的总时间中所占比例不大，这就使得发电机组在其它时段的调节被忽略；为了准确评价发电机组的一次调节性能，所构造的评价发电机组一次调频性能的指标应该是基于概率的对发电机组长期一次调频性能的评价；

因此本发明构造的评价发电机组一次调频性能的评价指标PFRC 为：

其中：

为发电机组一次调节功率一分钟平均值；

为频率偏差一分钟平均值；

K_G为发电机组单位调节功率。

若定义PFRC₁为一次调节性能评价指标的一分钟平均值，则 PFRC＝AVG_T(PFRC₁)，AVG_T(PFRC₁)为PFRC₁在时段T内的平均值，T可取小时、天、月和年，PFRC值越大，则发电机组一次调频性能越强。

步骤D3：计算发电机组一次调频性能的评价指标PFRC，具体采用以下方法：

PFRC在计算时需要统计发电机组的一次调节功率、频率偏差和发电机组单位调节功率，从功率守恒的角度来看：

发电机组总的调节功率＝发电机组实际出力-发电机组计划出力- 经济调度计划；

则对发电机组又有：

发电机组一次调节功率＝发电机组总的调节功率-发电机组二次调节功率。

技术人员取得相关时段的发电机组一次调节功率数据进行统计分析即可得到

频率偏差在EMS系统中很容易得到,技术人员取得相关时段的频率偏差数据进行统计分析即可得到

发电机组的单位调节功率根据发电机组类型的不同有不同的设置范围,需要技术人员根据实际情况来确定，即可得到K_G，然后上述 PFRC计算公式求出PFRC指标值,PFRC值越大，则发电机组一次调频性能越强。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种特高压大功率缺失下互联电网一次频率响应能力评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：建立火电机组频率响应仿真模型，包括以下步骤：

步骤A1：建立发电机负荷模块仿真模型；

所述的步骤A1具体采用以下方法：在忽略机组损耗的情况下,负荷功率变化量ΔP_D应等于发电机发电功率发电功率变化量ΔP_e,即ΔP_D＝ΔP_e；因此通过由电网负荷波动而产生的频率变化Δf乘以调差系数D来模拟负荷的频率调节特性，叠加后的输入功率再经发电机的惯性环节模拟发电机的机械惯性，最后输出负荷的频率变化Δf；即发电机——负荷模块的仿真模型为

其中：D为单位频率调节特性，取值范围1～2；Pm为机械功率；H为发电机惯性常数，取值范围为3～6；

步骤A2：建立调速器负荷模块仿真模型；

所述的步骤A2具体采用以下方法：

假设己全部补偿了蒸汽阀门的高度非线性，并且忽略了凸轮结构的非线性，则由电网负荷波动而引起的频率变化量Δf乘以调差系数的倒数1/R完成对蒸汽阀门开度的控制；即调速器负荷模块仿真模型为：

其中：R为调差系数，取值范围4～5％，R＝5％表示5％的频率变化将会引起蒸汽阀门位置100％的变化；P_sp为功率增量给定值，取值1；Δf为机组的频率变化量；T_G为调速器时间常数；ΔP_V为蒸汽流量；

步骤A3：建立汽轮机负荷模块仿真模型；

所述的步骤A3具体采用以下方法：

汽轮机通过改变蒸汽阀门的开度，使得蒸汽流量ΔP_V发生变化，进而导致其输出机械功率Pm发生变化，从而改变发电机组的发电功率；在可再热式汽轮机中,经过高压气缸段的蒸汽没有直接送往中压气缸段，而是被返回锅炉，由再热器处理后才被送到中压气缸段，通过再热处理提高了火电机组汽轮机输出机械功率Pm，因此汽轮机负荷模块仿真模型可表示为

其中：F_H为由涡轮机产生的功率比例，F_H取值范围0.25～0.3；T_R为再加热时间常数，取值范围6～12；K_m为功率转化率，取值范围0.9～0.95；P_m为机械功率；

步骤A4：根据步骤A1、A2和A3建立火电机组频率响应仿真模型；

步骤A4中所述的火电机组频率响应仿真模型为：

步骤B：建立联络线模块仿真模型；

步骤B1：计算联络线功率P_T；

联络线功率P_T的计算公式为：

其中：U₁和U₂为联络线两端电压；X_T为联络线电路电抗；δ₁₀和δ₂₀为联络线两端电压角；

步骤B2：整理联络线功率P_T的计算公式：

将联络线功率P_T的计算公式进一步整理得：

其中：Δf_A为事故区的频率变化值；Δf_B为支援区的频率变化值；

步骤B3：定义联络线同步系数T；

定义T为联络线同步系数，联络线同步系数T的计算公式如下：

将联络线同步系数T代入步骤B2所述的整理后的联络线功率P_T计算公式，并进行拉普拉斯变化可得：

步骤C：利用步骤A的火电机组频率响应仿真模型和步骤B的联络线模块仿真模型建立两区域互联电网的仿真模型；

步骤D：利用步骤C的两区域互联电网的仿真模型构建互联电网动态频率响应能力评价指标；

所述的步骤D包括以下步骤：

步骤D1：定义两区域互联电网的仿真模型中发电机组的一次调频的效果；

步骤D2：根据两区域互联电网的仿真模型中发电机组的一次调频的效果，定义发电机组一次调频性能的评价指标PFRC；

步骤D3：计算发电机组一次调频性能的评价指标PFRC。

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