CN109802438A - 发电机组调频迫切度评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发电机组调频迫切度评估方法。根据区域电网稳态运行数据获取电网频率波动特性、区域电网典型故障下的暂态仿真数据获取电网暂态频率波动特性；结合核电机组死区设置、核电机组装机占比获得电力系统对核电机组调频迫切度；根据对各种不同类型发电机组装机调频需求度以及机组运行特性，最终实现区域电网参与电力系统一次调频控制策略。

Description

发电机组调频迫切度评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真建模技术领域，特别涉及一种发电机组调频迫切度评估方法。

背景技术

近年来，随着风电、核电等清洁能源大规模并网趋势逐步推进，它们对电网的影响受到业界的广泛重视。

目前针对电网调频需求研究主要是侧重于大规模风电并网后电力系统调频需求研究，即由于风电并网后，因风力发电机组出力的间歇性、波动性，要求评估电网在风电极限出力情况下所引起的电网频率波动范围，然后根据实际风力发电机组渗透情况，结合频率波动范围，通过实际风力发电机组出力引起电网频率波动，在频率波动范围的极限值限制范围内，得到风力发电机组可行出力，比对实际出力即可求得电网调频需求容量，此时风电是作为一个变功率源来对待。核电机组在稳态出力特性以及暂态响应特性上与风力发电机组有较大区别：(1)风力发电机组出力具有间歇性、波动性，核电机组出力可以在长时间之内维持恒定；(2)风力发电机组与核电机组的暂态响应特性存在较大差异，电网频率波动时风力发电机组一般不参与调频。

现有的清洁能源调频，主要是针对风电参与的电力系统调频的研究，而对于核电机组参与的电力系统调频并无相关研究，且风电由于其间歇性、波动性等特点，需要电力系统配置一定的备用容量以满足调频需求，其是从调频需求容量的角度研究调频需求，与核电机组一般带基荷运行，不存在间歇性、波动性特点关联度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发电机组调频迫切度评估方法，本发明从电力系统对核电机组的角度提出，通过装机占比以及区域电网特点来量化调频需求度。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种发电机组调频迫切度评估方法，包括如下步骤：

步骤S1、根据区域电网中的各类型发电机组装机容量占比，通过仿真分析得到正常运行工况下的电网频率波动趋势、故障工况下的电网频率波动趋势，进而得到调频参与度P、相应类型发电机组的装机容量占比η；

步骤S2、根据调频参与度P、相应类型发电机组的装机容量占比η，计算获得电力系统对相应类型的发电机组的调频迫切度为U，基于所述调频迫切度U实现区域电网参与电力系统的调频。

在本发明一实施例中，所述步骤S1之前，还包括：根据SCADA系统频率年度统计数据，获取区域电网稳态频率特性。

在本发明一实施例中，步骤S1中，各类型发电机组包括火电机组、水电机组、核电机组。

在本发明一实施例中，步骤S1中，所述故障，针对不同区域电网需设置3～4个典型故障。

在本发明一实施例中，步骤S2中，电力系统对发电机组的调频迫切度U、调频参与度P的计算公式如下：

其中，U_i表示电力系统对i类型发电机组的调频迫切度，S_i、S分别表示在频率波动时间T内第i种类型发电机组扣除死区后的频率调节积分面积、在电网频率波动时间T内频率调节积分面积；i＝1、2、3，分别表示火电机组、水电机组、核电机组。

在本发明一实施例中，调频参与度P取决于发电机组死区设置的大小以及方向，死区设置越大，发电机组在一次调频过程中的参与程度就越小，反之亦然；定义发电机组一次调频参与度P_i为

其中，f为电网频率变化，D_i表示i类型发电机组调速系统的死区。

在本发明一实施例中，所述频率波动时间T取60s，发电机组一次调频参与度P_i为

在本发明一实施例中，由电机组一次调频参与度P_i，可得电力系统对发电机组的调频迫切度U的具体计算公式如下：

其中，η_i表示i类型发电机组装机容量占比。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明根据区域电网中的各类型发电机组装机容量占比，通过仿真分析得到正常运行工况下的电网频率波动趋势、故障工况下的电网频率波动趋势，获得调频参与度P、相应类型发电机组的装机容量占比η；进而，计算获得电力系统对相应类型的发电机组的调频迫切度为U，并基于所述调频迫切度U实现区域电网参与电力系统的调频。

附图说明

图1为某区域电网频率分布特性(概率分布)；

图2为某个区域电网频率特性(2015.09.01～2018.08.31)；

图3为类型1机组调频参与度示意图；

图4为类型2机组调频参与度示意图；

图5为类型3机组调频参与度示意图；

图6为电网故障导致频率跌落过程机组参与一次调频示意图；

图7为本发明考虑电力系统调频需求的发电机组调频迫切度评估方法流程图；

图8为典型CPR1000核电机组汽机一次调频回路控制逻辑简图；

图9为某CPR1000机组频率上阶跃+0.12Hz一次调频录波图；

图10为某CPR1000机组频率下阶跃-0.12Hz一次调频录波图；

图11为不同类型电源参与频率波动过程示意图；

图12为不同类型电源参与频率波动过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种发电机组调频迫切度评估方法，包括如下步骤：

步骤S1、根据区域电网中的各类型发电机组装机容量占比，通过仿真分析得到正常运行工况下的电网频率波动趋势、故障工况下的电网频率波动趋势，进而得到调频参与度P、相应类型发电机组的装机容量占比η；

步骤S2、根据调频参与度P、相应类型发电机组的装机容量占比η，计算获得电力系统对相应类型的发电机组的调频迫切度为U，实现区域电网参与电力系统的调频。

以下为本发明的具体实现过程。

近年来，随着风电、核电等清洁能源大规模并网趋势逐步推进，它们对电网的影响受到业界的广泛重视。风电由于其间歇性、波动性等特点，需要电力系统配置一定的备用容量以满足调频需求。而本发明研究对象核电机组一般带基荷运行，不存在间歇性、波动性特点，因此从调频需求容量的角度研究调频需求与核电机组关联度不高。

为凸显核电机组与调频需求之间的关系，可从核电机组调速系统本身特点出发研究其与调频需求之间的关系。核电机组调速系统具有死区设置较大、调节迅速(试验表明其性能与火电机组性能相当)、机组局部区域装机占比高等特点。本课题组认为，调频需求是电力系统对机组应参与一次调频过程深度的一种表征，如果电力系统越迫切地需要机组参与调频，则说明其对机组调频需求就越高，(电力系统对机组的)调频迫切度与调频需求之间可能没有一定的对应关系，但应是同方向变化的。因此，调频迫切度可用来表征调频需求。

显然对于一个区域电网而言，电力系统对不同类型机组的调频需求主要地取决于机组在该区域电网装机占比η，同时也与机组在一次调频过程中的参与度P有关，如果机组参与度越低，则电网就越迫切需要机组参与调频，反之亦然。因此，结合上文可以采用调频迫切程度来表征调频需求的叙述，通过定量分析方法来具体分析电力系统对某类型机组的调频需求。为了便于分析，将调频迫切度采用归一化处理，对应地机组装机占比以及调频参与度也可采用归一化处理。本发明定义机组调频迫切度U为该类装机占比η、机组参与度P的函数，根据归一化处理的结果，则有

U＝η×(1-P)

机组在一次调频过程中的参与度，主要取决于机组死区设置的大小以及方向，死区设置越大，机组在一次调频过程中的参与程度就越小，反之亦然。在实际电网频率变化过程中，不可能出现频率阶跃的情况，因此采用频率阶跃幅度直接扣除机组死区计算调频分量的方法不适用计算调频参与程度。考虑到一次调频主要考察机组在60s内的功率支撑能力，因此不可避免地需要将时间引入一次调频参与度计算中。本发明定义某种类型机组一次调频参与度P_i为

其中，D_i表示i类型机组调速系统的死区，如果死区D_i设置越大，那么频率变化f与死区之间的距离越小，通过时间T积分所得面积越小，这时数值越小，电力系统对机组(或者该类型机组)调频参与度P_i就越高。所以据上文分析则有

U_i表示电力系统对i类型机组调频迫切度，如果该类机组装机容量占比η_i也高，则电力系统对该类机组调频需求度R_i也越高。

一、调频迫切度的定性与定量分析

1、定性分析

区域电网调频需求主要与故障情况下的调频需求、正常工况下的电网频率波动特性有关系，另外还与发电机组调速系统死区设置值有关。如果从定性分析的角度出发，某类型机组调速系统的死区设置越大，则调频参与度会越低，因此调速系统死区设置数值将会影响调频的参与度。当死区设置值越大，若此时该类型机组装机占比也比较高，则电力系统对其调频需求度U_i也会越高。

对不同区域而言，电网对核电机组参与调频的需求度与核电在该地区的装机占比有直接的关系。对同一区域，电网对核电参与调频的需求度与不同季节或电网运行方式有关，例如在丰水期，考虑库容压力要求水电机组满发，当电网出现频率波动时，系统对核电机组、火电机组的调频需求就会比较强烈；在枯水期，核电机组、火电机组出力占比较高，在稳态情况下，对核电机组的调频需求主要看火电机组旋转备用是否充足；在电网故障需要机组紧急频率支撑情况下，主要看火电机组的频率支撑性能是否优良，如果此时机组由于滑压运行导致主汽压力憋压不足，则火电机组的频率支撑能力较弱，需要依靠核电机组等提供频率支撑。上述分析仅局限于定性的分析，电网在各种运行工况下，对核电机组的调频需求也是不尽相同的，本发明拟通过定量分析计算得到各种场景下的电网(对各类型机组)的调频需求，为后续区域化差异化一次调频性能指标的提出进行数据支持。

稳态工况下的调频迫切度可分别通过统计电网稳态频率波动趋势，如图1、2中所示，统计近几年来某区域电网频率变化趋势，同时考虑区域电网直流落点位置。对于频率变化较大、同时核电占比较高区域要求区域内的核电机组深度参与调频。

对于暂态过程调频需求的定性分析，由于暂态过程频率跌落幅度很大，这个频率空白，需要网内机组通过出力增加进行功率填补，进而弥补电网频率偏差。在频率偏差弥补过程中，根据机组现有死区设置，针对机组参与一次调频顺序进行排序：例如对于某个区域电网而言，火电机组装机占比较大，同时死区较小，那么火电机组可以优先参与调频，承担第一阶梯调频电源；其次就是水电机组占比一般，同时死区居中，那么水电机组可以接着参与调频，承担第二阶梯调频电源；核电机组装机占比位居第三，为了保证调频的衔接性，使得在频率超过一定数值后，能够有其他类型机组迅速补充到调频电源中来，同时考虑核电机组死区设置(不宜设置过小，否则容易导致核棒频繁动作引发核棒控制系统钩爪疲劳)，核电机组在频差超过一定数值后，开始参与调频。因此，电网对核电机组调频死区数值的设置要求可以在火电、水电之后，即大于±0.05Hz。

2、定量分析

图3～图6列出了不同类型机组参与一次调频示意图，对于调频迫切度而言：当某类型机组装机占比越高时，对其的调频迫切度越大，考虑机端情况，假设某区域全部采用该类型机组作为电源，则其调频任务由该类型机组承担；当该类型机组调速系统死区设置较小时，考虑极端情况若为零，则该类型机组在频率变化过程中将会主动参与调频，电网对其参与调频的迫切程度则随之会低。调频需求应重点关注暂态机组出力缺额过多时频率变化所带来的调频迫切度(调频需求度)。对区域电网而言，分析其对某类型电源(核电机组为例)调频需求，有以下两个特点：

其一，根据区域电网中的电源装机容量占比，在不同运行方式下，通过正常运行工况(包含特殊季节)下的电网频率波动趋势、故障(针对不同区域电网设置3～4个典型故障)工况下的电网频率波动趋势，可以得到不同场景下针对核电机组的调频需求，进而对各类型电源承担调频份额有定量的要求；

其二，分析对某类型电源的调频迫切度，可以为其一次调频性能指标设置提供参考依据。若电网对该类型机组调频迫切度比较强烈，那么相应地其一次调频性能指标门槛应设置的较低，以便能够满足电网对其频率支撑方面的需求；反之，门槛可以高些。

现根据上文定义，电力系统对机组的调频需求(调频迫切度)为U，U与调频参与度P(如上文定义)、该类型机组的装机容量占比有关，采用公式可表示为：

其中U_i表示电力系统对类型i机组的调频需求，S_i、S分别表示在频率波动60s时间内第i种类型机组扣除死区后的频率调节积分面积、在电网频率波动60s时间内频率调节积分面积，i＝1、2、3；分别表示火电、水电、核电机组，他们之间比值可定义为机组的调频参与度P_i＝S_i/S，图中F_S表示电网频率变化趋势起始时刻数值，积分时间按照60s计算，实际计算过程根据上文调频参与度P_i算式所示。

目前电网中可参与一次调频的机组有核电、水电、火电机组，区域电网里面可能还有风电、光伏等其他类型电源，但上述新能源机组一般不会参与系统的一次调频。从调频需求的角度出发，表面上看其与机组死区设置无关，但若某种类型机组死区设置越小，对于同一区域电网而言，则该机组参与电网一次调频的力度就越大，相应地电网就能够接受更多该类机组出力支撑，因此频率波动就会越小，此时电网对其他机组的调频迫切度就会减弱。综上所述，电网一次调频需求与各种类型机组的死区设置数值有关系。考虑到风电、光伏一般不参与调频，目前主要还是由火电(包含联合循环机组)、水电等提供功率支撑，为了定量对调频迫切度进行研究，首先将火电、水电、核电机组容量占比表示为η₁、η₂、η₃，上述同类型机组死区分别设置为D₁、D₂、D₃。如果死区设置越小，那么在频率波动过程中，机组的调频参与度就会越高，考虑极端情况，如果机组死区设置为零，那么电网存在任何频率波动机组出力都会迅速响应，此时电力系统无需对机组提出调频需求而机组就会自发响应电网频率波动，可以认为对机组的调频迫切度就会比较低。

二、电网对机组调频迫切度的实施方案

为了定量分析基于此，如图7所示，本发明提出了定量评估区域电网调频需求的方法及其实施方案：

(1)选取某个区域电网作为研究对象，根据SCADA系统频率年度统计数据，获取区域电网稳态频率特性；

(2)针对区域电网设置典型故障，通过仿真分析得其故障场景下的频率变化趋势；

(3)核电机组调速系统频率死区设置应能避开电网无故障情况下(稳态)的长时间高频度频率波动，以避免核棒频繁动作从而引发机械疲劳；电网调频需求应从故障场景下的频率波动特性出发，当机组调速系统死区设置越大时，频率跌落过程机组出力贡献越小，将可能导致频率进一步跌落，直至越过死区从而引发机组出力调整；

(4)一般而言，电网稳态频率特性所体现的频率波动绝大多数位于频率死区(2r/min)以内，即使超过频率死区一般也呈围绕频率死区上下有规律的波动，所以区域电网稳态频率特性不适合直接拿来计算调频参与度；

(5)如果从传统调频需求角度理解，则应该计算得到调频需求容量，且该调频需求容量为针对波动性较大电源所储存的旋转备用容量。本发明中调频需求理解为电网要求各类型机组参与电网调频迫切程度，调频需求越高，迫切程度越大，反之亦然。

三、考虑机组一次调频特性的区域电网调频控制策略及其实施方案

1、核电机组核岛棒控系统一次调频特征

由于核电机组也采用蒸汽轮机将热能转换为机械能，因此其常规岛一次调频控制回路与火电机组的一次调频回路控制原理类似，典型核电机组汽机一次调频回路控制逻辑简图如图8所示。

由图9、图10可见，该核电机组在进行6％的一次调频试验过程中，频率阶跃0.12Hz，功率响应滞后时间约1.7s，到达75％目标值时间约12s，稳定时间约30s，一次调频试验性能与同容量火电机组相当。对于热力系统的影响方面，进行6％额定功率的一次调频功率上阶跃试验引起二回路主蒸汽压力由6.76MPa下降至6.58MPa，并保持稳定，主蒸汽压力下降约2.7％，压力变化标幺值小于功率变化标幺值。

2、区域电网阶梯式调频控制策略

在响应频度方面，当频率发生扰动时，GRE控制回路接收频差信号，生成调频分量送往RGL控制回路，引发G棒、R棒动作，若GRE控制回路死区设置较小，则会引起GRE频繁生成调频分量，进而导致RGL控制回路频繁生成动作信号，使核棒频繁动作，逼近核棒动作疲劳耐受极限；若GRE控制回路死区设置较大，则会使得GRE控制回路无法及时响应网频波动需求。因此核电机组调速系统死区设置不宜过小，因避免其频繁动作，鉴于目前绝大多数电网主力电源仍以常规火电、常规水电机组为主，尤其部分区域(例如中国北方)以火电装机为主，所以火电应作为第一阶段调频电源、水电作为第二阶段调频电源，考虑到核安全，核电机组可作为第三阶段调频电源。频率变化过程各类型调频电源参与详见图11。不同类型电源参与频率波动过程示意图详见图12。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其

他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种发电机组调频迫切度评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、根据区域电网中的各类型发电机组装机容量占比，通过仿真分析得到正常运行工况下的电网频率波动趋势、故障工况下的电网频率波动趋势，获得调频参与度P、相应类型发电机组的装机容量占比η；

步骤S2、根据调频参与度P、相应类型发电机组的装机容量占比η，计算获得电力系统对相应类型的发电机组的调频迫切度为U，基于所述调频迫切度U实现区域电网参与电力系统的调频。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1之前，还包括：根据SCADA系统频率年度统计数据，获取区域电网稳态频率特性。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，各类型发电机组包括火电机组、水电机组、核电机组。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述故障，针对不同区域电网设置3～4个典型故障。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，电力系统对发电机组的调频迫切度U、调频参与度P的计算公式如下：

其中，U_i表示电力系统对i类型发电机组的调频迫切度，S_i、S分别表示在频率波动时间T内第i种类型发电机组扣除死区后的频率调节积分面积、在电网频率波动时间T内频率调节积分面积；i＝1、2、3，分别表示火电机组、水电机组、核电机组。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，发电机组一次调频参与度P_i按照下述公式计算：

其中，f为电网频率变化，D_i表示i类型发电机组调速系统的死区。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述频率波动时间T取60s，发电机组一次调频参与度P_i为

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，电力系统对发电机组的调频迫切度U的具体计算公式如下：

其中，η_i表示i类型发电机组装机容量占比。