（电气工程专业论文）大机组事故切机对区域电网稳定影响的研究.pdf

摘- t - - 论文题目：大机组事故切机对区域电网稳定性的研究 学科专业：电气工程 研究生：李莉签名： 指导教师：张靠社签名： 朱纯祥签名： 摘要 本文以河北南网新建邯峰发电厂一期2 x 6 6 0 m w 工程投入运行为背景，对区域电网中 大容量机组事故切机造成的稳定影响进行分析，提出解决方案并在试验中进行了验证。 ( 1 ) 分析并计算了河北南网在目前的电网结构下发生6 6 0 m w 机组掉闸时，对电网在频 率和联络线潮流等方面造成的影响。根据计算分析了消除6 6 0 w 机组掉闸对河北南网造成 的影响所要采取的种种针对性措施，并提出利用发电机组的一次调频功能，调节电网联络 线潮流，保证电网安全稳定运行。 ( 2 ) 根据电网和发电机组的调频原理，综合分析后认为，在电网发生扰动时，利用一 次调频功能，调节电网联络线潮流，保证电网安全稳定运行是完全可行的。根据计算出的 河北南网在目前的电网结构下发生6 6 0 m w 机组掉闸时，对电网在频率和联络线潮流等方面 造成的影响，对d e l l 机组投入一次调频功能时需要选择的定值参数进行了计算，并在针对 性分析后最终选定合适的参数。 一次调频动作后各机组的协调控制系统和各子自动控制系统的调节正常，基本上没有 受影响i 机前压力、汽包水位、炉膛压力稳定，对机组的安全运行没有造成危害。多数机 组的调节幅值基本能够满足要求，可以做为改善电网供电品质、确保电网安全运行的一种 手段长期运行。 关键词：大机组事故电网稳定性一次调频 肇一 西安理工大学工程硕士学位论文 t i t i e ：r e s e a r c ho nt h el n f l u e n c e0 fs t a b i l l t yi nr e g l o n a l p o w e rn e t w o r kw h e nl a r g ec a p a c n yg e n e r a t o r u n l tf a u l tt r i p m a j o r e n g i n e e r i n go fe l e c t r i cp o w e r n a m e ：ul l s u p e r v i s o r p 代i f k a o s h e z h uc h u n x i a n g s i g n a t u r e ：【! s i g n a t u 怕：j 竺苎垦垄厂 s i g n a t u r e ： b a s e do nt h e 哪l e r 幽no f a e wh a i l f e n gp o w e r p l a n ti nt h es o l r h c l ng r i do f h e b e ip r o v i n c e , t h es t a b i l i t yi n f l u e n c e t h ep o w e rs y s t e mo f t h el a r g ec a p a c i t yg e n e r a t o ru n i t s s h r u gd o w n i sa n a l y z e di nt h i sp a p e r 9a n dt h es o l u t i o ns d z _ n ei sp r e s m t e d , w h i c hi sv e r i f i e di nt h e 唧i m e n t s ： ( 1 ) w h i l c6 6 0 m w u n i ti ss h u t t i n gd o w ni n t h es o l r h e r l lg r i do fh e b e ip r o v i n c e 砒l n e s e n t d a y , t h ei n f l u e n c eo nt h ef l e q u e n c ya n dl i n k - l i n ef i d ei sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e d t h e n , t h e m p , a s u r 髓o fe h m i n a t i n gt h eb a di n f l u e n c e0 1 1t h eg r i da r ca n a l y z e d , f l l i t h c l - m o r e ，t h e f i r s t - f i e q u e n c y 删u s t m e n to f t h eg e n e r a t o ru n i t si sp r e s e n a 蚵t or e g u h t et h et i d eo nt h el i 皿l 【- l i n e , w h i c hi sa s s u m e dt ok e e pt h eg n di ns t a b l eo p c l 俩o i l ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so ff i r s t - f z e q u e n c ya 由惦删o f 删a n dg e n e r a t o r , t h e m c t h o d sm e n t i o n e da b o v ea 聆p r a c t i c a l b a s e d t h eb a di n f l u c a c e0 1 1t h e 丘e q 岬m c ya n df i d e w h i l e6 6 0 m wu n i ti ss h u td o w n , t h e 弘哦血e t e r so fd e hu n i t sa 托k i i l 砸e d ，a f t e rt h a l t h e s u i t a b l ep m a m c t e x s 啪s e l e c t e df i n a l l y a f ht h ef i r s t - f 似l u e n c ya 由碰血n 饥to ft h eu n i t s ，t h ee 湖a t t o l - s y s t e m s 勰o fn o r m a l o p e r a t i o n , t h eu n i t s p r e s s u r e ，t h ew a t e rl e v e l si nt h es t e a md r u ma n dt h ep r e s s m ei nt h eh e a r t h a 砖s t a b l e w h i c ha r en o th a r m f u lt ot h es a f eo p e r a t i o no ft h eg e n e r a t o ru n i t s m o s to f t h eu n i t s a d j u s r n c n t sm e e tt h er e q u i r e m e n tb a s i c a l l y , t h em e t h o d sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r 啪b ea m c a s u l _ et oa m e l i o r a t et h eq u a l i t yo f p o w 盯s u p p l e m e n ta n dt ok e q , t h es a f eo p e r a t i o no f g 耐 k e yw o r d s ：l a r g ec a p a = t yu n i t = ：c i d e n tt h es t a b i l i t yo fp o w e r g r i df l r = - f 溉l u e n c y a d j 啦出n e n t 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：垒塑l抑7 年d 月乃日 小，旷。 学位论文使用授权声明 本人壅l 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 导师签名：塑鲢刃吵年。月y ，日 第一幸绪论 1 绪论 1 1 河北南部电网基本概况 河北南部电网处于华北电网最南端，截止到2 0 0 5 年底，全省总可调容量7 9 9 6 5 姗。 在其最北端由高碑店变电站依靠双回2 2 0 k v2 ) 2 4 0 线路通过华北网的韩村河站与华北主 网相联，与西面的山西电网在山西电网的娘子关发电厂2 2 0 k y 母线分界，在南端与华中主 网的河南电网和东端与山东独立电网没有电气联接，是一个相对独立的中等偏小规模的区 域性电网。 因历史原因，长期以来河北南网的电力基本建设滞后于全国平均水平。随着改革开放 的深入发展，河北省南部地区的供电需求不断增长，造成河北南网持续多年的缺电局面一 直无法缓解。为解决日益突出的用电供需矛盾，河北省电力公司从8 0 年代末逐渐加大了 电力基本建设的步伐，相继建成了上安发电厂、西柏坡发电厂、衡水发电厂等主力发电厂， 并不断实施以大代小技改工程，多台3 0 0 m w 大型机组相继投运n 。 “。截止到2 0 0 5 年底， 河北南网拥有3 5 0 m w 机组2 台，3 0 0 m w 机组8 台，2 0 0 1 t w 机组1 2 台和2 台i o o m w 机组，其 余为5 0 j 以下的小型机组，全网总可调容量增加到7 9 9 6 姗( 其中水电9 5 5 m w ) 。但因 河北南部地区的经济也一直持续稳定的发展，所以河北南网的缺电局面并未得到根本性改 观。到2 0 0 5 年，河北南部电网仍然没有检修备用容量。机组年利用小时数多在6 5 0 0 小时 以上，远高于5 0 0 0 小时的全国平均水平。正因为河北南网的缺电局面无法缓解，河北南 网长期以来一直从山西电网购电，山西电网的娘子关发电厂有两台机组一直负责向河北供 电，但山西电网与河北南网在娘子关发电厂2 2 0 k v 母线分界，电气主接线不做联接。也正 因为河北南网的严重缺电，本来与华北主网相联、负责首都北京的事故支援任务的韩高联 络线长年以来一直从华北主网受电。 从下页所示的河北南部电网示意图的网络结构上看，因水源等问题，使河北南网在电 源点分布上极不平衡。东部的沧州地区和北部的保定地区基本没有主力发电厂，而西部的 石家庄地区和南部的邯郸地区却是主力发电厂星罗棋布、电源点云集。这就导致了我们常 说的河北南网特有的“西电东送、南电北送”的。送电断面”问题。从下面这张2 0 0 5 年 某日从河北南网电网实时系统中某一时刻随机截取的河北南网送电潮流示意图上，可以清 晰地看出所谓：“送电断面”。 西安理工大学工程硕士学位论文 厂、户，市 l l 屯：3 0 2 钭, i l ：儿1 6 像定 l 沧州生电：6 9 7 1 徭电：9 4 1 毫鬻河北南网发供电概况 仝罔负荷 定电负荷 供电负荷 外 一 秉e 一重 6 6 3 l 6 1 7 2 6 0 4 6 4 5 0 0 3 圈1 - 1 ( a ) 2 0 0 5 年某日某时刻的河北南网地区潮流示意图 f i 9 1 1 ( a ) t i d es k e t c hi nt h eg r i do f s o u t h e r nh e b e ip r o v i n c ei n2 0 0 5 图卜1 ( b ) 河北南部电网示意图 f i g l i ( a ) g r i ds k e t c ho f s o u t h e r nh e b e ip r o v i n c e 也正是由于上述“送电断面”的存在，历史上处于送电末端的河北南网的东部地区和 北部地区长期以来电压一直偏低。随着河北电力的发展，河北南网兴建了5 0 0 k v 网架，对 2 一器一 眷 | | | 一 邯一 第一章绪论 沧州和保定利用5 0 0 k v 网络输送负荷，使这两个地区的系统电压得到了支撑。但因 5 0 0 k v 网架正处于建设初期，只是构成了一个单回十字形网络，可以想见，5 0 0 k v 网络还 十分薄弱，在很长一段时间内，2 2 0 k v 系统仍将是河北南网的主要输电网络。 河北南部地区地处中国北方地区，长年干旱少雨，负荷构成中仍然是农业负荷占据相 当比重，这造成了河北南网具有的年峰谷差和日峰谷差均接近5 0 的负荷特点。电网中调 峰调频任务十分繁重。从下面的图中可以看到河北南网的日负荷趋势和年负荷趋势。 图l - 22 0 0 5 年1 1 月2 7 日河北南网有功负荷变化趋势图 f i g l - 2p o w e rl o a dt r e n do i l2 严d ，2 0 0 5 图卜32 0 0 4 年和2 0 0 5 年河北南部电网负荷变化趋势图 f i 9 1 - 3l o a d t r e a do f s o u t h e r ng d do f h d ip r o v i n c ei n2 0 0 4a n d2 0 0 5 1 2 河北南部电网存在的问题 为了缓和河北南网的供电矛盾，河北省电力公司近年来逐渐加快了电力基本建设的步 伐。随着邯峰发电厂一期2 6 6 0 唧工程即将建设完成投入运行，河北南网又将具有新的 特点，即所谓“大机小网”的特点。若邯峰发电厂两台机组同时满负荷运行，额定负荷将 西安理工大学工程硕士学位论文 达到1 3 2 0 k q l ，占据电网较大比例的容量( 接近1 6 ) 。可以想象，如果发生6 6 0 跚机组掉 闸n ”1 ，将对华北电网造成严重的冲击，不仅会使华北电网网频降低，还将使韩高联络线 过负荷。如果同时华北电网有其他扰动，还将导致河北南网与华北主网解列，使首都北 京失去一个重要的事故支援点。如果两台机组瞬间同时掉闸，结果更是不可想象的。 在河北南网内部，如果发生6 6 0 m w 机组掉闸，不仅将使河北南网的用电负荷造成严重 紧张局面，而且会使。西电东送、南电北送”的“送电断面”受到影响。系统频率和电压 都将大幅下降，如果同时发生其他扰动，甚至有造成电压或频率崩溃的危险。 为保证电网的安全运行，必须针对河北南网目前出现的新的特点，寻找一套完善的措 施，避免出现以上所述的系统问题。这也正是本文所要研究解决的课题 1 3 本文所做的主要工作 随着电力生产的发展，电力系统的区域电网逐步扩大；为了实现区域电网之间的电能 合理调配和事故支援，有效地节约能源，区域电网逐渐实现网间互联，形成大型电网和超 大型电网。在区域电网逐渐实现网间互联的过程中，网问联络十分薄弱，很容易因各种系 统内或系统外的扰动导致网间解列，甚至引起系统振荡使电网瓦解。另一方面，随着科学 技术的发展，为了节约原材料和国土资源，发电机组逐步向大型、节能、高效发展单台 机组的容量增大，使其在中小电网中所占的比例也大幅增加，当大容量机组发生跳闸时， 对电网的冲击十分严重，很容易造成系统事故。 本文以河北省南部电网邯峰发电厂两台6 6 0 m w 机组投入运行后的情况为背景，作了如 下工作： ( 1 ) 分析并计算河北南同在发生6 6 0 b i 机组掉闸时，对电网频率和联络线潮流等方 面造成的影响“”“ ( 2 ) 分析消除6 6 0 m w 机组掉闸对河北南网造成的影响需要采取的手段。 ( 3 ) 分析在电网发生扰动时，利用一次调频功能。调节电网联络线潮流，保证电网 安全稳定运行的可行性i l l , 1 1 1 4 1 。 ( 4 ) 利用邯峰2 # 机组性能试验的机会验证利用一次调频功能在电网发生扰动时调 节电网联络线潮流、保证电网安全稳定运行等方面所起的作用。 ( 5 ) 分析一次调频功能投入运行时对发电设备产生的影响，以及存在的问题，并提 出针对性措施 4 第二幸6 6 0 唧机组掉闸对河北南网影响的计算及对策 26 6 0 m w 机组掉闸对河北南网影响的计算及对策 2 1 邯峰6 6 0 1 n 机组掉闸对系统影响的计算 电力系统中不同种类的负荷对频率的变化的敏感程度有所不同，根据有功负荷与频 率的关系，可以将负荷分为与频率变化无关的负荷( 如照明) 、与频率成正比的负荷( 如阻 力矩为常数的球磨机) 、与频率的平方成正比的负荷( 如变压器涡流损耗) 、与频率的三次 方成正比的负荷( 如通风机) 以及与频率的更高次方成正比的负荷( 如静水头阻力很大的给 水泵) 由此可以得出电力系统负荷与频率的关系： 昂= 最+ q 兄喏 + 岛气陆 2 + 吗匕丁+ + 哦匕丁 c 2 ， 式中，昂频率为f 时整个系统的有功功率2 气频率为额定值f 时整个系统的有功功率， q 与频率的i 次方成正比的负荷占最。的百分比。 以昂。和f 分别作为功率和频率的基准值，可以得到上式的标么值式： 丑) = 0 0 + q 厂+ 吩，吃+ 0 3 厂3 + + 厂“ ( 2 2 ) 因系统中与频率的高次方成正比的负荷所占的比重很小，通常计算时只取到三次方 项。据此可以得到系统负荷的静态频率特性曲线图： 西安理工大学工程硕士学位论文 p k d ，： 厂 图2 - 1 系统负荷的静态频率特性曲线图 f i 醇- 1s t e a d y - s t a 把f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sc u r v oo f s y s t e ml o a d 由图可知，在额定频率附近，负荷基本与系统频率成线性关系，也就是说，当系统中 有功功率失去平衡引起频率变化时，系统也参与对频率的调节，使系统中的有功功率在新 的频率值下s 重新获得平衡，这种现象称为负荷的频率调节效应为衡量负荷的频率调节 效应，定义i ( _ 为衡量负荷的频率调节效应系数： 岛= 等( 胛舷) 。 ( 2 3 ) 或用标么值表示为 b = 褙= 等= t g a 亿t ， 通常电力系统负荷的频率调节效应系数k 由试验确定。 根据我们的调研，华北主网基本没有机组参加一次调频，所以计算网频变化时可按全 网考虑，而联络线负荷转移考虑到事故时的振荡，因涉及机电暂态过程，较为复杂，这里 不作定量分析，但定性分析其峰值应大于河北南网失去负荷的数值( 即6 6 叫i ) 。 因华北电网与东北电网己联网运行，根据河北省调提供的数据，华北全网可调容量约 为2 7 5 0 0 m w ，东北网可调容量约为1 7 0 0 0 m w ，华北东北联合电网( 下简称联合电网) 合计可 调容量约为4 4 5 0 0 m w ，邯峰单机为6 6 0 m w ，占联合电网总负荷的1 4 8 9 6 。根据河北南网的 经验数据，考虑了发电机组调节系统的调节效果( 未含准备投入的d e h 机组) 后，电网的频 率调节效应系数通常取6 7 。 所以 吩= o 0 1 4 8 ：竖：业坐：0 0 0 2 4 7 。 b 6 v = 矿x 正= 0 0 0 2 4 7 x 5 0 = o 1 2 3 h z 按7 计算时 6 第- - - , - 6 6 0 m 机组掉同对河北南同影响的计算及对策 矿= 半5 0 - o 1 0 6 7 , 所以当邯峰单机甩负荷时，华北、东北联网时的全网频率估计下降0 1 0 6 0 1 2 3 h z 。 2 2 河北南网发生6 6 0 h 机组掉闸的对策比较 根据前述河北南网的基本概况和6 6 0 1 佣机组掉闸时的计算分析，可以看出6 6 0 哪机组 掉闸对河北南网产生的影响是十分严重的。华北网调为确保联络线安全，就韩高联络线潮 流对河北省电力公司提出了如下要求：韩高联络线潮流( i 、i i 线之和) 运行中不得超过 5 5 0 姗：在房( 山) 韩( 村河) 只有一条线路运行时，韩高联络线潮流( i 、i i 线之和) 大于4 5 0 j 时延时2 0 秒韩高联络线掉闸。 根据以上要求，为避免发生6 6 0 m w 机组掉闸，我们做了大量的工作，先后拟定了邯 峰发电厂机组稳定运行控制措旌和邯峰发电厂防止# 1 ，2 机组全停的安全措施，力 争通过邯峰发电厂内的运行管理避免发生6 6 0 m w 机组掉闸事故，杜绝两台6 6 0 1 椰机组同时 或相继掉闸事故。但一旦发生6 6 0 j 机组掉闸，为了切实有效地减小其对河北南网和华北 主网的影响，避免导致大的系统问题，我们考虑应在邯峰发电厂以外也就是系统中采取一 些措施，以作为6 6 0 姗机组掉闸的保安手段。 2 2 1 增大电网容量方案 ” 根据前面的计算，如果能够增加电网的容量，可以有效地减小大机组掉闸对系统造成 的影响。 一种方案是采用大电网联网方案，它的区域网间的互相支援功能可以有效降低大机组 掉闸所引起的频率变化同时多个电网的互联可以使联络线的事故潮流得到分解。可是大 电网的联网不仅需要时间，而且存在经济等方面一系列的问题需要解决，短期内无法以实 现 另一种方案就是新建机组，增加河北南网自身的容量可以达到同样的目的。根据计算 和多年来的运行经验，在邯峰机组未投运时，河北南网掉一台3 0 咖机组对系统基本不会 造成威胁。河北南网正在兴建国华定曲电厂，一期装机1 3 2 0 1 栅；同时在安装四台总容量 5 5 0 m w 的供热机组。但这些机组的建设周期较长，也无法解决目前河北南网的现实问题。 2 2 2 切负荷方案 电力系统受到的内部或外部的扰动，如发电机的非计划停运，或是发电机、变压器、 输电线路等系统元件运行环境的恶化，会使电力系统中各元件的备用容量减少到不允许的 程度，导致电力系统安全水平的降低。无论是哪一种扰动究其本质，大都是打破了电网中 电能的需求平衡。在河北南网中，6 6 0 1 岍机组瞬间掉闸可以说是河北南网受到的内部或外 部的扰动中最极端或最大的一种扰动。为了使电力系统在受到扰动时能安全运行，最为有 7 西安理工大学工程硕士学位论文 效的手段就是用最短的时间为电网寻找一个新的电能平衡点。按照这个原则，在发生 6 6 0 m w 机组瞬间掉闸时，应在电网中，最好在该机附近同时切除同等负荷。 但在实际中，切负荷方案存在诸多问题。为了保证电网稳定，要争取在6 6 0 m w 机组瞬 间掉闸后用最短的时间准确地切除负荷，通常我们利用负荷快切装置而不依靠调度员下令 人工切除。首先负荷快切装置无法区分系统中掉机和掉线的故障，所以在运行中应躲过线 路重合闸的定值。这样，在时间上不能达到最快使电网中电能恢复平衡的目的。其次，切 负荷方案本身就是一种牺牲方案，因一个地区的负荷有限，鉴于负荷的性质，不可能将所 掉机组所在地区的负荷无限制的切除。为了保证华北主网与河北南网的联络线的安全，还 应考虑尽可能在联络线附近切除负荷，无法考虑所掉机组的就地原则。还有当负荷快切装 置发生误判时，所切负荷不可能很快恢复，会导致新的电网电能的不平衡问题 2 2 3 增出力方案 在系统发生6 6 0 唧机组瞬间掉闸时，为电网寻找新的电能平衡点还有一种方案，就是 增加电网中总的机组出力方案。即中心调度员发现电网中的大机组掉机后，令电网中的其 他运行机组升负荷或是令电网中的热备用机组立即启动以填补事故机组所造成的负荷缺 额。 根据前述河北南网的现状，河北南网持续多年的缺电局面一直未得到根本缓解，到 2 0 0 0 年，仍然没有检修备用容量。而因为中国北方区的干旱少雨，河北南网仅有的9 5 b - w 的水电机组常年也处于无水状态。当然即使有水，这么少的容量也是杯水车薪，无济于事。 更重要的是，中心调度员作出判断、下令执行的过程对于运行机组升负荷也需要较长的时 间，对于备用机组启动需要的时间就更长了 2 2 4 调无功电压方案 在发生6 6 0 唧机组瞬间掉闸时，对电网中电压下降使用调整无功电压来解决。可以想 见，这是一种头痛医头、脚痛医脚的方案。它只能解决掉闸机组所造成的无功缺额问题， 对于本质的电网中的机组有功出力缺额并未得到有效的解决。即使采用这种方案，在发生 大机组瞬间掉闸后，仍无法抑制频率下降乃至频率崩溃的趋势。 2 2 5 调整频率方案 根据电网中负荷与频率的关系，在额定频率附近，在电网中出现较大负荷变化时，系 统频率基本与负荷成线性关系。而根据系统频率所对应的运行中发电机组转速的变化，及 时地调整运行中发电机组的出力，可以较快地达到使电网重新找到电能平衡点的目的。 不同于前述增出力方案的是，如果采用自动调频装置，可以在秒级改变机组的出力( 安 装d e l l 的机组基本上是1 秒) ，而前述增出力方案基本上是分钟级，我们通常为区别这两 8 第二章6 6 岫孵机组掉闸对河北南网影响的计算及对策 种手段，称采用自动调频装置，根据系统频率所对应的运行中发电机组转速的变化，及时 地调整运行中发电机组的出力的方法称为一次调频| i k l 6 1 7 , i l lp 而把人工干预增加出力的方 案称为二次调频。 一次调频方案“”区别于负荷快切装置的还有，因一次调频的自动装置分装在了很多 机组上，一台机组发生误动，不会引起系统问题 2 3 河北南网发生6 6 0 m w 机组掉闸的对策确定 综合以上对河北南网发生6 6 伽- 机组掉闸时的各种对策分析，采用一次调频方案作为 邯峰6 6 哪机组掉闸时系统的。主要针对性措施”，对于事故时迅速增加各机组出力，在 最短时间内减小河北南网与华北主网之间的事故潮流，保证联络线不长时间过负荷是有可 能的 如果同时在系统中装设负荷快切装置，与系统的二次调频同时作为邯峰6 6 0 m w 机组掉 闸时系统的“备用针对性措施”，避免因大机组在电网非正常状态下掉闸时诱发频率崩溃， 可以有效地在定曲电厂投运前保证电网的安全稳定 限于篇幅本文对负荷快切装置与系统的二次调频不作深入阐述，而重点对如何利用一 次调频加强电网稳定进行进一步的研究 9 西安理工大学工程硕士学位论文 3 调频原理及利用一次调频增强电网稳定的可行性 3 1 电力系统频率控制的意义 电力系统的频率就是电力系统中同步发电机产生的交流正弦电压的频率。在稳态条件 下各发电机同步运行，整个电力系统的频率是相等的。它是电力系统运行参数中最重要参 数之一和表征电能质量的最重要指标之一电力系统的额定频率为5 0 h z 或6 0 h z ，中国采 用5 0 h z 。 电力系统中的发电与用电设备都是按照额定频率设计和制造的，只有在额定频率附近 运行时，才能发挥出最好的效能。当电力系统的频率产生过大的变动时对用户和发电厂的 运行都将产生不利的影响。 电力系统频率变化对用户的不利影响主要有三个方面：频率变化将引起系统中运行 的异步电动机转速的变化，由这些电动机驱动的纺织、造纸等机械的产品质量将受到影响， 甚至出现残次品；系统频率的降低还将使系统中运行的电动机的转速和功率降低，导致 传动机械的出力降低；工业和国防部门使用的测量、控制等电子设备也会因系统频率的 波动使准确性等其它工作性能大打折扣频率过低时甚至无法工作咖2 4 “。 更为危险的是电力系统频率降低时还将对发电厂和系统的安全运行产生威胁。如： 频率下降时，汽轮机叶片会因振动变大影响其使用寿命，甚至产生裂纹。电力系统的额定 频率为5 0 h z 时，当频率低到4 5 h z 附近，某些汽轮机的叶片还可能发生共振而引起断裂事 故；频率降低时，由异步电动机驱动的火电厂厂用机械( 如风机、水泵及磨煤机等) 的出 力降低，导致发电机出力下降使系统的频率进一步下降：特别是频率下降到4 7 - - 4 8 h z 以下 时将在几分钟内使火电厂的正常运行状态受到破坏，从而导致电力系统有功功率缺额增 大，使系统频率更快下降从而发生频率崩溃现象；在核电厂中，反应堆冷却介质泵对供 电频率有严格的要求，如果不能满足，这些泵将自动断开使反应堆停止运行；系统频率 降低时，电力系统中运行的异步电动机和变压器的励磁电流增加，使其所消耗的无功功率 增大引起系统电压下降。当频率下降到4 5 4 6 h z 时，各发电机及励磁机的转速均显著下 降，致使各发电机的机端电压下降，全系统的电压水平大为降低。严重时系统会出现电压 崩溃现象。发生频率或电压崩溃均会使整个电力系统瓦解，造成大面积停电。 因此，随着现代工业生产的发展和电力系统的不断增大，对系统频率的要求愈来愈高。 根据国家标准，电网供电频率的变化范围应小于士0 2 h z ，电力系统内部甚至要求频率的 变化范围要小于士0 1 h z 。这样，如何对系统频率进行有效的调节和控制正在成为人们越 来越关心的一个课题。 3 2 电力系统频率控制的手段 众所周知，在电力系统中并列运行的每一台发电机组的转速与系统频率的关系都同样 i o 第三章调频原理及利用一次调频增强电网稳定的可行性 遵循下面的原则： 厂= 尝( 3 1 ) 。6 0 式中p 一发电机转子极对数 n 一发电机组的转速( r m i n ) f 一系统频率( h z ) 可以看出，对系统频率进行控制实际上就是调节电力系统中并列运行的每一台发电机 组的运行转速。 根据发电机组的工作原理，发电机组在稳态运行时，其输入的机械转矩( ”和输出的 电磁转距( t ) 相等，转子以恒定的转速( o ) 运行、这时相应的输入功率( p = 。i 瞄等于输 出的电磁功率( p = 。i d 在有扰动的情况下，发电机组的加速转距、角速度的偏移和相位角的关系如下式所示 a t = a r o - a t , = ，掣= ，掣 c s z ， 式中i 是机组的转动惯量，。= 一。如果转速变化不大，可近似地认为 p 乒d t 6 ，p 产o z x t 。则前式可改写成 屹一必：，掣 ( 3 3 ) 由此可以看出，电力系统频率的恒定是以系统有功功率的平衡为前提的正常运行时 当系统有功功率平衡破坏时，各发电机组的转速及相应的频率就要发生变化。电力系统的 负荷是时刻变化的，任何一处负荷的变化都要引起全系统功率的不平衡导致系统的变化。 当系统负荷增加时，频率降低：反之，负荷减少时频率增大。所以，电力系统对系统频率 的调节和控制，就是要利用各种手段及时调节各发电机的出力( 通过调节原动机动力元素 一一蒸汽或水等的输入量) ，以保持频率的偏移在允许的范围之内 为保证电网频率在合格范围之内，就要求在电网频率发生波动时，尽快对其进行调节。 电力系统中的所有发电机组均装有调速装置( 器) ，当系统的负荷和频率发生变化时，每台 发电机的调速装置都将自身转速发生的变化，自动地调节进汽( 水) 阀门的开度，改变机组 出力，使有功功率重新达到平衡以达到调节电网频率的目的称为一次调频，具有d e h 功能 的机组其一次调频功能的响应速度为秒级：在电网频率变化后，通过调度员下令人为增减 机组出力以达到调节电网频率的目的称为二次调频，其响应速度为分钟级；通过投入备用 机组来改变电网频率，称为三次调频，其响应速度为小时级。 我们知道，电网用电负荷随时都在发生变化，所以电网频率也是时刻处于波动之中， 为保证电网频率的波动在尽可能小的范围之内，最有效的手段也就是启用机组的一次调频 功能 西安理工大学工程项士学位论文 3 3 发电机组调节系统的静态特性 综前所述，发电机组的输出的有功功率与机组转速有着密切的关系，负荷越大则转速 越低，负荷越小则转速越高。按照这个规律，我们可以画出发电机组调节系统的静态特性 曲线如下图所示： ( 发电机功事) 图3 - 1 发电机组调节系统的静态特性曲线 f i 9 3 1t h es t e a d y - s t a t ec h a r a c t e r i s t i c sc u r v eo f p o w e rs y s t e mw i t hg e n e r a t o ru n i tr e g u l a t i o n 在稳定工况条件下，发电机组由满负荷减小到零负荷时，转速改变的数值与额定转 速之比的百分数称为速度不等率( 或称不均匀度、速度变动率等等) j = j 臣土直x l ( 3 4 ) 嘞 考虑到实际上发电机组的负荷和转速关系并不是一条直线，我们关心的是发电机组 调节系统的静态特性曲线中某一点的斜率，所以引入局部速度不等率的概念： 矿=( 3 5 ) 式中即发电机组调节系统的静态特性曲线中的发电机满负荷n 。 速度不等率是调速系统的一个重要指标，也是发电机组的一个重要指标。它标志着机 组因系统频率变化所影响的出力，也标志着在不同机组的调速系统动作时改变同样的出力 所引起的转速变化的不同 可以想象，承担调峰和调频工作的机组其速度不等率应较小( 通常为3 镰) ，以使 电网负荷和频率发生变化时可承担较多的负荷变化；承担基本负荷的机组，其速度不等率 应较大( 通常为4 6 ) 以使电网负荷和频率发生变化时仍保持基本负荷不发生变化“”。 考虑到机组在甩负荷时超速保护不应动作，通常速度不等率应不大于麟；考虑到机 组的运行稳定，不至于机组总是处于调速系统动作中，机组的不等率应不小于3 。 在实际运行中，因为机组调速系统存在磨擦，当系统频率和外部负荷发生变化时，机 组的出力不会马上增加，而是要等到当系统频率和外部负荷变化到一定程度时机组的出力 才会发生变化。这样，实际运行中机组的调节系统的静态特性曲线不再是一条直线，而是 第三幸调频原理及利用一次调频增强电网稳定的可行性 一个带状区域阻“”。这种特性称为机组的迟缓特性。 图3 2 考虑迟缓特性的机组调节系统的静态特性曲线 f i 9 3 - 2 t h e 啦a d y 锄啦删o f f p o w e rs y s t e m w i t h g e n e 脚o r 衄i t 卅；i i l 鲥m 蛐o f 妯强；i s h 蛸 通常用迟缓率来表示机组的迟缓程度的大小： 占= 工兰l ( 3 6 ) 由于c 的存在，使机组的负荷可能出现较大的摆动。e 越大，机组发生负荷摆动的幅 度也越大。另一方面，当e 很大时，在系统频率发生变化后，机组可能不会产生响应。所 以我们希望调峰调频机组的c 应较小 3 4 一次调频原理 如同前述，在电力系统中，电网中并列运行的发电机组，在因电网负荷的变化引起电 网频率发生变化时，机组的调速系统动作，使机组出力随之变化，以适应电网负荷的变化。 这种由机组调速系统自动控制机组出力变化以保证电网频率稳定的调频方法，称为一次调 频”“3 “。 随着科学技术的发展，机组的调速系统由纯机械液压调速器发展到6 0 7 0 年代的电 气液压调速器( 简称电液并存) ，今天又发展到了由计算机控制和叫液压执行机构组成的 汽轮机数字式电液控制系统( 简称纯电调或d e l l ) 。 d e h ( d i g i t a le l e c t r i ch y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ) 由于采用计算机控制，所以传统的发电机组 调速系统的迟缓率大为降低，己不再有实际意义。为了保证d e h 不会频繁动作，d e h 可以 人为设定一个转速不灵敏区( 又称转速死区) 。另外，机组的转速不等率也可以在现场灵活 地设定。 d 阴技术的成熟使利用一次调频增强电力系统的稳定成为可能。 3 5 利用一次调频功能改善河北南部电网的稳定问题 在调频原理诞生以来，包括一次调频和二次调频都是用来调整系统频率，防止系统频 西安理工大学工程硕士学位论文 率的变化导致的一系列设备和电网的问题。因为我国长期以来一直是一个缺电的国家，能 否满足供电的电量需求一直是用户关心的首要问题，而对于电能质量一直未能引起用户的 足够重视。另一方面因受到科学技术进步的限制，我国制造的发电机容量增大的速度一直 滞后于电网的发展。对于前文所述河北南网面临的特有的“大机小网”问题，我国还没有 这样的先例。 通过以上的分析，系统的网频和系统中的有功负荷息息相关，负荷的变化必然导致网 频的变化，而网频的变化也会改变负荷的平衡情况。这就是调频原理的实质所在。而目前 我们针对河北南网面临的特有的“大机小网”问题提出的在“邯峰6 6 0 m w 机组掉闸时迅速 增加各机组出力，在最短时间内减小河北南网与华北主网之间的事故潮流，保证联络线不 长时间过负荷”的要求与调频原理是一致的，可以说是一个问题的两种说法。也可以说是 从不同的问题入手找到的同样的解决方案是殊途同归。 现在需要做的工作是根据计算的邯峰6 6 0 m w 机组掉机对系统影响的网频变化，在保证 机组安全的前提下选定一个转速死区和转速不等率。选定的转速死区要保证邯峰6 6 0 1 栅f 机组掉机时一定可靠地动作；选定的转速不等率要保证所有参与一次调频工作的d e l l 机 组，在这个网频变化时的动作量之和要大于系统所失出力( 6 6 0 唧) 与韩高线潮流定值 ( 5 5 0 姗) 之差 当然，考虑到安装电液并存调节器的机组的调频作用，实际系统负荷的变化届时必定 会优于计算的结果。 综上所述，利用发电机组的一次调频功能在电网中发生大的扰动时调节负荷潮流、改 善电网的稳定在理论上是可行的，但是机组的一次调频参数如何设置，要根据邯峰发电厂 6 6 0 m w 机组掉闸时华北电网的网频的变化进行认真的计算，并最好通过试验进行验证 1 4 第四章河北南部电网一次调频参数的计算 4 河北南部电网一次调频参数的计算 4 1 河北南网发电机组一次调频功能历史投入情况 因河北南网处于华北电网之中，电网的频率控制由华北总调负责；而且，在2 0 0 0 年 底以前河北南网总装机容量占华北网的比重不大，单机容量最大仅为3 5 0 懈，发生单机掉 闸事故时对全网造成的冲击较小，故河北南网多数d 阴发电机组的一次调频功能一直未投 入运行。 根据资料统计，截止2 0 0 5 年底，河北南网机组一次调频功能投入运行的有： 配备电液并存的d e h ，其一次调频功能在液调回路实现。包括马头电厂# 5 、# 7 、姻 和邯郸热电厂# 1 2 机组 配备纯电调的机组，包括上安电厂# 1 # 4 机组和邢台电厂的1 1 4 、# 5 和 1 8 机组。但上 安电厂# l 、# 2 机组设置的转速不等率为雠，调节范围有限，# 3 、# 4 机组设置的转速不灵 敏区太大( 士3o r m i n ) ，起不到一次调频应有的作用。 其它机组( 包括：西柏坡电厂# l 、# 2 、件3 、 4 机组，衡水电厂# 1 、 1 2 机组，邯郸热电 厂# 1 机组，马头电厂：1 1 6 、 1 4 机组，邯峰电厂# 1 机组，邢台电厂 6 机组) 一次调频功能均 未投入。 因为考虑的是邯峰的掉闸问题，所以邯峰机组在考虑调频容量时不予统计，但考虑在 邯峰两台机均投入运行时掉一台机的情况。可以考虑另一台机的动作情况可以通过设定 或修改定值参数，发挥一次调频功能作用的机组( 纯电调d e h ) 有如下表所列： 表4 1 河北南网纯电调d e h 机组容量汇总表 3 5 0 _ 3 咖2 0 0 姗1 0 咖 容量合计 上安 221 3 0 0 西柏坡 41 2 邢台 48 衡水 26 马头 ll3 0 0 邯郸 l2 0 0 总计 4 4 0 0 从上表可以看出，在邯峰2 # 机组投运以前，调频机组总容量为4 4 0 0 m w ，在邯峰机组投运 后可按5 0 6 0 j 计算 4 2 河北南网发电机组一次调频定值参数的计算 根据第二章的计算，邯峰发电厂单台6 6 0 m w 机组在满负荷运行中跳闸时，对华北电网 频率的影响大致在0 1 0 6 0 1 2 3 h z 左右。对联络线的影响是潮流峰值将大于6 6 0 m w ，超 西安理工大学工程硕士学位论文 过联络线定值( 5 5 伽) 1 1 0 w 。根据以上情况，我们对河北南网发电机组一次调频定值参数 进行了如下分析和计算： 4 2 1 转速死区 根据发电机组的工作原理，发电机组并网运行时的转速与发电机所在电网的网频具有 如下正比关系： 旦： 五 “1 ) 疗发电机组的运行转速 ，同一时刻电网网频 发电机组的额定转速3 0 0 0r m i n 石电网额定频率5 0 h z 同理，电网网频的变化就会引起电网中运行的所有发电机组的运行转速的变化，且成 正比关系。 竺：竽( 4 2 ) 如 a n 发电机组的运行转速变化 f 同一时刻电网网频变化 发电机组的额定转速3 0 0 0r r a i n 五电网额定频率5 0 h z 由此我们可以求出邯峰机组掉闸时所引起发电机组转速的变化。 她：譬。：1 0 1 _ 0 6 3 0 0 0 ：6 3 6 ( r m i 6 ( rm m ) 奶2 亏。丐矿 2 衄= 等即等x 3 0 0 0 _ 7 3 8 ( r m i a ) 这就是说，如果电网在额定频率时发生邯峰单台机组掉闸，电网中运行的各台机组转 速将下降6 3 6 7 3 8r m i n 。但这个值并不能就确定为一次调频发电机组的转速死区， 因为发电机组组掉闸时未必系统频率就在额定频率，而转速死区定义的却是转速偏离额定 转速的差。 根据我们省调掌握的情况，在没有大的系统扰动的情况下，电网频率通常在4 9 9 5 5 0 0 5 h z 之间变化，也就是与网频通常控制在士0 0 5 h z 左右。这个变化引起的