CN106202793B - 一种基于一次调频限制的电网频率稳定仿真方法 - Google Patents

一种基于一次调频限制的电网频率稳定仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于一次调频限制的电网频率稳定仿真方法。在当前电网频率仿真计算中，仿真参数通常取典型值，未考虑实际一次调频性能，造成仿真结果不准确。本发明采用的技术方案为：首先，还原实际电网特高压直流闭锁事故时的开机方式及负荷情况，并建立理想并网机组调速器模型，通过调整机组调速器的一次调频上限来模拟全网总体一次调频能力，然后修正负荷有功频率响应因子，使仿真频率与事故后实际频率整体偏差最小，最终得到符合实际电网一次调频及负荷响应特性的频率稳定仿真参数。本发明可解决典型模型及参数无法准确反映电网实际频率稳定特性的问题，能够广泛应用于实际电网频率稳定仿真分析，并为今后电网事故预案提供决策依据。

Description

一种基于一次调频限制的电网频率稳定仿真方法
技术领域
本发明涉及电网频率稳定仿真领域，具体地说是一种适用于电网调度控制中心进行频率稳定分析及事故预案制定的电网频率稳定仿真方法。
背景技术
随着交直流混联电网中直流受电比重不断提高，区外直流取代了大量本地常规机组，导致全网转动惯量减小，在实际运行中也不参与电网调频。当发生直流闭锁事故后，电网频率稳定存在严重安全隐患，2015～2016年，华东电网已发生多起特高压直流闭锁事故，电网最低频率跌至49.56Hz。若直流闭锁功率进一步增大，严重情况下可能造成电网频率崩溃，损失大量负荷造成严重经济损失。因此，电网频率稳定仿真分析显得至关重要。
在以往的电网频率稳定仿真中，通常采用典型参数和经验值分析方法。文献一《龙政直流双极闭锁事故华东电网频率特性分析》(电力***自动化，2006年第30卷第22期第101页)研究表明：影响***频率分析的主要参数为发电机调速器参数和负荷模型参数，在仿真中两者均采用典型参数。文献二《华东电网因直流故障的频率事故分析》(电力***自动化，2006年第30卷第12期第102页)和文献三《淮沪特高压交流输电示范工程投产后华东电网频率仿真研究》(华东电力，2014年第42卷第12期第2764页)均采用了一种控制调速器比例的频率仿真方法，调速器投入比取经验值50％；但是上述方法仅建立在以往仿真经验的基础上，且仅均未考虑进行负荷侧参数修正。文献四《±500kV林枫直流双极闭锁故障案例仿真分析》(电网技术，2014年第30卷第4期第877页)在实际事故后仿真分析中也发现，当前的调速器及负荷模型参数用于电网稳定分析尚存在不足。
随着电网网架结构的变化及新设备新技术的投运，电网的频率稳定特性已发生变化，以往的典型参数和经验值已无法满足当前电网仿真需求。且近年来直流闭锁事故已发生多起，对电网的频率稳定造成巨大冲击。为此，急需一种可靠的电网频率稳定仿真方法，以便准确分析电网的实际频率稳定特征，制定切实有效的紧急控制措施，维持电网安全稳定运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于摆脱原有仿真方法对经验值的依赖，提供一种基于事故后实测数据的频率稳定仿真方法，其能够准确模拟实际电网的一次调频能力和负荷频率特性，以进一步提高电网频率稳定仿真的准确性。
为此，本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：一种基于一次调频限制的电网频率稳定仿真方法，其包括以下步骤：
步骤1，还原实际电网特高压直流闭锁事故时的开机方式及负荷；
步骤2，建立理想并网机组调速器模型，调整机组调速器的一次调频上限来模拟全网总体一次调频能力；
步骤3，修正负荷有功频率响应因子，使仿真频率与事故后实际频率偏差最小，最终得到符合实际电网一次调频及负荷响应特性的频率稳定仿真参数。
进一步地，步骤1的具体方法如下：首先，采用电力***暂态仿真软件，搭建与实际电网基础网架结构相同的模拟电网，线路参数均采用实测值；然后，根据特高压直流闭锁事故发生前的开机方式及负荷水平，设置暂态仿真软件中全网发电机的开机情况及各个变电站的有功和无功数值，使得暂态仿真软件中的模拟电网与事故前实际电网运行状况基本一致，然后转到步骤2。
进一步地，步骤2的具体方法如下：
步骤201：建立理想并网机组调速器模型，
首先，在步骤1得到的模拟电网中建立理想并网机组调速器模型，根据国家标准要求，设置并网机组调速器的一次调频出力上限为6％，发电机调速器其他参数采用典型值：调差系数为6％，死区为±0.0325赫兹，一次调频控制方式为开环控制；
步骤202：计算特高压直流闭锁事故后实际一次调频出力，
根据电网采样装置得到特高压直流闭锁事故后实测频率序列：
f(t0),f(t0+T)…f(t0+kT)
其中，t0为事故发生时刻，T为采样时间间隔，k为采样点总个数，f(t0)为t0对应时刻的电网实测频率；
取实测频率序列的最小值，得到电网频率最小值时刻tmin，全网发电机总台数为n，则计算得到电网频率最低点时，全网发电机实际一次调频总出力Psum：
Psum＝P1(tmin)+P2(tmin)+…+Pn(tmin)-P1(t0)-P2(t0)-…-Pn(t0)
式中，Pn(tmin)为n号机组在电网频率最小值时刻的实际有功功率，Pn(t0)为n号机组在事故发生时刻的实际有功功率；
步骤203：修正调速器一次调频出力上限，
采用包含调速器模型的模拟电网，开展特高压直流闭锁事故仿真，输出全网发电机的模拟有功功率，得到电网频率最低点时，模拟一次调频总出力P′sum：
P′sum＝P′1(tmin)+P′2(tmin)+…+P′n(tmin)-P′1(t0)-P′2(t0)-…-P′n(t0)
式中，P′n(tmin)为n号机组在电网频率最小值时刻的模拟有功功率，P′n(t0)为n号机组在事故发生时刻的模拟有功功率；
计算模拟一次调频总出力P′sum与实际一次调频总出力Psum的有功偏差ε：
ε＝P′sum-Psum
若有功偏差ε大于1，则减小全网调速器的一次调频出力上限0.1％，并重复步骤203；若有功偏差ε小于-1，则增大全网调速器的一次调频出力上限0.1％，并重复步骤203，直至有功偏差ε绝对值小于1，则认为模拟一次调频总出力与实际一次调频总出力一致，转至步骤3。
进一步地，步骤3的具体方法如下：
步骤301：建立负荷模型典型参数，
在步骤2得到的模拟电网中，建立负荷频率响应模型，采用如下的典型模型参数：负荷特性按40％恒阻抗与60％恒功率共同构成，有功负荷频率响应因子取2.1；
步骤302：修正负荷有功频率响应因子，
在步骤301得到的模拟电网中，开展特高压直流闭锁事故仿真，输出电网模拟频率序列：
f′(t0),f′(t0+T)…f′(t0+kT)
上式中，t0为事故发生时刻，T为采样时间间隔，k为采样点总个数，f′(t0)为t0对应时刻的电网模拟频率；
计算电网模拟频率与实际频率的整体偏差度Δ：
Δ＝[f′(t0)-f(t0)]2+[f′(t0+T)-f(t0+T)]2…+[f′(t0+kT)-f′(t0+kT)]2
在1.6～2.6取值范围内，改变有功负荷频率响应因子，重复步骤302；在所有计算结果中取整体偏差度Δ最小值对应的功负荷频率响应因子，即为符合实际电网频率特性的负荷参数。
本发明基于电网直流闭锁事故实测数据，通过限制一次调频上限建立调速器和负荷模型参数，不依赖于以往的典型值和经验值，更符合当前电网实际一次调频能力和负荷频率特性。本发明将提供与实际交直流混联电网频率特性相符合的仿真计算模型，能够解决典型模型及参数无法准确反映一次调频及负荷频率特性的问题，可广泛应用于实际电网频率稳定仿真分析，并为今后电网事故预案提供决策依据。
附图说明
图1是某次特高压直流闭锁后机组调速器实际一次调频效果图(图1a为华东A厂/20kV 4号机，图1b为华东B厂/25kV 3号机)。
图2是本发明的流程示意图。
图3是本发明的方法用于某次特高压直流闭锁事故仿真效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
电网一次调频是指：各机组并网运行时，受外界负荷变动影响电网频率发生变化，此时各机组的调速器参与调节作用，改变机组有功功率使之与外界负荷相平衡，同时尽力减少电网频率的变化，是维持电网频率稳定的重要措施之一。
图1给出了某次特高压直流闭锁后机组调速器实际一次调频效果，可以发现在同一次事故后不同电厂机组的一次调频特性差异极大。此外根据国家标准要求，并网机组的一次调频出力上限为6％，而图中机组均未达到该理论出力。因此，根据国家标准设定的调速器典型参数模型无法准确反应机组的一次调频特性，需要通过限制机组调速器一次调频上限来模拟全网的一次调频特性，才可提高频率稳定仿真的准确性。
下面根据图2的流程示意图，对本发明的具体步骤进行详细的说明。
(1)建立实际电网特高压直流闭锁事故时的开机方式及负荷
采用电力***暂态仿真软件，搭建与实际电网基础网架结构相同的模拟电网，线路参数均采用实测值。然后，根据特高压直流闭锁事故发生前的开机方式及负荷水平，设置仿真软件中全网发电机的开机情况及各个变电站的有功和无功数值，使得仿真软件中的模拟电网与事故前实际电网运行状况基本一致。
(2)调整机组调速器的一次调频上限来模拟全网总体一次调频能力
在模拟电网中建立理想并网机组调速器模型，根据国家标准要求，设置并网机组调速器的一次调频出力上限为6％。发电机调速器其他参数采用典型值：调差系数为6％，死区为±0.0325赫兹，一次调频控制方式为开环控制。
根据电网采样装置得到特高压直流闭锁事故后实测频率序列：
f(t0),f(t0+T)…f(t0+kT)
其中，t0为事故发生时刻，T为采样时间间隔，k为采样点总个数，f(t0)为t0对应时刻的电网实测频率。
取实测频率序列的最小值，得到电网频率最小值时刻tmin。全网发电机总台数为n，则可计算得到电网频率最低点时，全网发电机实际一次调频总出力Psum：
Psum＝P1(tmin)+P2(tmin)+…+Pn(tmin)-P1(t0)-P2(t0)-…-Pn(t0)
式中，Pn(tmin)为n号机组在电网频率最小值时刻的实际有功功率，Pn(t0)为n号机组在事故发生时刻的实际有功功率。
采用包含调速器模型的模拟电网，开展特高压直流闭锁事故仿真，输出全网发电机的模拟有功功率，得到电网频率最低点时，模拟一次调频总出力P′sum：
P′sum＝P′1(tmin)+P′2(tmin)+…+P′n(tmin)-P′1(t0)-P′2(t0)-…-P′n(t0)
式中，P′n(tmin)为n号机组在电网频率最小值时刻的模拟有功功率，P′n(t0)为n号机组在事故发生时刻的模拟有功功率。
计算模拟一次调频总出力P′sum与实际一次调频总出力Psum的有功偏差ε：
ε＝P′sum-Psum
若有功偏差ε大于1，则减小全网调速器的一次调频出力上限0.1％，重新计算有功偏差；若有功偏差ε小于-1，则增大全网调速器的一次调频出力上限0.1％，重新计算有功偏差。直至有功偏差ε绝对值小于1，则认为模拟一次调频总出力与实际一次调频总出力一致。
(3)修正负荷有功频率响应因子使仿真频率与事故后实际频率偏差最小
建立负荷频率响应模型，采用华东电网日常仿真中的典型模型参数：负荷特性按40％恒阻抗与60％恒功率共同构成，有功负荷频率响应因子取2.1。
开展特高压直流闭锁事故仿真，输出电网模拟频率序列：
f′(t0),f′(t0+T)…f′(t0+kT)
上式中，t0为事故发生时刻，T为采样时间间隔，k为采样点总个数，f′(t0)为t0对应时刻的电网模拟频率。
计算电网模拟频率与实际频率的整体偏差度Δ：
Δ＝[f′(t0)-f(t0)]2+[f′(t0+T)-f(t0+T)]2…+[f′(t0+kT)-f′(t0+kT)]2
优先地在1.6～2.6范围内，改变有功负荷频率响应因子，重复计算整体偏差度。在所有计算结果中取整体偏差度Δ最小值对应的功负荷频率响应因子，即为符合实际电网频率特性的负荷参数。
综上所述，即可得到符合实际电网一次调频及负荷响应特性的频率稳定仿真参数。
为了测试本发明所提方法的有效性，应用本发明的方法对某次特高压直流闭锁事故进行仿真验证。
首先，搭建某次特高压直流闭锁事故所对应的模拟电网。准确复现事故前电网的开机方式和负荷水平。并通过事故后的实测数据计算得到全网一次调频实际出力为1850兆瓦。
然后建立一次调频模型，通过模拟电网计算全网一次调频模拟出力，当模拟出力与实际出力的误差绝对值超过1兆瓦时，修正全网机组调速器的一次调频上限。最终得到：当一次调频上限为2.2％时，模拟一次调频出力为1850.4兆瓦。
接着建立负荷频率响应模型，开展特高压直流闭锁事故频率仿真，修正负荷有功频率响应因子，计算不同负荷频率特性下的模拟频率。最终得到：当负荷有功频率响应因子为1.9时，模拟频率与实际频率的整体偏差度最小，为13.4，如图3所示。
最后，得到符合当前电网一次调频和负荷频率特性的仿真参数为：一次调频上限2.2％，负荷有功频率响应因子1.9。
本发明可用于各级电网的调度控制中心，提高电网频率稳定分析的准确性，为制定有效的控制措施提供仿真基础。

Claims (3)

1.一种基于一次调频限制的电网频率稳定仿真方法，其包括以下步骤：
步骤1，还原实际电网特高压直流闭锁事故时的开机方式及负荷；
步骤2，建立理想并网机组调速器模型，调整机组调速器的一次调频上限来模拟全网总体一次调频能力；
步骤3，修正负荷有功频率响应因子，使仿真频率与事故后实际频率偏差最小，最终得到符合实际电网一次调频及负荷响应特性的频率稳定仿真参数；
步骤2的具体方法如下：
步骤201：建立理想并网机组调速器模型，
首先，在步骤1得到的模拟电网中建立理想并网机组调速器模型，根据国家标准要求，设置并网机组调速器的一次调频出力上限为6％，发电机调速器其他参数采用典型值：调差系数为6％，死区为±0.0325赫兹，一次调频控制方式为开环控制；
步骤202：计算特高压直流闭锁事故后实际一次调频出力，
根据电网采样装置得到特高压直流闭锁事故后实测频率序列：
f(t0),f(t0+T),…,f(t0+kT)
其中，t0为事故发生时刻，T为采样时间间隔，k为采样点总个数，f(t0)为t0对应时刻的电网实测频率；
取实测频率序列的最小值，得到电网频率最小值时刻tmin，全网发电机总台数为n，则计算得到电网频率最低点时，全网发电机实际一次调频总出力Psum：
Psum＝P1(tmin)+P2(tmin)+…+Pn(tmin)-P1(t0)-P2(t0)-…-Pn(t0)，
式中，Pn(tmin)为n号机组在电网频率最小值时刻的实际有功功率，Pn(t0)为n号机组在事故发生时刻的实际有功功率；
步骤203：修正调速器一次调频出力上限，
采用包含调速器模型的模拟电网，开展特高压直流闭锁事故仿真，输出全网发电机的模拟有功功率，得到电网频率最低点时，模拟一次调频总出力P′sum：
P′sum＝P′1(tmin)+P′2(tmin)+…+P′n(tmin)-P′1(t0)-P′2(t0)-…-P′n(t0)，
式中，Pn′(tmin)为n号机组在电网频率最小值时刻的模拟有功功率，Pn′(t0)为n号机组在事故发生时刻的模拟有功功率；
计算模拟一次调频总出力P′sum与实际一次调频总出力Psum的有功偏差ε：
ε＝P′sum-Psum，
若有功偏差ε大于1，则减小全网调速器的一次调频出力上限0.1％，并重复步骤203；若有功偏差ε小于-1，则增大全网调速器的一次调频出力上限0.1％，并重复步骤203，直至有功偏差ε绝对值小于1，则认为模拟一次调频总出力与实际一次调频总出力一致，转至步骤3。
2.根据权利要求1所述的基于一次调频限制的电网频率稳定仿真方法，其特征在于，步骤1的具体方法如下：
首先，采用电力***暂态仿真软件，搭建与实际电网基础网架结构相同的模拟电网，线路参数均采用实测值；然后，根据特高压直流闭锁事故发生前的开机方式及负荷水平，设置暂态仿真软件中全网发电机的开机情况及各个变电站的有功和无功数值，使得暂态仿真软件中的模拟电网与事故前实际电网运行状况基本一致，然后转到步骤2。
3.根据权利要求1所述的基于一次调频限制的电网频率稳定仿真方法，其特征在于，步骤3的具体方法如下：
步骤301：建立负荷模型典型参数，
在步骤2得到的模拟电网中，建立负荷频率响应模型，采用如下的典型模型参数：负荷特性按40％恒阻抗与60％恒功率共同构成，有功负荷频率响应因子取2.1；
步骤302：修正负荷有功频率响应因子，
在步骤301得到的模拟电网中，开展特高压直流闭锁事故仿真，输出电网模拟频率序列：
f′(t0),f′(t0+T),…,f′(t0+kT)，
上式中，t0为事故发生时刻，T为采样时间间隔，k为采样点总个数，f′(t0)为t0对应时刻的电网模拟频率；
计算电网模拟频率与实际频率的整体偏差度Δ：
Δ＝[f′(t0)-f(t0)]2+[f′(t0+T)-f(t0+T)]2+…+[f′(t0+kT)-f′(t0+kT)]2，
在1.6～2.6取值范围内，改变有功负荷频率响应因子，重复步骤302；在所有计算结果中取整体偏差度Δ最小值对应的功负荷频率响应因子，即为符合实际电网频率特性的负荷参数。
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