酋北电网一次调频试验分析 白成春 ,焦 莉z,朱 泽3,李 华 ,霍大渭 (1.陕西电力科学研究院,陕西西安710054;2.陕西省电力公司,陕西西安710048;3.西北电网有限公司,陕西西安710048) 摘要:针对西北电网地域宽、线路长、电源点和受电用户较为分散,水电机组装机较多等特点,制定西 北电网一次调频整体联调试验方案.实际测试一次调频对电网频率扰动的抑制作用.分析了西北电网在有, 无一次调频功能、有/无自动发电控制(AGC)、正向/负向频率阶跃扰动等不同组合方式时的动态响应。根据 试验结果分析研究.得出水火电机组一次调频的差异及协调动作的建议.以及一次调频和AGC协调配合 问题。试验结果为西北电网的优化运行、应对突发事故、改进区域电网的运行方式提供技术依据,也为 《西北电网直调发电企业管理考核细则》的实施和西北电网AGC控制方案提供技术支撑。 关键词:一次调频;试验;AGC;响应;电网 中图分类号:TM733 文献标识码:A 文章编号:1004—9649(2008)06.0014.05 0引言 发电机组的一次调频能力对维持电网频率的稳 定起着极其重要的作用.特别是对于那些快速调节 机组所占比重少的区域电网尤为关键。当系统发生 大的事故.系统出力发生突变时.如果并网机组具有 一观环境下.充分利用现有各种资源.通过加强管理来 提高电网安全水平.保证电网安全优质经济运行.提 高电能质量.应对突发事故的发生.加强电网频率的 控制水平.改善电网动态品质.成为亟待解决的课 题 西北电网有限公司于2003年将一次调频试验列 为重点工作.并由西北电网调度中心和西北电力试 验研究院(现陕西电力科学研究院)承担实施。经过 前期的调研、论证.于2004年1月开始对西北电网 直调的8个电厂进行一次调频预备性试验.摸清各 次调频能力.可以有效地抑制电网频率的波动幅 度,缩短波动周期…,同时,一次调频的快速响应.可 以为系统的AGC(自动发电控制)调节提供有利的 缓冲作用 .可以明显提高整个电网系统抗功率突 变的能力.改善电网频率的质量。 “网厂分离”以后.电网对各发电机组的有效控 直调电厂发电机组调速系统类型及其一次调频的实 现方式、性能指标等基本情况.协助直调电厂确定一 次调频控制策略及参数整定.分析存在的问题.并制 定改进措施 制作用逐渐减弱.随着发电机组单机容量的不断增 大.单台机组跳闸对电网的扰动越来越大.大的机组 事故危及电网的安全与稳定.区域互联电网频率稳 定问题13趋凸现 .完善和规范上网机组的一次调 频功能又重新受到各方重视.并逐渐作为电力体制 1 网内直调电厂机组一次调频功能基本I睛况 为了使一次调频试验工作有序推进.先对西北 电网直调电厂机组进行试验.等取得一定试验数据 和经验再在网内其他机组上进行试验。西北电网直 调电厂8个.3l台机组总装机容量8 820 MW.占 2004年西北电网总容量的30%.其中火电厂4个. 装机容量总计3 800MW:水电厂4个.装机容量总 计5020MW。 改革后“机网协调”的一项重要工作在各大区域电网 中开展 西北地区黄河上游水利资源比较丰富.梯级电 站装机容量较大.在西北电网上网机组中.水电比例 高达40%.由于水电机组具有调整迅速、运行灵活 的特点.电网的调频调峰任务长期以来主要由水电 机组来承担.火电机组的一次调频潜能未得到有效 由于一次调频工作一直没有开展.经初步调查 摸底.发现网内大部分机组不具备一次调频能力.火 电机组主要问题表现为:一部分机组汽轮机调节系 统还为老式液调系统,不具备可调性一次调频功能: 利用。但和国内外电网相比。西 匕电网存在线路长、 电源点分布不均、网架结构薄弱等不足.“网厂分离” 后生产调度协调难度加大.安全隐患增多.如何在客 收稿日期:2007—12—15;修回日期:2008—04—06 作者简介:白成春(1963一),男,陕西榆林人,副总经济师,高级工程师,中国电机工程学会高级会员.陕西省电力公司A级工程 技术专家,从事电力系统试验研究工作。E-mail:baichengchun@vip.sina.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 白成春等:西北电网一次调频试验分析 一部分机组虽然更换为新式电液调节系统(DEH)。 但是一次调频方案设计不合理.一次调频功能无法 投入:还有一部分机组频差(转速)死区和速度变动 率设置过大.起不到一次调频功能作用。水电机组主 要问题表现为:一部分机组调速系统老化无法正常参 与一次调频:一些机组调速系统的调节异常、性能指 标达不到一般要求以及设计功能不完善:还有一部分 机组调速系统出现异常抽动.机组转速摆动值超标. 调节参数更改困难.不敢投入一次调频功能。 对于以上问题.各个电厂积极整改.通过更换调 速系统、重新设计一次调频功能、现场设备调整、联 网单机试验等措施.使大部分机组恢复一次调频功 能.通过对单机模拟试验.并对各机组的控制参数做 了适当整定.为了使所有参与试验的机组都能发挥 一次调频能力.并具有相对的一致性.对参与本次联 调试验机组的有关技术指标做统一的调整: (1)死区:电液型汽轮机调节控制系统(DEH) 的火电机组死区控制在-+0.033 Hz(±2 r/arin);机械、 液压调节控制系统的火电机组死区控制在±0.10 Hz (±6 r/arin):水电机组人工死区控制在±0.05 Hz (2)转速不等率(或水电机组永态转差率):火电 机组转速不等率为4%~5%:水电机组永态转差率不 大于3%。 (3)最大调整负荷限幅:为确保一次调频投入后 机组的安全运行.暂定一次调频的最大调整负荷按 机组额定出力的6%进行限幅 (4)调速系统迟缓率(或水电调速器转速死区): 电液型汽轮机调节控制系统(DEH)的火电机组.迟 缓率要求小于0.06%:机械、液压调节控制系统的火 电机组.迟缓率要求小于0.10%:水电机组调速器转 速死区小于0.04% 2西北电网整体联调试验 通过对单台机组的一次调频性能试验和联网实 际频率扰动试验.取得了大量的试验数据.在此基础 上制定了整体联调试验方案 2.1 参与试验的机组 参加联调试验的机组包括:电网直调水电厂的 各并网发电机组和部分火电机组共计22台.其中水 电机组15台.公伯峡电站1号机组不参与一次调 频.利用其甩200MW负荷时为电网提供向下的频 率扰动.其余14台水电机组均可参加一次调频:火 电机组7台.均参与一次调频。参加联调试验机组总 容量为5 500MW,占电网总装机容量的18.8%。 2.2试验方案 本次联调试验旨在摸清西北网调直调发电机组 一次调频的能力.通过实际测试一次调频对电网频 率扰动的抑制作用.以及测试整个西北电网在有/无 一次调频功能、>fi/无自动发电控制(AGC)、正向/负 向频率阶跃扰动等不同组合方式时的动态响应特 性.测定在电网动态变化过程中一次调频与AGC的 协调配合关系.为西北电网一次调频功能的稳定、准 确地投入提供试验依据。 试验方案中.共进行了5个试验.现将其中的3 个试验的主要内容及结论介绍如下。 2.2.1 试验一:一次调频不投入,AGC不投入 参与试验机组一次调频功能不投入.网调AGC 不投入时. ̄1't3峡水电机组带200MW出力跳闸后. 测试整个电网负荷频率特性 从图1可以看出.当西-IE电网的总有功功率突 然变化200 MW时.系统频率从50,02 Hz降到了 49.80 Hz。在试验过程中,当系统频率低于49.80 Hz 的限值后.经人为干预增加出力.系统频率开始回 升 在试验过程中.各并网机组不管电网频率怎样变 化.机组负荷始终不变,如不进行人为干预,可能引 起电网频率进一步恶化,危机电网安全。 一次调频功能小投,公伯峡2号 机组带200 Mw出力跳闸的时刻 时问/min 图1 公伯峡水电厂200MW机组跳闸后电网频率变化曲线 (一次调频未投入,AGC不投入) Fig.1 Network frequency variation curve after tripping of Gongboxia Hydropower Plant with 200 MW capacity (without primary frequency regulation and AGC) 2.2.2试验二:一次调频投入,AGC不投入 参与试验机组一次调频功能投入.网调AGC不 投入时.公伯峡发电机组带200MW出力跳闸后,测 试电网对负向频率阶跃扰动的响应特性 从图2频率变化曲线可以看出,在公伯峡水电 厂机组跳闸后.电网频率从50.02 Hz下降到49.90 H 以后.再没有下降.各投入一次调频的机组增加 出力.大约1.7 min(102 S)后,电网频率已恢复到 (50.00+_0.033)Hz。 与试验一结果相比.在公伯峡水电厂2号机组 跳闸后.系统总有功功率减少200 MW,系统频率都 会迅速降低.但试验一未投入一次调频功能,因此系 统频率降低到了49.83 Hz,并在该频率附近维持了 维普资讯 http://www.cqvip.com
次调频功能投入.公们峡2号 机组带200Mw出力跳闸的【『、】刻 50 O4 _ / 1 50 00 羹49.96 - /v 掣49.92 _ /l 7 in一 、 ÷一一一一一— 时I' ̄J/min 图2公伯峡水电厂200MW机组跳闸后电网频率变化曲线 (一次调频投入。AGC不投入) Fig.2 Network frequency variation curve after tripping of Gongboxia Hydropower Plant with 200 MW capacity (with primary frequency regulation,without AGC) 28 s.且有不断下滑的趋势.后经人为干预电网频率 才得以恢复。试验二由于投入了一次调频功能.而使 系统频率在16 s内回升到了49.93 Hz.并在1.7 arin 后电网频率自动恢复到额定值附近 试验二系统频 率降低较少的原因是系统在公伯峡电厂200 Mw机 组切机后.参与试验机组因一次调频功能的投入而 在短时间内增加了较大的有功出力.系统频率的降 低也较小 2_2.3试验三:一次调频投入,AGC投入 参与试验机组一次调频功能、西北电网AGC均 投入时.刘家峡机组出力快速增加200 MW后.测试 电网对频率阶跃扰动的响应特性.以及在电网动态 变化过程中二次调频的作用 试验中参与AGC调节的是龙羊峡2号机组 理 论上讲.由于有西北电网AGC和一次调频的共同作 用.系统机组出力快增200MW时.系统频率变化应 更小 从图3频率变化曲线可以看出.当系统发电机 有功出力快增200MW时.系统频率开始上升.经 22 s后升到最高点50.07 Hz.此后在AGC和一次调 频机组的共同作用下系统频率开始下降.经1.5 arin 后回到了额定频率附近 对比试验一、试验二、试验三可以得出这样的结 论:系统机组出力变化200MW时,在一次调频功能 和西北电网AGC均不投运的情况下.系统频率的变 化幅度会很大.系统频率的最大偏差达到了0.22 Hz 的限值:如果仅投入一次调频功能而不投入西北电 网AGC.系统频率的变化幅度较前一种情况小.系 统频率偏差的最大值为0.12 Hz.但系统频率不会回 到额定值附近:在一次调频功能和西北电网AGC均 投入的情况下.系统频率上升的幅度最小.系统频率 偏差的最大值仅为0.09 Hz。表1给出了试验一、试 验二、试验三系统频率变化的对比情况 次调频功能投入,AGC投入, 电网快速增加负荷200 Mw时刻 50 15 z 50.10 耄50 05 50 00 叫间/min 图3刘家峡水电厂快速增加出力200MW后电网频率变化 曲线(一次调频投入。AGC投入) Fig.3 Network frequency variation curve after adding 200 MW capacity of Liujiaxia Hydropower Plant (with primary frequency regulation and AGC) 表1 一次调频试验中电网频率变化对比 Tab.1 Network frequency variation in primary frequency regulation test 试验结果表明:西北电网AGC配合系统一次调 频功能的投入可以更好地提高系统的频率稳定性 2.3火电机组和水电机组一次调频效果比较 将本次试验的火电机组和水电机组分组对比. 发现火电机组一次调频可以对电网频率变化做出快 速的反应,最快的8 s内将负荷加到上限:但水电机 组一次调频调节时间普遍较长(各机组、各次一次调 频试验过程均需80 s以上才能达到目标出力).与 火电机组相比.负荷调节随动性差 这是因为火电机 组利用锅炉的蓄热E4.开启主汽门的迟缓率很小.在 1 s内将主汽门开到位.汽轮发电机的惯性也较水轮 发电机的小.可以快速将负荷加上去:而水轮机从闸 门开启到加上负荷.需要较长的时间。下面利用单台 水、火电机组的一次调频响应来对比说明 图4为试验三中李家峡电站3号机组(水电机 组)与渭河电厂2号机组(火电机组)一次调频过程 对比曲线 从图4分析.当电网发生扰动后.电网频 率迅速升高至最高点50.07 Hz.10 s后渭河电厂3 号机组出力由263 MW下调到最低点258 MW.后随 电网频率的降低而逐步升高.当电网频率恢复到 50.00Hz时.机组出力重新回到263 MW附近 李家 峡电站2号机组从电网频率升至最高点到机组出力 跳到最低点,历时121 s.而此时电网频率已恢复到 50.00 Hz。可见李家峡电站2号机组一次调频过程 维普资讯 http://www.cqvip.com
5O.10 50.O5 50 O0 49 95 49 90 49 85 49盘O 49 75 1O 12 14 16 时问/rain 图4火电机组和水电机组一次调频响应曲线比较 Fig.4 Comparison of primary frequency regulation response curve between thermal&hydro power unit 远比渭河电厂2号机组要长.电网频率的随动性也 较差。 2.4试验分析研究结果 (1)参与试验机组在未投入一次调频和AGC的 情况下.系统增加或减少200 MW出力都会使系统 频率的变化量超过限定值;(2)参与试验机组投入 一次调频而不投AGC的情况下.系统增加或减少 200MW出力都不会使系统频率的变化量超过限定 值.系统频率变化量比未投入一次调频和西北电网 AGC的情况下约小0.1 Hz.从而很大程度地提高了 系统的频率稳定:(3)参与试验机组投入一次调频且 投入AGC的情况下.系统增加或减少200MW出力 都不会使系统频率的变化量超过限定值 与不投 AGC相比.区别主要在于投入AGC可以使系统频 率逐渐回到额定频率附近:(4)一次调频功能和 AGC的投入可以大大地提高系统的频率稳定性l 51. 从而提高西北电网安全稳定运行的水平;(5)试验中 西北电网AGC的投入使得西北电网直调电厂中一 部分具有一次调频功能的水电厂没有参与一次调 频.说明西北电网AGC与系统一次调频在相互配合 上存在问题 ’ 2.5建议 电网一次调频功能主要针对的是短周期负荷 变化引起的频率波动及事故状态下电网频率的快 速平稳恢复.因此要求调频动作响应迅速并具有一 定的响应幅度和持续性 从对水火电机组响应特 性的试验结果和分析来看.二者各有特点:火电机组 调速系统时间常数小.响应速度较快.但响应幅度 和持续性受机前蒸汽参数的影响较大 .一旦锅炉 蓄热利用完.再增加负荷比较慢:水电机组响应速 度较慢.但水电机组一旦开始响应则响应幅度较 大.精度较高.持续时间较长。所以在电网中.如遇 大的负荷突变事故.火电机组一次调频可以快速地 做出反应.缓解电网频率的过大变化,紧接着水电 机组一次调频可进一步改变出力.抑制频率变化. 最后AGC起作用使频率稳定在额定值范围.形成 梯级调节 根据试验结果分析.认为在西北电网内更好地 发挥一次调频功能投入后对稳定系统频率所起的作 用.必须解决好水、火电机组一次调频动作协调的问 题 建议采取以下2项措施: (1)由于水电机组调速系统自身特点,若跟随系 统频率(短周期波动)频繁调节。一方面有可能抵消 火电机组的正常调频响应:另一方面也危及调速器 本身。为此.建议采用类似AGC策略中按ACE(区 域控制偏差)分段控制的思想.水火电机组分别设置 各自的人工转速死区.通过试验确定合理避开频繁 调节的频差段 火电机组采用较小人工转速死区.以 便应对短周期负荷波动:水电机组采用较大人工转 速死区设置.在避免频繁动作的同时.一旦系统出现 较大的频率事故(如联络线跳闸或大机组事故解列 等)。水电机组发挥响应幅度大、持续性好的优点。有 利于系统频率的快速稳定恢复.双方取长补短、协调 动作。 (2)在补充水电机组暂态调差功能的基础上.适 当减小水电机组的永态调差系数设置.加快水电机 组响应速度和响应幅度.尽量发挥其调节性能好的 优点 3结语 根据西北电网一次调频联调试验过程分析. 总结出区域电网做好一次调频工作必须注意以下 问题: “厂网分开”体制改革后.“机网协调”难度加 大 .参加上网的电厂必须具有全局观念.应从保持 电网稳定的大局出发.如果电网因频率控制不好而 发生解网甚至电网崩溃事故 .受损失的将不仅仅 是供电企业.保证电网的安全对各方都有利.参加电 网的一次调频.是所有并网电厂的职责和义务.各并 网机组必须具备完备的一次调频功能.各厂应正确 认识投入一次调频的重要性和紧迫性 要做好一次调频工作.还要有配套的政策 对于 电厂来说参加电网一次调频.需要先进的调节设备 和完整的一次调频功能.需要设备投资.另外在参加 一次调频的过程中.机组负荷经常波动.机组的经济 性比带固定负荷差.必须给予一定的经济补偿:否 则.没有电厂愿意参加一次调频工作。为此一次调频 工作做得好的区域电网.大都制定了详细的电网发 电机组一次调频运行管理规定.规定参加一次调频 的机组根据参与调整的电量大小、幅度、时间长短, 17 维普资讯 http://www.cqvip.com
中国电力 第41卷 给予一定的价格优惠或合理的经济补偿10 .调动厂 网双方的积极性 对一次调频工作开展应细致扎实.对并网机组 的一次调频功能应逐台调整、试验.制定统一的参数 范围.尤其是火电厂应强调CCS(机炉协调控制系 统)和DEH(汽轮机电液调节系统)同时投入,保证 (20):49-52. [5]于达仁,郭钰锋,徐基豫.发电机组并网运行一次调频的稳定性 [J].中国电机工程学报,2000,20(9):59—63. YU Da-ren,GUO Yu—feng,XU Ji—yu.The primary frequency regulation stability of parallel turbo—generators[J].Proceedings of the CSEE, 2ooO,20(9):59—63. 电网频率大幅波动时机组动作的一致性 对于水电机组比重大的电网.必须解决好水、火 [6]张毅明,罗承廉,孟远景,等.河南电网频率响应及机组一次调频 问题的分析研究[J].中国电力,2002,32(7):35—38. ZHANG Yi—ming,LUO Cheng—lian,MENG Yuan-jing,et o1.Analysis on frequency response and primary requencyf regulation of generator 电机组一次调频动作协调问题,充分利用水、火电机 组的特点.协调互补.会取得很好的效果。 unitsinHenanpower system[J].ElectricPower,2002,32(7):35—38. 参考文献: [1]于达仁,郭钰锋.电网一次调频能力的在线估计[J].中国电机工 程学报,2004,24(3):72—76. 『71王玉山.雷为民,李胜.京津唐电网一次调频投入现状及存在 问题分析[J].华北电力技术,2006(3):1-3. WANG Yu—shan,LEI Wei—min,LI Sheng.Present situation and existing problems on putting primary frequency control function into YU Da—Fen,GUO Yu—feng.The online estimate of prima ̄frequency control abilityin electric power system[J].Proceedings oftheCSEE, 2004,24(3):72—76. Beijing-Tianjin-Tangshan grid[J].North China Electirc Power, 2006(3):1-3. [8 葛睿,董昱,吕跃春.欧洲“11.4”大停电事故分析及对我国 [2]周劫英,张伯明,郭玉金,等.火电AGC机组超前控制策略[J].电 网技术,2005,29(21):57—60. 电网运行工作的启示[J].电网技术,2007,31(3):1-6. GE Rui,Dong Yu,LU Yue—chun.Analysis of large—scale blackout in ZHOU Jie—ying,ZHANG Bo—ming,GUO Yu-jin,et .Strategy of automatic generation control in advance for thermal generator[J]. PowerSystemTechnology,2005,29(21):57—6O. [3]赵婷,戴义年,高林.多区域电网一次调频能力分布对电网 UCTE power grid and lessons to be drawn to power d operation in China[J].PowerSystemTechnology,2007,31(3):1-6. [9]KUNDUR P,PASERBA J,AHARAPU V,et o1.Definition and classiifcationof power systemstability[J].IEEETransactionsonPower Systems,2004,19(2):1387—1401. [10]丁军威,沈瑜,黄永皓,等.AGC辅助服务市场的竞价模式研 安全稳定运行的影响[J].中国电力,2006,39(5):18—21. ZHAO Ting.DAI Yi—nin.aGAO Lin.Influence of primaryfrequency .controIabilitv distirbution on power system security and stbiality[J]. ElectricPower,2006,39(5):18—21.究[J].清华大学学报:自然科学版,2003,43(9):1191—1194. DING Jun—wei,SHEN Yu,HUANG Yong—hao,et o1.Competition [4]韩忠旭,齐小红,王擎,等.协调控制系统快速响应AGC指令 modelsfor automatic generation controlin deregulated power systems [J].Journal of Tsinghua University:Sci.&Tech.,2003,43(9): 的设计新方法及其工程应用[J].电网技术,2005,29(20):49—52. HAN Zhong—xu,QI Xiao—hong,WANG Qing,et a/A novel design method orf apird response to AGC demand of coordinated control system 1191—1194. andits engineeirng applicaiton[J].PowerSystemTechnoloy,g2005,29 (责任编辑李博) Research on primary frequency ield ftest in Northwest China Power Grid BAI Cheng—chun ,JIA0 Li ,ZHU Ze ,LI Hua ,HU0 Da—wei (1.ShaanxiElectricPowerResearchInstitute,Xi’an 710054,China;2.ShaanxiElectricPowerCorporation,Xi’an 710048,China; 3.Northwest China Power Grid Co..Ltd.,Xi’an 7 10048,China) Abstract:In the light of the characteristics of wide area,long transmission line,dispersed power source&receiving consumer,lots of installed hydropower units,the test scheme for primary requency fcombined regulation in Northwest China Power Grid was formulated.The suppression of primary requency fregulation to network requency fdisturbance was tested in field.The paper analyzed the dynamic response under diferent combination mode,such as with/without primary frequency regulation function,with/without AGC,positive/negative frequency step disturbance.The primary frequency regulation discrepancy between hydropower&thermal power unit,regulation suggesdon. coordination between primary requency&AGC were fobtained as per the test results.The test results provide technical basis or fthe optimal operation,reply to contingency,and operation mode improvement of regional power network in Northwest China Power System.The results lso aprovide technical support or fthe implementation of Check Rules for the Management of Power Generation Enterprises under Direct Dispatching of Northwest China Power System,and AGC control scheme of Northwest China Power System. Key words:primary rfequency regulation;field test;AGC;response;power grid 18
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