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[摘要]：本文针对在地区性电网与核心主电网发生交流解列后地区性电网在运行中所产生的高频问题，对地区性电网孤网运行中频率动态过程进行了仿真研究，继而深入分析了该地区相关的高频切机方案。分析结果表明，不同的切机方式对频率恢复的影响较大，这可为电力部门在进行此类事故处理时提供可靠的依据。
[关键词]：电力系统 切机方式 频率稳定控制
中图分类号：TM7 文献标识码：TM 文章编号：1009-914X（2012）12- 0219 -01
在电力系统中，频率作为一个重要的参数，是衡量电能质量一项重要的指标而不得不引起人们的重视。如果电力系统受到大容量负荷投切，发生大机组跳闸或者联络线跳线等一系列类似的扰动，就会破坏电力系统自身有功功率的平衡，导致系统频率产生动态变化。当电力系统的频率产生较大的变化时，将会显著影响系统顺利运行，甚至由于系统频率的稳定遭到破坏而导致事故发生。正是由此，国家相关规定要求的频率偏差范围是0.2-0.5 Hz。因此，对地区性电网系统频率的动态过程进行分析有助于进一步研究孤网系统自主网系统解列下来以后，孤网系统的运行、低频减载、高频切机等方案的设计、评价以及相关调频、调压举措的效益等工作。本文选取的地区电网与主电网仅仅通过220kV的单回线路联络，联系较为薄弱；当其向核心主电网输送电能的时候，一旦在220kV的单回联络线发生交流解列，将会迫使该地区的电网孤网运行，此时，孤网中存在的大量剩余电能势必引发地区性电网孤网运行中的高频问题。我们讨论了当该地区电网向核心主电网输送50、100MW的电能时，与主电网解列之后的切机方式对控制地区性电网频率稳定性的影响，旨在解决孤网运行中的高频控制问题。
一、电力系统之功率频率特性介绍
在电力系统中，所谓的功率频率特性就是指当系统的有功功率失衡时，频率的变化特性。它受电网电压、发电机的频率特性以及负荷的频率特性共同的影响，因此，通常被分作功率频率的静态和动态两种特性，分别描述频率的变化过程以及在频率发生变化之后的状态。前者指在稳态下的电力系统中有功功率与频率之间的关系，它主要取决于机组和负荷功率频率的静态特性；后者則指在电力系统遭受扰动过后因有功功率失衡而引发系统频率产生变化，即系统的频率自正常状态转变过渡到另一状态下的稳定值这样一个时间过程。
二、地区电网的概况及发电机组对调频的影响
选区电网经110kV的福和线或者220kV的克齐线与核心主电网相联络而运行，电网最高的运行电压是220kV，北至北屯、南至福海县、西至哈巴河县和吉木乃县、东至青河县，供电半径有240km，覆盖该地区的六县一市。地区电网所属发电厂的装机总容量达608 MW，火电、水电、风电分别为12、299、297 MW。
火电、水电的发电机组原动机均为涡轮机，不同之处在于，火电厂的锅炉产生的蒸汽经调节阀节流过后带动涡轮机做功；水电厂的水经调节阀节流之后带动涡轮机做功。在电网功率负荷发生幅度较大或者变化较快的差值变动时主要凭借火电、水电发电机组转速反馈的调节系统控制调节阀开度，从而调节发电厂的出力，促使电网总发电量与电网总负荷量保持平衡。风力发电机通过自动调节其桨距从而实现最大的功率输出，不过相较火电、水电机组，它不能随电网总负荷量发生变化而自动调节输出功率；由于风的间歇性特点而无法控制风电的出力；无法应对电力系统的功率缺额。在电力系统功率过剩或者电网高频时，尤其是经过水电、火电的一、二次调频过后仍无法解决高频问题就要重视高频切机问题，研究确定对电力系统影响最小且又快又稳地恢复电网频率的切机方式。
三、频率动态分析
（一）频率模型
对频率动态进行分析基于一个最基本的假设：整个电力系统的频率相等。在孤立运行的电网系统中，因其电气联系极为紧密，不存在同步稳定问题，所以计算时可忽略系统发电机转子之间相对摇摆。因此，电网系统各个节点的频率同一。这个系统同一的频率被定义成其惯量中心角速度：ωS=∑Miωi / MT，ωS指电力系统频率的标幺值；Mi指第i台发电机电磁转矩；ωi指第i台发电机频率标幺值；MT指该电力系统中全部发电机的电磁转矩之和。
接下来电力系统频率的动态方程可以表示为：MTωSdωS/dt=∑（Pmi-Pei）=Pa ， Pmi指第i台发电机原动机的机械功率；Pei指第i台发电机电磁功率；Pa指系统总的加速功率标幺值。
第i台发电机其转子运动方程可以表示成：Miωdω/dt =Pmi-Pei==Pai ，其中，Pai指第i台发电机加速功率。
根据电力系统的频率同一这个假设可以得到：Pai=Mi Pa/MT=Fi Pa ，其中，Fi指第i台发电机所承担加速功率系数。由上式我们可以知道，系统的同一频率指在电力系统中，总加速功率根据各发电机惯量按照比例分配给相应的发电机。
（二）负荷模型
选区其电网负荷模型是占40%的恒阻抗与占60%的感应电动机的组合。在感应电动机的负荷等值电路模型中，可得：X2=X2+（X2+XX）/（X2+Xu）；XX=2πf0TR2-X2 ；Kj=-CXU2/PiX ；其中，X指感应电动机说的等值电抗；X2指转子的电抗；XX指定子的电抗；Xu指励磁的电抗；f0指该电网的基准频率，为50 Hz；T指转子的惯性时间常数；R2指转子的电阻；Kj指同转速没有关系的阻力矩系数；CX指取决于电动机的参数以及初始的滑差系数；U指两端电压；Pi指同转速相关的阻力矩方次。
四、地区电网孤网运行的高频切机方式研究
在选定的地区电网靠风水打捆核心主电网分别运输传送50、100 MW的电能时，于地区性电网同核心主网交流解列后发生高频现象。就这个问题，我们提出了相关四种切机方式：Ⅰ——切相容量相等的风电；Ⅱ——切相容量相等的水电；Ⅲ——切相容量相等的风电、水电各为一半；Ⅳ——切风电、水电、火电发电机组的组合。同时，故障仿真研究做如下设置：假设克齐线在额尔齐斯侧出现三相永久短路故障，持续120 ms过后，克齐线两侧的开关跳开；并在故障发生后延时300 ms之后切出等容的机组出力。
（一）地区电网向外输送50 MW的功率
当我们仅考虑电网的负荷特性而不考虑水电、火电的机组调速器时，研究这几种切机方式对该区电网频率和电压变化的影响。结果表明：在切水电发电机组时，高低区的电网频率始终处于快速上升的状态，致使无法控制电网最终的频率；而余下三种切机方式中，电网频率均可以快速稳定在该地区规定的电网频率范围内，不过在进一步比较这三种切机方式后，可知只有在切风电机组的情况下，电压恢复最快，而且待电网频率快速恢复过后最接近额定频率。如果只考虑到火电、水电发电机组调速器，结果表明，电网频率剧烈振荡，并且属于快速发散振荡，终将致使电网频率崩溃。但是同时考虑到负荷特性与调速器时，电网频率于前30 s大幅度振荡，然后才能稳定下来；倘若均不考虑的话，于前30 s大幅振荡过后稳定在额定频率以下。所以只考虑电网负荷特性的情况下电网频率恢复最好，且最接近电网额定频率，
（二）地区电网向外输送100 MW的功率
研究方法同（一）。若仅考虑电网的负荷特性，结果表明：这四种切机方式都可以使电网频率恢复至允许的偏差范围内；在切水电机组时产生冲击频率为最大，终稳定在50.8Hz；其次为切风电、水电机组，不过电网频率呈下降趋势；再者是切风电、水电和火电机组，电网频率变化的幅度小且能较快地稳定下来；冲击频率最低的是只切风电机组，并可最快稳定至50 Hz。只考虑发电机调速器的情况下，电网频率发散振荡。不考虑负荷特性或者只考虑负荷特性的情况下，电网频率均能快速地稳定下来。所以考虑电网负荷特性其频率比不考虑的情况恢复得更好，且更接近电网的额定频率。
参考文献：
[1]胡仁祥，晁勤，焦莉，常喜强，姚秀萍.地区电网孤网运行的高频控制研究[J].四川电力技术， 2011，34（1）
[2]周川梅，孙斌.贵州主网及地区电网孤网运行安全稳定措施研究[J]电力系统保护与控制，2008（19）
[关键词]：电力系统 切机方式 频率稳定控制
中图分类号：TM7 文献标识码：TM 文章编号：1009-914X（2012）12- 0219 -01
在电力系统中，频率作为一个重要的参数，是衡量电能质量一项重要的指标而不得不引起人们的重视。如果电力系统受到大容量负荷投切，发生大机组跳闸或者联络线跳线等一系列类似的扰动，就会破坏电力系统自身有功功率的平衡，导致系统频率产生动态变化。当电力系统的频率产生较大的变化时，将会显著影响系统顺利运行，甚至由于系统频率的稳定遭到破坏而导致事故发生。正是由此，国家相关规定要求的频率偏差范围是0.2-0.5 Hz。因此，对地区性电网系统频率的动态过程进行分析有助于进一步研究孤网系统自主网系统解列下来以后，孤网系统的运行、低频减载、高频切机等方案的设计、评价以及相关调频、调压举措的效益等工作。本文选取的地区电网与主电网仅仅通过220kV的单回线路联络，联系较为薄弱；当其向核心主电网输送电能的时候，一旦在220kV的单回联络线发生交流解列，将会迫使该地区的电网孤网运行，此时，孤网中存在的大量剩余电能势必引发地区性电网孤网运行中的高频问题。我们讨论了当该地区电网向核心主电网输送50、100MW的电能时，与主电网解列之后的切机方式对控制地区性电网频率稳定性的影响，旨在解决孤网运行中的高频控制问题。
一、电力系统之功率频率特性介绍
在电力系统中，所谓的功率频率特性就是指当系统的有功功率失衡时，频率的变化特性。它受电网电压、发电机的频率特性以及负荷的频率特性共同的影响，因此，通常被分作功率频率的静态和动态两种特性，分别描述频率的变化过程以及在频率发生变化之后的状态。前者指在稳态下的电力系统中有功功率与频率之间的关系，它主要取决于机组和负荷功率频率的静态特性；后者則指在电力系统遭受扰动过后因有功功率失衡而引发系统频率产生变化，即系统的频率自正常状态转变过渡到另一状态下的稳定值这样一个时间过程。
二、地区电网的概况及发电机组对调频的影响
选区电网经110kV的福和线或者220kV的克齐线与核心主电网相联络而运行，电网最高的运行电压是220kV，北至北屯、南至福海县、西至哈巴河县和吉木乃县、东至青河县，供电半径有240km，覆盖该地区的六县一市。地区电网所属发电厂的装机总容量达608 MW，火电、水电、风电分别为12、299、297 MW。
火电、水电的发电机组原动机均为涡轮机，不同之处在于，火电厂的锅炉产生的蒸汽经调节阀节流过后带动涡轮机做功；水电厂的水经调节阀节流之后带动涡轮机做功。在电网功率负荷发生幅度较大或者变化较快的差值变动时主要凭借火电、水电发电机组转速反馈的调节系统控制调节阀开度，从而调节发电厂的出力，促使电网总发电量与电网总负荷量保持平衡。风力发电机通过自动调节其桨距从而实现最大的功率输出，不过相较火电、水电机组，它不能随电网总负荷量发生变化而自动调节输出功率；由于风的间歇性特点而无法控制风电的出力；无法应对电力系统的功率缺额。在电力系统功率过剩或者电网高频时，尤其是经过水电、火电的一、二次调频过后仍无法解决高频问题就要重视高频切机问题，研究确定对电力系统影响最小且又快又稳地恢复电网频率的切机方式。
三、频率动态分析
（一）频率模型
对频率动态进行分析基于一个最基本的假设：整个电力系统的频率相等。在孤立运行的电网系统中，因其电气联系极为紧密，不存在同步稳定问题，所以计算时可忽略系统发电机转子之间相对摇摆。因此，电网系统各个节点的频率同一。这个系统同一的频率被定义成其惯量中心角速度：ωS=∑Miωi / MT，ωS指电力系统频率的标幺值；Mi指第i台发电机电磁转矩；ωi指第i台发电机频率标幺值；MT指该电力系统中全部发电机的电磁转矩之和。
接下来电力系统频率的动态方程可以表示为：MTωSdωS/dt=∑（Pmi-Pei）=Pa ， Pmi指第i台发电机原动机的机械功率；Pei指第i台发电机电磁功率；Pa指系统总的加速功率标幺值。
第i台发电机其转子运动方程可以表示成：Miωdω/dt =Pmi-Pei==Pai ，其中，Pai指第i台发电机加速功率。
根据电力系统的频率同一这个假设可以得到：Pai=Mi Pa/MT=Fi Pa ，其中，Fi指第i台发电机所承担加速功率系数。由上式我们可以知道，系统的同一频率指在电力系统中，总加速功率根据各发电机惯量按照比例分配给相应的发电机。
（二）负荷模型
选区其电网负荷模型是占40%的恒阻抗与占60%的感应电动机的组合。在感应电动机的负荷等值电路模型中，可得：X2=X2+（X2+XX）/（X2+Xu）；XX=2πf0TR2-X2 ；Kj=-CXU2/PiX ；其中，X指感应电动机说的等值电抗；X2指转子的电抗；XX指定子的电抗；Xu指励磁的电抗；f0指该电网的基准频率，为50 Hz；T指转子的惯性时间常数；R2指转子的电阻；Kj指同转速没有关系的阻力矩系数；CX指取决于电动机的参数以及初始的滑差系数；U指两端电压；Pi指同转速相关的阻力矩方次。
四、地区电网孤网运行的高频切机方式研究
在选定的地区电网靠风水打捆核心主电网分别运输传送50、100 MW的电能时，于地区性电网同核心主网交流解列后发生高频现象。就这个问题，我们提出了相关四种切机方式：Ⅰ——切相容量相等的风电；Ⅱ——切相容量相等的水电；Ⅲ——切相容量相等的风电、水电各为一半；Ⅳ——切风电、水电、火电发电机组的组合。同时，故障仿真研究做如下设置：假设克齐线在额尔齐斯侧出现三相永久短路故障，持续120 ms过后，克齐线两侧的开关跳开；并在故障发生后延时300 ms之后切出等容的机组出力。
（一）地区电网向外输送50 MW的功率
当我们仅考虑电网的负荷特性而不考虑水电、火电的机组调速器时，研究这几种切机方式对该区电网频率和电压变化的影响。结果表明：在切水电发电机组时，高低区的电网频率始终处于快速上升的状态，致使无法控制电网最终的频率；而余下三种切机方式中，电网频率均可以快速稳定在该地区规定的电网频率范围内，不过在进一步比较这三种切机方式后，可知只有在切风电机组的情况下，电压恢复最快，而且待电网频率快速恢复过后最接近额定频率。如果只考虑到火电、水电发电机组调速器，结果表明，电网频率剧烈振荡，并且属于快速发散振荡，终将致使电网频率崩溃。但是同时考虑到负荷特性与调速器时，电网频率于前30 s大幅度振荡，然后才能稳定下来；倘若均不考虑的话，于前30 s大幅振荡过后稳定在额定频率以下。所以只考虑电网负荷特性的情况下电网频率恢复最好，且最接近电网额定频率，
（二）地区电网向外输送100 MW的功率
研究方法同（一）。若仅考虑电网的负荷特性，结果表明：这四种切机方式都可以使电网频率恢复至允许的偏差范围内；在切水电机组时产生冲击频率为最大，终稳定在50.8Hz；其次为切风电、水电机组，不过电网频率呈下降趋势；再者是切风电、水电和火电机组，电网频率变化的幅度小且能较快地稳定下来；冲击频率最低的是只切风电机组，并可最快稳定至50 Hz。只考虑发电机调速器的情况下，电网频率发散振荡。不考虑负荷特性或者只考虑负荷特性的情况下，电网频率均能快速地稳定下来。所以考虑电网负荷特性其频率比不考虑的情况恢复得更好，且更接近电网的额定频率。
参考文献：
[1]胡仁祥，晁勤，焦莉，常喜强，姚秀萍.地区电网孤网运行的高频控制研究[J].四川电力技术， 2011，34（1）
[2]周川梅，孙斌.贵州主网及地区电网孤网运行安全稳定措施研究[J]电力系统保护与控制，2008（19）