孤网运行与频率稳定研究综述_张健铭

第39卷第11期电力系统保护与控制Vol.39 No.11 2011年6月1日Power System Protection and Control Jun. 1, 2011孤网运行与频率稳定研究综述张健铭1，毕天姝1，刘 辉2，薛安成1（1.华北电力大学，北京 102206；2.华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045）摘要：孤网运行作为电力系统极端情况下的运行工况，其研究具有特别重要的意义。

从阐释孤网的结构与概念出发，综述了孤网运行特性及安全稳定控制研究现状，分析了孤网运行时的频率特点，较全面地介绍了一次调频、OPC、高频切机与低频减载对于孤网频率稳定的贡献，并结合中国能源战略与电力发展现状，对孤网安全稳定控制技术的发展进行展望。

关键词：孤网运行；频率稳定；一次调频；OPC；高频切机；低频减载Review of frequency stability for islanded power systemZHANG Jian-ming1，BI Tian-shu1，LIU Hui2，XUE An-cheng1（1. North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2. North China Electric Power Research Institute Co. LTD，Beijing 100045，China）Abstract：It is of great significance to study the islanding operation, which is a working condition under the extreme case of power system. Based on the analysis of the islanded grid’s structure and the concept of islanded power grids the，state of the art of islanding operation and stability control at home and abroad are summarized in detail．The frequency characteristics of islanding operation and the contributions of primary frequency control OPC over frequency generator tripping and UFLS，，made to islanding operation are introduced The trend of stability control technology for islanded power grids is also reviewed combining with the energy strategy and ．power development staus quo of China．Key words：islanding operation；frequency stability；primary frequency control；OPC；over frequency generator tripping；UFLS 中图分类号： TM712 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2011)11-0149-060 引言“大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制”是我国电力的现状，可增强系统整体的资源配置，提高系统抵御故障的能力，但是，系统在大扰动下维持频率稳定的能力却在不断恶化。

局部电网故障、极端天气或地质灾害的发生以及人为操作失误均可能导致与主网联系薄弱的地区电网与主网解列，形成孤网运行的情况。

孤网运行时系统频率变化剧烈，如果控制措施不当，极可能出现大面积停电事故。

2008年冰灾期间，贵州、广西、云南的部分电网都曾出现孤网运行情况，给国民生产生活造成恶劣影响。

因此，研究孤网运行及其安全稳定控制方案，具有显著的现实意义，基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目（973项目）（2009CB219704）；国家自然科学基金重点项目（50837002）；国家自然科学基金重大国际合作项目（50920105705）；国家自然科学基金项目（50607005）；高等学校学科创新引智计划资助（B08013） 也是我国电力系统现状的迫切需要[5-6]。

本文从阐释孤网的结构与概念出发，综述了国内外对孤网运行特性及安全稳定控制研究现状，并结合中国能源战略与电力发展现状，对孤网安全稳定控制技术的发展进行展望。

1 孤网的基本概念电力建设规程规定，电网中单机容量应小于电网总容量的8%，以保证当该机发生甩负荷时，不影响电网的正常运行。

根据这一判据，最大单机容量小于总容量的8%的电网，即为大电网，最大单机容量远远小于总容量的8%的电网，即为无穷大电网。

相比之下，最大单机容量大于电网总容量的8%的电网，即为小网。

孤立运行的小网，即为孤网。

文献[7]提出了一种基于电网故障甩负荷导致的电网高频问题的判据：如果某片电网具有单一故障下甩掉的负荷超过电网负荷的8%（甩负荷率为8%）并具有形成孤立电网的可能，则认为这个电网也具有孤网特点。

- 150 - 电力系统保护与控制简单来讲，孤网是指脱离大电网运行的小容量电网，孤网可分为以下几种情况[8]：（1）网中有数台机组并列运行，单机与电网容量比超过8%；（2）网中仅有一台机组供电，称为单机带负荷； （3）甩负荷带厂用电，称为小岛运行工况，是单机带负荷的一种特例。

孤网发生的瞬间，孤网内所有机组所发的上网功率和地区孤网内所有负荷所消耗的受电功率之间存在一定的功率差额，这个差额就是孤网不平衡功率ΔP 。

根据运行状态，孤网具体包括两种情况：一种是孤网不平衡功率等于零或者数值很小，网中机组可正常运行；另外一种孤网不平衡功率较大，主要表现在以下两个方面：一是上网功率比例过大（ΔP >0）导致孤网频率升高的问题；二是地区电网受电功率过大（ΔP <0）导致孤网频率、电压降低的问题。

2 孤网运行的频率特点频率是电力系统中同步发电机产生的交流正弦电压的频率。

在稳态运行条件下，所有发电机组同步运行，整个电力系统的频率是相等的。

系统频率与发电机组的转速以及角速度的关系为：602πpn f ω== （1） 汽轮机转子力矩平衡方程为：T e d d JM M tω=− （2） d d Mt J ωΔ= （3） 式中：p 为发电机转子极对数；n 为发电机组的转速；f 为电力系统的频率；ω为发电机组的角速度；J 为汽轮机轴上各转动部分的惯性矩；M T 为汽轮机的蒸汽转矩；M e 为发电机组的反力矩；ΔM 为汽轮机不平衡力矩。

电磁功率与原动机输入功率之间的功率不平衡表现在力矩上就是汽轮机力矩的不平衡。

由上式可以看出，转子角速度的变化率与汽轮机的力矩差成正比。

当汽轮机所受力矩发生变化时，发电机组的角速度将发生变化，引起发电机组转速的变化以及系统频率的变化。

由此可知，影响系统频率变化的关键因素主要有两个：①负荷与发电机出力之间的不平衡量；②系统内所有发电机总转动惯量。

孤网容量较小，各单台机组和大型用电设备所占的功率比例较大，发电机组输出功率的变化量和负荷的扰动量相对值也较大，这将对孤网频率产生明显影响。

而且，孤网中所有发电机组旋转惯量储存的动能和锅炉群所具备的热力势能均较小，自平衡能力差，同样的不平衡力矩会引起较大的发电机组转速变化，即同样的不平衡量在孤网运行时会导致频率出现较大幅度的波动。

由此可见，孤网运行存在一定的风险，这风险主要在于孤网中机组侧出力或用户侧负荷变化时，会引起孤网频率较大的变化，进而使机组转速大幅度波动，造成机组超速或者相关原因停机，降低了机组运行的可靠性，同时也容易使电网瓦解[9-12]。

孤网运行面临最本质的问题是功率不平衡问题。

如果具有有效的有功功率控制手段，快速地平衡系统中由于事故产生的不平衡功率，就有可能减小甚至消除系统受到扰动时对电网的冲击。

孤网运行频率表现的特殊性，要求发电机组的出力随负荷的变化而快速变化，才能维持供电频率稳定。

因此孤网运行中如何提高功率变化的快速性将是减少频率变化的主要手段。

3 孤网频率控制研究频率稳定是电力系统安全稳定运行的重要因素，它反映了电力系统中有功功率供需平衡的基本状态。

由上述孤网运行所暴露的问题可知，孤网稳定控制关注的焦点，已经由解决电气设备及供电线路处于最佳经济运行状态的问题，转变为解决在较大不平衡功率时保证孤网频率稳定的问题。

对应于孤网按运行情况的分类，孤网频率控制目标也包括两种情况：当孤网不平衡功率很小时，网内机组一次调频必须满足孤网中外界负荷的变化要求；当孤网不平衡功率较大时，需要更加快速及稳定的频率控制，对于控制系统的考核相比较前一种情况更为严格。

3.1 孤网运行的一次调频控制近年来，由于孤网事故频发，一些文献就孤网事故进行了仿真分析。

文献[13]用NETOMAC （Network Torsion Machine Control ）软件，以2005年南方电网的实测数据为基础，通过仿真较准确地再现了贵阳南部电网故障后形成孤网并最终引发系统持续震荡的全过程。

通过故障和反演仿真结果看出，在较小不平衡功率下，系统频率仍然持续上升，证明了孤网内大部分机组一次调频速率受限是孤网高频的主要原因。

孤网运行的特殊性，要求此时机组的一次调频具有更高的灵敏度、更大的调节幅度、更小的迟缓率和更快的动态响应[14-16]。

2008年冰灾期间，南方电网公司通过变更一次张健铭，等孤网运行与频率稳定研究综述 - 151 -调频的参数设置，保证了若干孤网的稳定运行，并在之后的研究中达成了一定共识[17-18]。

研究表明，孤网运行时火电机组取消一次调频死区、放开一次调频下限，可以提高其一次调频动作灵敏度，有利于孤网稳定运行。

文献[18]通过对一次调频下限从放大到完全放开的各种场景进行仿真计算，证明了该措施对孤网安全稳定运行的作用。

上述措施在过剩功率较大、频率飞升过快的情况下，仍然不能保证频率的稳定。

经过研究发现，有必要对现有一次调频回路进行优化，寻找更适合孤网运行的控制方式。

文献[19-21]分析了冰灾期间桂林地区孤网运行时一些机组的一次调频回路优化情况。

根据电网频率偏差，使用折线函数直接给出、或者通过PID运算产生一个调频控制信号。

该控制信号同现有一次调频共同作用于阀门控制指令，通过增加或减少阀的开度来调节机组有功功率。