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风电高渗透率电网中的高频切机电力工程方案优化研究

时间:2018-09-28 21:38来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
如果把我国的经济发展比作是“身体”,那么,电力工程建设无疑就是支撑身体灵活运动的“筋骨”。电力工程建设的不断推进就像是为筋骨提供了无限的能量,充沛的能量供应是身体
本文是一篇电力工程论文,如果把我国的经济发展比作是“身体”,那么,电力工程建设无疑就是支撑身体灵活运动的“筋骨”。电力工程建设的不断推进就像是为筋骨提供了无限的能量,充沛的能量供应是身体各项机能有效运作的有力保障。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电力工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究背景及意义
电力系统频率紧急控制措施多种多样,主要包括有高频切机装置、低频减载装置等,是电力系统维持安全稳定运行的最后一道防线,且在国内外的电力系统中应用广泛【1~2】。当电力系统中出现较严重的故障,可能会产生较大的功率缺额或者功率过剩,系统频率将会出现大幅度的上升或者下降,若系统中设置了充足的调节裕度或合理的频率控制措施,就能使频率能恢复到稳定运行范围内,最大限度保持电网稳定,避免系统不能及时恢复至稳定状态,而导致电网频率崩溃的情况发生【3】。若控制措施整定不合理,大机组跳闸发生过切,则将导致地区出力不足,造成系统频率的大幅度跌落,可能触发低频减载装置动作,随后系统频率恢复过程中又出现频率的大幅升高,触发高频切机装置动作。如此循环往复,最终造成电网崩溃引发大停电,带来极大的经济损失。因此,合理设置高频切机和低频减载装置是控制事故范围,是避免高频切机与低频减载装置反复动作,造成全网崩溃的有效措施【4~7】。目前,我国的高频切机方案中的频率动作值主要是参照火电机组的频率异常允许运行范围设定的,且其异常允许运行有时间限制,超出时间限制可能导致汽轮机叶片谐振导致断裂,频率耐受力较差。采用此种高频切机方案,切机频率较低,当系统发生某种故障频率过高时,易导致高频切机与低频减载装置反复动作,甚至引发频率崩溃。而水电机组频率异常允许运行范围与火电机组相比较宽,其对频率的适应性及耐受能力更强,频率的高低对水轮机影响不大,则可以考虑保留较多水电机组进行调频,最大限度的保证电网安全稳定运行。因此,可以针对水火电混合电网中的高频切机方案进行优化。此外,国务院印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中也提出要加快发展大型风电、分布式能源等【8】。随着间歇性能源发电在电力系统中的比重不断加大,其对电力系统的稳定运行影响也在逐步加大。目前,作为间歇性能源发电中开发利用最为广泛、开发规模最大、发展前景最好的发电方式之一,风力发电已经发展成为继火电、水电之后的第三大供电电源。
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1.2 国内外研究现状
电力系统安全稳定运行的前提条件是保证系统频率的稳定,它反应了系统发出的有功功率和负荷所需有功功率的平衡状态。当电网处于有功功率供需平衡的状态时,其各点频率将保持为额定值。然而,互联电网中发生故障将可能导致频率不再稳定,甚至发生频率崩溃事故。例如:1999 年台湾大停电、2003 年美加大停电、2006 年欧洲大停电、2012 年印度大停电等【13】。实际上,世界各国都有遭遇过大停电事故,只是停电规模以及损失程度不同。通过对各次停电事故的研究和借鉴,各国逐渐制定出电力系统的安全稳定控制措施。一直以来,学者们对低频减载的研究更为广泛。自从 19 世纪中叶,前苏联电网首次运用了低频减载措施后,世界各国也逐步将配置低频减载措施提上日程。20 世纪中叶,我国电网根据长期运行经验,以及国内外大停电事故的经验,逐渐将低频减载装置推广【14】。此外,我国国标【15~16】等都对低频减载方案设有详细规定,并且还有行业标准【17】对低频减载的配置与整定计算进行详细的技术规定。经历这么多年的发展,低频减载的算法更加多样,例如:传统法【17】、半适应法【18】、自适应法【19】、智能算法【20~21】等,此外,各国学者也对低频减载方案的优化进行了更加深入的研究。实际上,若传统法整定合理,依据其设置的低频减载方案在大多数情况下均可运行良好,且由于其具有设置方法简单、维护费用较少等优势,在实际电网中,各国仍优先采用传统法来对低频减载方案进行整定。国内学者对于相关领域也开展了相应的研究。其中,裴健【22】针对传统低频减载方案进行了改进研究,并在理论上提出根据局部频率最终的最大值和最小值来改变其频率设定值,实现自动调整低频减载装置的频率动作值。岑炳成【23】等以电力系统动能定理为基础,并结合潮流追踪算法,提出研究分析频率影响因素的新方法,并在此方法基础上提出新的低频减载控制策略,有针对性的切除负荷,加快频率的恢复。汪震【24】在研究传统的低频减载参数优化控制代价最小模型的基础上,采用差分进化算法来求解问题,并用分段惩罚函数法来提高差分进化算法的执行与运算效率。目前,国内电网设置的低频减载方案大多仍采用传统法来整定,例如南方电网、江西电网、河南电网等。少部分采用的是半适应低频减载方案,如江苏电网。
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2 用于高频切机策略研究的系统模型
 
在进行与电力系统有关的仿真研究时,其仿真结果的正确与否取决于系统组成元件的数学模型和选取参数的有效性与准确性。本章对目前被广泛应用的汽轮机、水轮机、风机仿真所需的部分重要组成元件的数学模型进行介绍和分析【61】。
 
2.1 火电机组模型
本文设计系统模型中涉及火电机组,BPA 模型中将汽轮机系统模型划为发电机、调速系统、原动机、励磁系统这四部分。以下就这四部分模型进行介绍。汽轮机的调速系统属机组重要组成部分。随着负荷需求的增加,电厂不断增大发电机装机容量,导致机械液压型调速系统不能保证机组的可靠运行。由于电力电子技术和自动控制技术的不断发展,20 世纪末期出现电气液压型调速器,其结构与机械液压型类似,使用电气环节取代传统调速器的测量、反馈、调节环节。电气液压型调速器已经逐渐取代机械液压型调速器。发电厂需要时刻根据需求侧的需求电量调整汽轮机输出功率,进而使电力系统供需平衡,频率与电压保持稳定。因此,汽轮机需要配备调速系统来维持机组转速的稳定,调速器是汽轮机调速系统的重要组成部分,对调节汽轮机起着重要作用。调速器性能的准确与否不仅会影响电能质量,还影响汽轮机的安全性,甚至会影响电力系统稳定性,因此,调速器系统模型的建立也越来越重要。汽轮机调速器模型种类繁多,发电机组中调速器模型不相同使转速随有功功率变化也不相同,在电力系统稳定分析中,常常采用IEEE 标准推荐的调速器系统模型,此模型结构简单,流程清晰,在电网稳定性分析中的得到了广泛应用。
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2.2 水电机组模型
水轮机模型参数与给水压力管中水流惯性等特点有关。若导叶开度增加,导水叶处的流量应增大,但是水流惯性导致管中其他各点水流流速不能立即增大,在短时间内会造成水轮机组的进水压力不增反减,使得水轮机输出功率不增反减。为了进行电力系统稳定性分析,对水轮机进行两点假设:①忽略水流的各种特性,即水流不可压缩;②不计各种与水流相关的损耗,认为水轮机是理想的;最终得到水轮机的经典模型。电力系统稳定分析中,经常采用经典的水轮机模型进行仿真,励磁控制部分具有励磁稳定控制与限制功能,主要由低励限制、过励限制、PID 校正环节、软反馈校正等组成。励磁系统种类多样,各种励磁系统的励磁功率部件不相同,基于励磁功率部件的不同可以将励磁系统分为直流励磁系统、交流励磁系统以及静止励磁系统。
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3 电网高频切机措施的优化仿真..... 23
3.1 低频、过频保护及安稳装置布置原则............ 23
3.1.1 低频、过频保护及其与安稳装置的联系....... 23
3.1.2 高频切机整定原则与配置介绍............. 24
3.1.3 最小欠切原则........... 26
3.2 纯水电电网的高频切机频率动作值的优化.... 27
3.3 水火混合电网中的高频切机方案优化............. 33
3.4 纯水电电网的低频减载频率动作值的优化..... 37
3.5 本章小结........... 38
4 风电高渗透率电网的高频特性分析及高频切机措施......... 41
4.1 风电高渗透率电网的频率特性.... 41
4.2 风电机组的频率保护及频率保护配置分析.... 45
4.3 风电接入对系统频率影响的实例分析............. 46
4.4 风电高渗透率电网的高频切机优化措施......... 51
4.5 本章小结.......... 54
5 结论与展望........ 55
5.1 结论........ 55
5.2 展望........ 55
 
4 风电高渗透率电网的高频特性分析及高频切机措施
 
在风电发展的初期,风力发电机组容量在电网的总机组容量中所占比例较小,电网的安全稳定控制装置可以按照其原来的配置运行。随着越来越多的风电机组并网运行,风电接入电网后带来一系列的技术难题,其中风电的安全稳定控制措施也是研究热点之一。
 
4.1 风电高渗透率电网的频率特性
目前,电力系统的供电电源存在多样性,不再使用单一类型机组供电。多电源供电系统示意图如图 4-1 所示,图中系统具有常规水、火电机组以及风电场三种供电电源,并向外输送功率。由我国风电资源分布可知,大型风电场多存在于偏远地区,这些地区人烟稀少、经济较为落后、电网所带负荷量比较小,若承担外送功率任务的输电线故障,地区电网将有可能存在大量过剩功率,系统高频问题严重。无论电力系统受到何种扰动,系统的平衡状态都会被打破,导致系统中发电机输出有功功率和负荷使用有功功率出现差额,电力系统的频率就会从正常运行的稳态值逐步过渡到无功率差额的新的稳态值或者失去稳定运行。这种电力系统频率因失稳从稳态值开始不断变化的动态过程即为频率的动态特性,通常可采用单机等值模型研究频率的变化。
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结论
 
近年来,日益复杂的电网结构和运行方式将使我国电力系统安全稳定问题变得越来越突出,地区电网发生高频故障时易出现高频切机与低频减载装置反复动作,最终导致系统全黑的问题较易出现,特别是在风电高渗透率电网中。本文首先进行了水电机组切机频率动作值的优化,并对常规高频切机方案的切机顺序进行探讨。之后,从风电机组并入电网时对电网频率稳定性的影响入手展开研究,并基于频率变化结果对常规高频切机方案进行了优化。从结果上看,优化后的结果对于快速有效稳定电网频率有明显的作用。本文主要工作及研究成果如下:
(1)基于对低、过频保护的总结研究,水电机组的频率异常允许运行能力优于火电机组,并探讨水电机组对频率耐受力的最低限值与最高限值。水电机组的频率耐受能力优于汽轮机组,在-12%~+10%额定频率范围内,水电机组仍可正常运行。
(2)由于电网高频切机装置先于过频保护装置动作,纯水电电网中的高频切机动作值可适当放宽。针对不同外送功率下的纯水电电网进行分析,研究可得其高频切机方案第一轮频率动作值可由传统的 50.8Hz 提高为 52.0Hz,更有利于系统频率稳定。
(3)基于上述对水电机组切机频率的研究,分析火电占比较大的地区电网及水电占比较大的地区电网高频切机策略。电力系统发生高频故障,若可切除的容量与水、火电机组容量相同,调度部门需考虑切除的机组类型。仿真结果表明,火电占比较大地区电网中,应采用常规优先切除水电机组的高频切机方案。而在水电占比较大的地区电网中,若系统故障严重并威胁电网安全,应考虑采取优化的高频切机方案,优先切除火电机组,保留多数水电机组进行调频,可以使频率快速恢复稳定,更有利于电网的安全稳定运行。
(4)通过风电加入电网后对系统频率的影响进行分析仿真可得:与风电机组相比,常规机组更有利于维持系统频率的稳定,双馈风机对频率的稳定性优于固定转速风机;风电的渗透率越高,系统频率波动幅度越明显,越易触发频率紧急控制控制装置动作;此外,风电渗透率高,风速扰动对系统频率影响也较大,可能会造成系统频率过高或过低的情况。因此,风电高渗透率电网中的高频切机方案需要重新设置。
(5)不论是火电占比较大的地区电网还是水电站比较大的地区电网,当其中并入大量风电机组后,若发生高频故障,应首先考虑切除风电机组,以保证系统的安全稳定运行。若切除风电机组后仍无法控制频率,再接着使用水火混合电网的高频切机方案。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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