电力系统频率的动态分析

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电力系统频率的动态分析

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关西电力公司’(-,/1//(2(34-12*+05(6(.-*416(6(71894

:4公司电力系统部电力系统电能咨询处

（日本）（美国）

摘要

电力公司业务的改组已对电力系统频率控制效能的理解和量化产生

了新的重要性。对执行系统频率响应的动态模拟方法，包括一次和二次频率控制的效应，电厂的响应和负荷的响应进行了审查。描述和证明一个使用标准负荷流量程序而不需作内部软件修改的容易执行的方法。已表明该方法对在正常的系统运行期间分析发生扰动时系统频率和控制的响应是合适的。

关键词

频率控制发电控制动态模拟

;<引言

电力系统的可靠运行由于在世界的许多部分发生了改组而变得更加困难来预测。一项重要的事情是发电控制以调节系统频率和电力交换。发电机的电力输出必须响应系统的扰动，包括系统负荷的突然变化

〔;〕和和失去发电机组或联路线路，以及在负荷的电力需量中的连续波动。这个领域最近已受到9-:14

〔〕技术委员会加大了的注意。这种注意的部分原因是电力系统正在变化的结构和最后得出的需要作-444$

为必须由发电机组提供的辅助服务来识别和量化频率控制。

由于这些关心的结果，有越来越多增长的对有效工具的需要以分析电力系统机构变化的冲击和关于频率控制的运行实践。本论文讨论了动态建模的几个比较方案以及系统频率响应和控制的模拟。表示建模详情和执行及使用容易的良好结合方法将更详细地进行描述。还描述了样品模型的证实和分析结果。$<频率响应的模拟方法

与电压和转子角动态特性相比，系统的动态特性影响频率响应相对地缓慢，在几秒钟到几分钟的范围内，系统频率响应的模拟要求下列元件的建模：

（）一次频率（调速器）控制;

（）发电机组对调速器和功率指令信号$

（）由于频率（和电压）的变化造成负荷功率需量的变化!

（）二次频率控制，或者称做自动发电控制（/）或负荷频率控制（3）&:9)9

对这些模拟可以考虑的几个方法将在下面描述。

最大的发电和负荷动态

以上列举的元件模型能包括在一个标准的电力系统动态模拟（稳定）程序内。这样的一个程序将包括其他较快速的动态效应，包括单独的发电机转子角振荡，励磁系统和负荷动态。通常输电网是用静态方程式来表示，它们模拟了系统扰动对节点电压和线路流量的影响。假如包括了快和慢两种动态时，特殊的数 ;="

值法可以应用于随同系统变量的波动值为变动模拟时间的步长〔，〕。!"

当必须将快和慢的动态效应都包括在分析中时〔〕，例如对重大系统扰动（包括串级停运和系统分离）#

的详细分析，就建议应用该方法。然而，对于许多频率中央委员应分析的目的，不必要将较快速的动态效应包括在内，较简单的模拟方法由于省略了快速电压和转子角度的动态，简化了建模和数据的要求。当排除了较快的动态于模拟结果之外时，结果的分析和解释也就简化。

复合的发电和负荷

已用于分析系统响应的一个简单方法是考虑到所有的系统负荷和发电厂都连接到同一条母线，以消除全部快速动态和全部输电系统的效应〔〕，系统的频率是用对总发电功率和总负荷之差的积分并除以总的$

发电机组转动惯量来计算。单独的发电厂控制和动态也可以作为负荷的聚集频率灵敏度来表示。

该方法的主要缺点是它不允许计算单独的母线电压和分支的流量，由于几个原因这个情况可能是重要的。

为研究二次频率控制的效能对多家电力公司或控制地区和线路流量的模拟。

由于系统扰动的结果模拟电压变化对负荷功率需量的影响。

监测线路负荷和母线电压制约的违反，假如这些电网效应应对研究目的重要时可应用下列方法。单独的发电机组和负荷—集中的惯性

电网的布置能靠应用均匀加速法以单独的发电和负荷母线来保持。该方法允许计算电网的电压和流量而毋需采用模拟单独的发电机转子角度和电压动态。系统频率是以同复合的发电和负荷方法相同的方式来计算。然后每台发电机的电功率输出是靠假设所有的发电机组都有相等的加速度来计算的：

%(%*+,-系-系&’)’’

式中：发电机’的电功率%&’

发电机’的机械功率%)’

发电机’的惯性常数,’

-系系统频率

（加速度）

-系系统频率的导数

发电机的电功率数值与负荷数值一起从而能用来作为对负荷流量的输入以获得母线电压和分支流量。（）.

训模拟机〔，〕，这些执行过程包括发电厂，负荷，保护装置和励磁系统的详细模，其目的是模拟严重系统扰!"

动的长期部分，其他有详细模拟的类似模拟机已开发出来以供分析#（自动发电控制）的效能〔〕。$%&’

应用标准负荷流量的简化模拟

目前工作的目的是开发一个易于使用和容易修改的模拟工具以在正常系统运行过程中来评价单一或

使用了在以前的一节中讨论的通用模拟方法。然而，因为没有要多地区系统的#$%效能。为了这个目的，

模拟严重扰动的意图，在以上的工具中包括的许多模拟细节就不需要了。

为了避免广泛的新软件开发，应用了现有的负荷流量程序（%（电力系统负荷流量）程序）。用手()*+,

书写和模拟该程序的一部分（即工程师程序控制语言（(允许调速器／电厂动态，负荷频率灵敏度和)%+）

输入数据编辑器，和输#$%容易书写并同现有负荷流量解法模块接口。还应用了)*+,图示使用者接口，

出绘曲线的能力，从而使编程所花力量减到量小。此外，因为应用了一个标准的生产级负荷流量包，很多需要的数据已是以适当的格式可供使用者应用。因为模型是以(它们能由使用者不费力地修改)%+写入的，

以执行在详细模拟或在#$%逻辑中的变换。

-.模型的描述

全面的模型结构示于图&。)*+,程序的正常负荷流量的解法是用来解电力系统的代数网络方程式。该解法是在每个时段中完成的以将发电功率同负荷和损耗平衡。在正常的负荷流量解法中，在发电／负荷平衡中的任何失配部分配到一个“摆动母线”，重复进行负荷流量的解法，利用下面描述的“均匀加速”逻辑来重新分配全部发电机组中间的发电／负荷不平衡。

因为该模型是用来作长期分析的，没有模拟瞬态的发电机动态，和假设所有发电机组以相同的速率运行。已完成了简单的动态模型以对几个互联的控制地区和每台发电机组的调速器／原动机的响应来模拟自动发电控制系统（#）。这些简单的模型可能加以延伸以包括更详细的模型。然而，经验表明更详细的模$%

拟不一定能提高这类模拟的准确度，这是由于许多未知和在变化的参数以及其他的因素影响发电响应〔〕&&所致。

对发电机和励磁系统没有明显地进行模拟。然而，靠应用了标准负荷流量模型，发电机端（或别的母线）的电压在规定的发电机无功功率能力范围内将得以保持恒定。对于有过励和欠励限制器的快速动作自动电压调整器，为了频率控制分析的目的，这是一个合理的逼近法。

均匀加速逻辑

均匀加速逻辑是用来在所有的发电机组中间来重新分配发电／负荷不平衡。系统频率的变化率（加速度）是根据示于图&的发电机总机械功率与电功率之间的差来计算的。然后利用方程式（）设定单独的发电&

机输出（)），以使每台发电机的加速度同全系统的加速度一致。/0

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