火电机组参与深度调峰对电网频率特性的影响研究

火电机组参与深度调峰对电网频率特性
的影响研究
摘要：受到负荷功率需求低、外送能力弱、电网调节能力有限等因素影响，可再生能源发电的弃风、弃光现象严重，为了提高新能源的消纳能力，应对负荷出现的峰谷差，火电机组深度调峰势在必行。

新能源接入及渗透率的提高将导致传统火电机组的关停，进而对电网的转动惯量和调频过程造成影响。

分析了风电的频率特性，给出了不同频段内风电波动对电力系统调频的影响，提出了基于分频原理的火电机组一次调频控制方法，改善了系统频率特性。

文考虑了风机出力的随机性，从概率角度对风电系统进行建模，探讨了风电波动对电网频率特性的影响。

对风电的随机性给电网频率的稳定、电能品质及经济性带来的影响进行了综述。

提出了变速风电机组的频率综合控制方法，用于解决大规模风电场集中接入使电网惯性降低的问题。

提出了以火电调频为主、风电调频为辅的一次调频联合控制策略，有效规避了系统频率二次跌落的问题，提高了风电参与一次调频的安全性。

建立了简化的低惯性电力系统数学模型，从频域角度分析了新能源接入时频率特性发生的变化。

提出了风机控制器的模型，分析了控制参数及火电机组汽轮机工作点对孤岛系统中频率特性的影响。

虽然新能源具备调频能力，但在实际电力系统运行中，随着新能源的接入，整个系统惯量仍呈下降趋势。

不参与调频的新能源大量接入电网时，将不利于电网频率的稳定。

关键词：火电机组；深度调峰；电网频率特性；影响
引言
“十三五”期间，新能源风光发电装机规模迅猛发展，同时电力负荷中居民用电和第三产业用电比重持续快速增长。

不论是新能源发电出力，还是居民和第三产业的用电负荷，都具有很强的日内波动性，这些都对电力系统的灵活性运行造成很大挑战。

在碳达峰、碳中和“3060”目标的背景下，以新能源为主体的新型电力系统的提出对电力系统的灵活性提出了更高的要求。

而据中国电力企业
联合会统计，我国发电装机以煤电为主，抽水蓄能、燃气发电等灵活调节电源
装机占比不到 6%，比较而言，欧美等国灵活电源比重较高，西班牙、德国、美
国占比分别为 34%、18%、49%。

电力系统急需大比例灵活电源改善电源结构，缓
解系统调峰压力，解决新能源电力消纳问题，在现阶段，对系统中容量占比最大
的火电机组进行灵活性改造是改善这一问题的重要手段。

1新能源对频率特性的影响分析
该系统如图 1 考虑了调速器系统、汽轮机系统和发电机系统，为单机模型。

其中：M 为发电机的转动惯量；D 为发电机的旋转阻尼系数；T 为涡轮机的惯性
时间常数；a 为涡轮机特征系数，水轮机 a=-2，汽轮机 0
△ωref 为参考频率增量。

图 1 所示的系统中，△ωref 通常为 0，关于
△ω与△PL 的时域微分方程为
负荷扰动通常为阶跃函数，即△PL=△Pε（t），其中△P 为扰动功率，是
一个常数。

将△PL 代入式（1）可知，方程右边存在对ε（t）求导的项，即冲
击函数δ（t），△ω导数将突变，因此需要先求解突变后的初始条件，才能求
解式（1）。

式（1）两端同时对时间进行积分，有：
根据式（3）即可求解频率，
严格上应对式（3）所有特征根进行分类讨论，但考虑到求解思路一样，且
典型参数下的特征根仅为具体的一种情况，因此仅考虑特征根为两共轭虚数的情况。

当特征根为两共轭系数，即B2-4AC，式（1）
的解为式中：G=△P/KRM；E=△P/（DR+K）；α和
β分别为特征根实部和虚部的绝对值。

由式（4）可得，t→∞时，稳态下△ω（∞）=-R△P/（DR+K），随着新能源渗
透率增大，K 将减小，频率稳态偏移变大。

利用△ω′m（t）=0，取第一次
达到极值点的时刻tm，并将其代入式（4），可求得动态频率偏移最大值△ωm。

tm 和△ωm 分别为本文仅关注新能源渗透率的影响，因此将 K
作为变量，且忽略 D，其他参数作为常量，令 A=KC1，B=KC2，C=K，D1=C3/K，
E=C4/K。

经计算，α和β与 K 无关，△ωm∝（1/K）。

随着新能源渗透率增加，K值减小，其到达最值的时间不变，△ωm 将增大，表明新能源接入电网将恶化
系统的频率特性。

传统电力系统频率响应特性
传统电力系统的频率响应模型（systemfrequencyresponse，SFR）如图所示，图中：H 为同步发电机组惯性时间常数；D 为同步发电机组等效阻尼系数；
R 为转速调节器的调差系数；TRH 为原动机再热时间常数；FHP 为原动机高压缸
做功比例；Psp 为系统的冲击负荷占系统总负荷的比重；PL 为负荷消耗的有功
功率；Pm 为机械功率；s 为拉氏算子
图中从负荷扰动ΔPL 到频率扰动Δωg 的传递函数如式（1）所示。

式中：ωn——无阻尼自然频
率；ζ——阻尼比；G0——比例系数；z0——原动机再热时间常数的倒数。

且有：如果系统内存在负荷阶跃扰动，电网频率的 s 域
表达式为：式中：ωd——阻尼自然频率；
fref_pu（s）——电网频率的参考值（标幺值），fref_pu （s）=1/s； G（ s）/s——频率扰动值（标幺值）。

对式（3）进行拉普拉斯反变换，得到电网频率的时域下的频率表达式为：式中：A——幅值；β—
—相位；t——时间。

且有：基于式（5）进一步确定评估电网频率动态特性的 4 个特征量：电网频率变化率（rateofchangeoffrequency，RoCoF）、电网频率最低跌落值、超调量和稳定时间，详细公式推导过程请参见附录A。

基于上述 4 个特征量便可评估系统惯性时间常数、阻尼系数等参数对电网频率动态特性的影响，即对电网频率特征量的影响。

不同惯性时间常数、不同阻尼系数下，电网频率变化率初始值、电网频率最低跌落值、超调量以及稳定时间如图 2 所示。

由图 2 可知随着惯性时间常数H 的增加，电网频率变化率初始值降低，频率最低跌落值和稳定时间增加，超调量减小；随着阻尼系数 D 的增加，稳定时间和超调量减小，频率最低跌落值增加；阻尼系数 D 对频率变化率无影响。

由于光伏发电呈弱惯性或零惯性，普遍不参与电网频率调节，随着其占比的不断提高，同步发电机组被大量替代，降低了系统等效惯量，将逐渐恶化电力系统的频率特性，使得系统在负荷扰动下的电网频率变化率初始值增加、频
率最低跌落值减小、超调量δ增加以及稳定时间减小，严重威胁系统安全稳定运行。

3紧急频率控制措施
紧急切机是防止送端电网直流闭锁故障后暂态频率越限的有效措施，但是代价高昂，尤其是切除火电机组。

此外，切机操作是一项颗粒度很大的控制手段，一般会出现过切现象，造成不必要的经济损失。

已有研究和实践表明，现代逆变器的控制技术相对成熟，如现有光伏电站的快速功率调控技术能够在100ms 以内完成站内输出功率的调整；风电场也能在数百毫秒内改变其输出的电磁功率，并通过调整转速提供短暂的有功支撑，即新能源功率调节速率远快于常规机组。

因此，在新能源发电富集的送端电网中，直流闭锁的紧急控制措施除常规切机外还可考虑紧急连续调控部分新能源场站出力（后期新能源场站会逐渐恢复至最大功率点运行），从而用廉价的新能源场站调控替换部分常规机组切机、以更加经济的方式保证系统暂态频率安全。

事实上，新能源场站即使用“切”的方式来参与紧急控制，其成本代价也要明显低于常规机组。

然而，实际电网的潮流约束导致不可能简单地完全依赖新能源场站来解决紧急频率控制问题，可能必须切除部分常规机组。

因此，寻求最经济的组合方式来实现常规机组切机和新能源场站“切或调”协同完成系统紧急频率控制，具有十分明显的现实意义。

由于涉及频率的暂态过程，搜索最优紧急频率控制策略需考虑如下影响因素：①水电机组的水锤效应，即水流惯性造成水电机组在调频前期出力与预想相反的现象，可见水锤效
应明显不利于系统的频率暂态，不同类型机组的功率调节情况不同；②常规机组
的一次调频要越过死区后才启动，启动时间在 2s 左右且具有功率调整上下限。

据此可推测，直流闭锁后系统频率暂态将由包含死区和饱和等强非线性特性的微
分方程组描述，那么搜索最优紧急频率控制策略事实上就是求解包含上述参数化
微分方程约束的高维混合整数（即含有连续和离散决策变量）非线性规划问题。

因此，本文接下来将建立基于常规机组和新能源场站且考虑上述约束条件的紧急
频率控制策略优化模型，并提出高效准确的求解方法。

结束语
①无调频能力的新能源大量接入电网，使得常规机组关停，进而影响到整个
电网的惯量以及可调节容量，最终使得频率特性恶化。

② 在无其他措施下，部
分火电机组参与深度调峰将会使得整个系统的频率特性恶化，其原因是系统的调
节容量减小了，限幅环节更有可能动作，一旦限幅环节动作，频率特性就会恶化。

③为了改善深度调峰对频率特性带来的负面影响，可采取增加火电机组数量的方
法来增强频率的稳定性。

参考文献：
[1]于国强，刘克天，胡尊民，汤可怡，史毅越.火电机组参与深度调峰对电
网频率特性的影响研究[J/OL].可再生能源，2021（08）： 1124-1129[2021-09-15].
[2]于国强，刘克天，胡尊民，汤可怡，史毅越.火电机组参与深度调峰对电
网频率特性的影响研究[J].可再生能源，2021，39（08）： 1124-1129.
[3]刘芸，韩松，黄秋立.考虑火电深度调峰煤耗特性的随机机组组合[J].计
算机仿真，2021，38（02）：67-71+86.
[4]刘传江，高歆光，张鹏.火电机组参与深度调峰技术路线研究[J].
企业管理，2020（S2）：420-421.
[5]王树东，吕为智.深度调峰形势下燃煤机组的价值量化评估[J].
动力工程学报，2020，40（09）：701-706.
[6]李芳锋. 考虑新能源消纳的火电机组深度调峰策略[D].西安理工大学，2020.。