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三峡电力系统频率控制方案研究摘要本文通过三个三峡电力系统频率控制方案，研究了电网采用AGC的基本特性、三峡电站作为电网辅助调频电厂担负系统主力调频厂的可能性和效果以及如何控制川渝和华中电网以及三峡电站三者间交换功率。计算结果表明本文提出的三峡频率控制方案在技术上是可行的。关键词三峡 电力系统 频率控制 方案研究1 前 言随着三峡电站机组在2003-2009年期间陆续投产发电，将形成由三峡电站、华中电网、华东电网及川渝电网组成的三峡电力系统。未来的三峡电力系统覆盖面积大、发电能源种类多、特性复杂、运行方式复杂多变、约束条件多变，不确定因素增多，尤其面临电力工业管理、经营和运行调度体制的改革，使三峡电力系统调频及联络线功率控制的任务更加繁重，要求周密计划和高度自动化，以达到运行管理要求。为此，本文以2010年三峡电站26台机组全部投产后系统丰大运行方式为基本研究方式，对三峡电力系统的频率控制方案和有关控制参数要求进行研究。二 三峡电力系统控制区划分原则及基本方案 三峡电力系统控制区划分原则 三峡电力系统由国调、网调、省调三级调度机构按照统一调度、分级管理的原则进行调度管理，各调度机构都有其各自控制的电厂和输电系统，形成一个相对独立的控制区域，通过区域之间的联络线与其他控制区域相联。为保证三峡电力系统调频运行的正常进行，控制区域的划分应遵循下述原则1、三峡电力系统按照统一调度、分级管理的原则进行调度运行管理，国调为最高级调度机构，负责全网的运行；华东、华中网调为第二级调度机构，负责各自大区电网的运行；其他各省、市调为第三级调度机构，负责各自省、市电网的运行。2、原则上控制区范围与负责该控制区调度运行管理的调度机构的运行管理范围一致。控制区之间的输电线路为系统联络线。3、各控制区进行AGC控制涉及系统联络线范围根据控制区调度机构的不同而不同，即1)省、市级控制区：AGC控制系统联络线为全部与其控制区相联的系统联络线，包括与本控制区中属上级调度控制的区域的系统联络线；2)网调控制区：AGC控制系统联络线为大区电网之间的系统联络线，包括大区电网与三峡输电系统之间的系统联络线；3)国调控制区：AGC控制系统联络线为三峡输电系统与其他控制区之间的系统联络线，以及根据三峡电力系统调频运行方案确定的其他系统联络线。4、正常运行情况下，控制区之间保持平等、相对独立的关系，各自按预先制定的运行控制准则进行控制。 控制区划分方案 根据对三峡电力系统调频运行方式的初步研究结果，本文提出三个典型控制方案进行计算分析研究。方案I：5个控制区域方案整个三峡西部交流系统按自然区域划分为三峡湖北、川渝、河南、江西、湖南5个控制区，如图1。三峡湖北控制区采用TBC控制；其它控制区均采用TBC控制。各区域的频率偏差系数K值均整定为各自区域的自然频率响应系数。图1 方案I控制区域方案示意图方案II：7个控制区域方案整个三峡西部交流系统分为7个控制区，如图2。该方案在方案I的基础上，三峡与湖北分开，四川与重庆分开，二滩电站归入四川网。三峡采用CFC控制；其余各区域均采用TBC控制。三峡控制区域频率偏差系数K整定为540MW/。在这一方案中将重点研究三峡作为整个电网的辅助调频控制的可能性、作用和特性。图2 方案II控制区域方案示意图方案III：9个控制区域方案该方案为四区两级方案，即将三峡电力系统划分为国调、华中、华东、川渝四个大区域作为第一级；第二级为上述四个控制区分别管辖下属的各分控制区。如图3所示，整个三峡西部交流系统分为9个子控制区，国调直接控制三峡、二滩等电站，华中控制区管辖下属四省；川渝控制区管辖四川、重庆。该方案在方案II的基础上，设立华中网调控制区，调采用TBC方式，负责整个华中电网的负荷频率控制；二滩电站从四川网分出，直接控制三万线，频率偏差系数K取川渝电网的自然频率响应系数，辅助四川和重庆电网控制控制电网的频率及川渝电网到三峡的联络线功率。图3 方案III控制区域方案示意图三 三峡电力系统调频运行方案的计算分析 方案I基本控制特性的研究 通过方案I的计算分析，可以看出1)、在所有控制区域均采用TBC控制的情况下，如果各控制区域均留有足够的负荷备用，则某区域发生负荷波动，该扰动区AGC动作，系统频率偏差、各区域间联络线功率偏差、扰动区域ACE均将回归到零。如果扰动区域备用容量不足，则该区域的ACE不会回归至零，电网的频率和联络线功率保持一定偏差，相邻区域将通过一次调频在一定程度上支援扰动区域。2)、在三峡湖北区域采用CFC控制，其余区域采用TBC控制的情况下，如果各控制区留有足够负荷备用容量，则如果扰动发生在三峡湖北之外的区域，除了与1)相同情况之外，由于三峡湖北区域采用CFC控制，该区域ACE亦发生相应的变化，也参加二次辅助调频，加速了系统频率偏差回归至零，同时该区域的ACE亦回归至零。如果扰动区备用容量不足，则参加辅助调频的三峡机组出力则回不到原来出力。3)、如果断开两个区域之间多回联络线的1回线，若不计及连锁反应相继跳开同断面相邻线路的情况，则不会破坏区域之间原来的交换功率平衡，虽然该联络线断面功率发生瞬时偏差，但其偏差迅速回归至零。这两个区域的ACE也会发生瞬时变化，但是不足以触发AGC命令，两个区域的AGC均不会动作。如果断开两区域之间的所有联络线，则将破坏这两个区域之间原来的功率交换平衡，产生频率偏差，两个区域的ACE值仍不会使AGC机组动作。这时应中断联络线控制，修改为零计划值，ACE控制区域将断线扰动视同增加或减少了与原联络线计划交换功率相对应的负荷，则这两个区域分别各自调频，恢复正常运行。 方案II基本控制特性的研究 在本方案的研究中，三峡采用CFC控制方式，其它区域均采用TBC控制方式。通过方案II的计算分析可以看出1)、三峡区域采用CFC，其它区域均采用TBC的控制方式，除三峡区域之外的任一区域发生负荷扰动，如果在该区域留有足够负荷备用容量的条件下，该区域的AGC机组将承担全部的负荷扰动量，使系统频率偏差，各区域之间联络线功率偏差、各区域ACE值经过一定时间之后均回归至零。2)、三峡机组参加辅助调频使电网的频率恢复加快，但联络线功率的恢复时间与方案I基本相同。三峡参与二次调频的容量越大，系统频率恢复越快，但是联络线的频率波动亦随之加大。3)、在三峡区域采用CFC，不但能加速电网的频率恢复，同时在扰动区域备用容量不足情况下，三峡也可作为各分区电网的备用资源，承担西部电网所有分区中AGC机组可调容量的缺额容量，保证电网频率的恢复，但不能保证两大电网间联络线功率的恢复。 方案III基本控制特性的研究 在方案III中，三峡区域采用CFC作为三峡西部电网的辅助调频控制；华中各省网采用TBC；各省网的一些机组由华中网调直接控制负责整个华中电网的TBC；重庆和四川电网分别采用TBC，二滩从四川电网划出作为一个独立的控制区域负责整个川渝电网的TBC。整个华中电网以华中网调采用TBC，其重要意义在于保证整个华中电网与外界的交换功率为计划值，保证华中电网与川渝、三峡之间责任关系的明确性。华中TBC的频率偏差系数K取除三峡电站外整个华中电网的自然频率相应系数，它所测量的ACE值将反映整个华中电网的负荷波动情况。华中网调采用TBC控制时，它与所属各省网区域的TBC控制关系比较复杂。如果在网调所控制区域的某一省网发生负荷扰动时，网调所控区域ACE值不为零，它同时收集到的各省网区域的ACE信号，判断负荷扰动发生的区域，并命令该扰动区域的网控AGC机组与省调AGC机组共同参与二次调频，协助省调达到频率和联络线交换功率的控制。如果整个的调整容量满足功率平衡的要求，这时的控制效果与同华中电网各省网采用TBC的方式相同，最终的调整结果为电网频率恢复为计划值、联络线功率恢复为计划值、各控制区域的ACE恢复为零值。在上述调整过程中，如果扰动区域网调的AGC机组参与调节后仍不能满足功率平衡的要求，由于华中网调采用TBC控制整个华中电网的频率和联络线功率控制，它将命令非扰动区域的其它网调AGC机组调整出力来满足功率平衡的要求。这种调整不是为了扰动区域的功率平衡，而是为了整个华中电网对外部电网的功率平衡。最终的调整结果为电网频率恢复为计划值，华中电网与外部电网的联络线交换功率恢复为计划值，参加辅助调节的三峡机组出力恢复到原始值。但参加AGC控制的区域ACE值不能恢复到零，华中网内部的部分联络线交换功率不能恢复到计划值。这种控制方式更可靠地保证了华中电网对外部电网的计划交换功率控制，但是如果协调不当，也可能造成一些问题。设想华中各省网划出某些AGC机组归网调调度，如果某一区域发生负荷扰动，该区的ACE不为零，该区域的省控AGC机组将动作，以平衡该区域负荷扰动；华中区域的ACE亦不为零，华中网控的AGC机组亦将动作，如果这些机组在非扰动区域，将导致该非扰动区域的省控AGC机组动作以平衡该区域ACE值。由于非扰动区域的网控AGC机组增出力，省控AGC机组减出力，最后可使所有区域的ACE全部回归至零。由结果分析不难看出，非扰动区域的网控AGC和省控的AGC机组动作相反，发生矛盾，如果两者配合不当，可能造成混乱，同时造成调度资源的浪费。同样，如果扰动区域的AGC机组参与调节后仍不能满足功率平衡的要求，非扰动区域的其它网调AGC机组将作为后备容量，调整出力来满足华中电网功率平衡时，如果不中断相应省网的TBC，也会造成上述控制混乱的问题。综上所述，要充分利用好网调TBC对整个华中电网的控制作用，必须协调好网调与省调的管理控制关系。做到在扰动发生后，首先网调应判断扰动发生的区域，命令扰动区域的网调AGC机组与省调AGC机组共同参与二次调频，协助省调达到频率和联络线交换功率的控制；如果扰动区域网调的AGC机组参与调节后仍不能满足功率平衡的要求，则网调可命令非扰动区域内的网调AGC机组参加功率调整，以满足华中电网功率平衡的要求，同时，非扰动区域的省调应中断TBC，否则将造成调节上的冲突。最终的调节结果是：华中将承担本电网内全部的负荷扰动；电网频率、华中电网与外部的联络线功率均恢复到计划值；三峡辅助调频出力恢复到原始值；如果扰动区域备用容量不足，网内部分区域各联络线功率不能恢复到计划值，相应的ACE不能回到零值，这时扰动区域应及时手动调整机组出力满足功率平衡要求。对于川渝电网，二滩采用TBC方式直接控制三万线。二滩控制区域的频率偏差系数K值取川渝电网的自然频率响应系数，它所测量的ACE值将反映整个川渝电网的负荷波动情况。对于川渝区域外的故障，二滩AGC机组不会动作。对于四川区域或是重庆区域发生负荷波动，二滩区域产生的ACE值都将使二滩AGC机组动作。川渝扰动区域产生的ACE亦会命令该区域的AGC机组参加二次调频，这时三峡区域CFC控制亦测得ACE，命令三峡AGC机组动作参加二次调频。这样三方面AGC机组相配合，将加快系统频率和联络线交换功率的恢复至扰动前的状态。如果扰动区域有足够的负荷备用容量，二滩所起作用类似CFC，作为电网的辅助调频。如果扰动区域无足够的负荷备用容量，则二滩AGC机组不会回到扰动前的出力。它将承担川渝扰动区域调整容量的缺额部分，以保证整个川渝电网的功率平衡，而不会由三峡机组承担，这时电网频率恢复到计划值，川渝电网外送功率为计划值，但川渝网内部的区域联络线交换功率不能保证为计划值。从以上结果可看出，二滩采用TBC负责控制川渝电网的功率和频率，进一步保证川渝电网、华中电网和三峡电站三者之间责任关系明确。综上所述，在方案III方式下，由于华中网调和二滩分别负责两大电网的TBC，避免了由三峡CFC控制区域承担各省网AGC容量缺额的可能性，使川渝和华中电网及三峡三方之间的责任关系更加明确，更大程度上地保证了大区电网间的自负盈亏关系。这种控制方式在技术上是完全可行的。 三峡电力系统负荷频率控制方案的比较 由以上计算分析结果可以明显看出三种控制方案控制效果的差异。三种控制方案的综合比较列于表1和表2，方案I的5个控制区域均采用TBC。表1 扰动区域有足够备用，电网恢复情况研究方案电网频率 恢复时间联络线功率 恢复时间ACE恢复值AGC机组出力 方案I30秒30秒扰动区AGC机组承担功率缺额方案II20秒30秒扰动区AGC机组承担功率缺额三峡机组参加辅助调频 方案III20秒或更快30秒扰动区AGC机组承担功率缺额三峡机组参加辅助调频扰动区在川渝，二滩机组也参加辅助调节表2 扰动区域AGC备用容量不足研究方案 电网频率 恢复时间 联络线功率 恢复时间 ACE恢复值 AGC机组出力 方案I 不能恢复 不能恢复 非扰动区扰动区不恢复 非扰动区机组一次调节，支援部分功率缺额 方案II 恢复 非扰动TBC区恢复扰动区及三峡不能恢复 非扰动区扰动区不恢复 非扰动区机组一次调节出力恢复三峡辅助调频机组出力不能恢复，承担功率缺额 方案III 恢复 未参加调节区恢复川渝、华中、三峡间的交换功率恢复计划值大网内扰动区不能恢复 非扰动区扰动区不恢复 非扰动区机组一次调节出力恢复三峡辅助调频机组出力恢复扰动在华中：网调非扰动区机组承担功率缺额。扰动在川渝：二滩机组出力不能恢复，承担功率缺额综上所述，通过建立以省调TBC为基础，网调TBC协调，国调CFC辅助的三级调频机制，对电网的运行控制是有利的，在技术上是可行的。即：a) 各省调采用TBC控制，在本区域发生负荷扰动时，命令该区域的AGC机组动作，实现平衡本区域的负荷波动自负盈亏，维持本区域和邻近区域交换功率为规定值，同时维持系统频率偏差在允许范围内，这样省调TBC起基础调频作用。b) 网调采用TBC控制，在网调所控制区域的某一省网发生负荷扰动时，网调所控区域ACE值不为零，但它不立即命令网控AGC机组动作，它必须收集到的各省网区域的ACE信号，判断负荷扰动发生的区域，如果省调AGC机组有足够的负荷备用容量，可达到频率和联络线交换功率的控制的调整要求，则网控AGC机组不再参与二次调频；如果扰动区域的AGC机组无足够的负荷备用容量，则网调将命令该扰动区域的网控AGC机组参与二次调频，协助省调达到频率和联络线交换功率的控制。c) 国调直接控制三峡和二滩AGC机组，分别采用CFC和TBC控制，起特殊调频厂作用。三峡作为全网的辅助调频控制，任何一个区域发生负荷扰动，三峡AGC机组都会相应地调整出力，控制频率的变化。当系统频率恢复到计划值后，三峡机组的出力也恢复到原出力。二滩电厂作为川渝电网的辅助TBC控制，它只在四川或重庆区域发生负荷扰动的情况下才参与调节，在四川和重庆区域有足够负荷备用容量时，它的作用类似三峡CFC，在上述两区域没有足够负荷备用时，它将承担一部分负荷扰动。四 结 论根据本文计算分析研究，可以得出如下结论1) 在备用容量充足的情况下，本文提出的三种分区频率控制方案均可以满足系统频率控制的要求。增加CFC控制区后，可以提高系统频率偏差恢复的速度。2) 系统备用容量出现不足的情况下，方案III可以更加有效地控制系统频率、联络线偏差，使川渝和华中电网及三峡三方之间的责任关系更加明确，更大程度上地保证了大区电网间的自负盈亏关系。同时，这种控制方式在技术上是完全可行的。3) 要充分利用好华中网调TBC对整个华中电网的控制作用，必须协调好网调与省调的管理控制关系。这种方式可靠地保证了电网频率的恢复，参加辅助调节的三峡机组出力恢复到原始值，同时还更可靠地保证了华中电网对外部电网的计划交换功率控制。4) 如果断开区域间多回联络线的一回线，系统频率、各区域间联络线断面交换功率、各区域控制偏差ACE虽然会出现瞬时波动，但由于没有破坏区域之间的交换功率平衡，各区域ACE均为零，AGC机组不会动作。如果断开区域间全部联络线，则将破坏原先交换功率的平衡，如果不修改联络线功率控制值，系统将产生频率偏差。如果这时改变联络线控制为零功率，AGC机组将进行调节，使各区域恢复正常频率运行。