面向快速频率响应的水电机组动态模型研究

摘要

近年来，我国电网大力发展特高压输电，电压等级与电网规模逐年提升。在实现能源大规模、远距离输送和大范围优化配置的同时，直流闭锁故障时有发生，从而引起大功率缺失事故，进而可导致系统频率急剧降低，使得低频减载事故发生几率升高。作为频率控制的首道防线，快速频率响应是大功率缺失下阻止频率大幅下降的关键措施。而系统中大量接入的风电等新能源其本身缺乏频率响应能力，同时挤占常规机组的发电空间，进而造成系统频率响应能力下降，因此必需合理补充和配置系统的快速频率响应资源。配置系统快速频率响应资源的首要问题就是要准确分析常规机组的运行状态及其调频能力。 在以往的机组频率响应能力分析中通常采用静态观点刻画机组的状态与调频能力，即认为机组频率特性系数为定值，不随外部工况变化。然而在不同运行工况下，机组的真实频率响应能力较其静态观点下所描述的能力具有一定偏差，于是造成静态观点对系统频率响应能力描述的不准确。当系统频率响应能力裕度较大时，这种不准确尚可接受；但裕度临界时，这种偏差则会引起较大问题，即在大功率缺失下系统频率响应能力紧张之时，以静态观点描述机组的频率响应能力难以精准体现其真实能力，不利于对系统频率响应能力的准确估计，也会影响系统频率响应备用的合理配置。因此，有必要从动态的角度去描述机组频率响应能力。本文在分析现有水电机组静态模型的基础上研究了水电机组的全参数模型，并指出其传递系数计算复杂，求取困难等不适用于动态频率响应特性研究的问题。针对大功率缺失下水电机组快速频率响应的需求，以水轮机运行特性的若干简化条件为出发点，考虑水轮机外部参数变化的影响，通过相关公式推导，建立体现水头高度以及负荷大小动态影响的水电机组改进模型。该模型能够相对快速并准确地体现水电机组动态频率响应特性，适用于水电机组快速频率响应动态分析。在此基础上推导出水电机组动态频率响应特性系数的解析表达式，可直接描述水电机组快速频率响应频率暂稳值随外部工况动态变化的情形。 仿真算例表明，所建立的动态模型既能够规避全参数模型传递系数求取复杂等问题，又能相对准确地对水电机组快速频率响应动态特性加以描述。以此模型应用在快速频率响应的相关仿真计算中，可针对机组所处外部参数的不同，准确估计水电机组的动态频率响应能力，为频率响应资源的合理配置提供依据。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究必要性

1.3 国内外研究现状

1.3.1 快速频率响应研究现状

1.3.2 水电机组快速频率响应研究现状

1.4 本文主要工作

2 快速频率响应机理分析

2.1 负荷的静态频率特性

2.2 发电机组的静态频率特性

2.3 电力系统频率的一次调节

2.4 电力系统频率的二次调节

2.5 快速频率响应过程的动态分析

2.6 本章小结

3 水电机组频率响应相关模型结构分析

3.1 水电机组频率响应物理过程分析

3.2 水电机组频率响应相关模块基本模型研究

3.2.1 水电机组发电机及负荷模型

3.2.2 水电机组控制系统模型

3.2.3 水电机组水轮机及其引水系统常用模型

3.2.4 建立动态模型工作重点聚焦

3.3 本章小结

4 水电机组快速频率响应动态模型的建立

4.1 水轮机及其引水系统全参数模型

4.1.1 全参数模型及水锤效应

4.1.2 全参数模型运用于快速频率响应分析时的问题

4.2 水轮机及其引水系统静态模型

4.3 水轮机及其引水系统改进模型

4.3.1 水轮机简化假设分析

4.3.2 改进模型传递系数

4.3.3 考虑外部参数的水轮机及其引水系统改进模型

4.4 水电机组控制系统调速器简化模型

4.5 水电机组快速频率响应改进模型

4.5.1 水电机组快速频率响应改进模型结构

4.5.2 水电机组动态频率响应特性系数的求取

4.6 本章小结

5 模型正确性与可用性的仿真验证

5.1 仿真方案及参数设置

5.2 不同工况点下三种模型快速频率响应效果对比

（1）额定工况

（2）非额定工况

5.3 水头H与负荷P对动态频率响应及水锤效应的影响

（1）在不同的水头高度下带额定负荷时

（2）在额定水头高度下带不同负荷时

5.4 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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