N-1系统可靠性
N-1系统可靠性是指当电力系统中的一个主要组件失效后,系统依然可以正常稳定运行。
也就是说相互关联的两个主要组件同时失效的概率被忽略不计。
(来源:微信公众号“黄师傅说电”)
如图的双发电机系统,单台容量100MW,则系统可靠供电容量为100MW,而并非两台机组满负荷下的200MW。
发电机视角下的功率与频率。
所谓系统有功的平衡是指一个电网系统内,其发电功率,损耗功率,用电功率和与其它系统联络线功率之间的平衡。
系统的频率和电压由若干发电机组共同构建,全部发电机组根据相同的转速进行旋转发电,共同促进系统的功率平衡和频率稳定。
从单台发电机视角看,锅炉蒸汽带动汽轮机旋转,汽轮机带动发电机发电。
发电机转子受到汽轮机,也就是原动机的机械力开始旋转,旋转方向与汽轮机所施加的机械力一致。
而发电机带负载后,亦会受到来自负荷的电磁力,方向与机械力相反,双方平衡时,发电机以恒定的转速旋转,保持系统频率。
当发电功率>用电功率时,相当于原动机的机械力>负荷的电磁力,发电机旋转方向上的力增加,发电机转速增快,频率增加。
当发电功率<用电功率时,相当于原动机的机械力<负荷的电磁力,发电机旋转反方向上的力增加,发电机转速变慢,频率降低。
电力系统的有功-频率静态特性
图为发电机和负荷的有功-频率静态特性曲线,其所指为发电机或负荷在一定频率下稳定运行后,所具备的特性曲线。
当频率不变,发电功率或者负荷功率突然增加时,特性曲线需要平移。
而二者的在同一图中,即为电力系统的有功-频率静态特性。
此时系统工作于平衡点A,对应发电和负荷功率P1,系统频率f1。
一次调频
当负荷突然增加△P后,负荷的有功-频率静态特性曲线上移,即频率暂未改变,负荷功率增大。
此时发电机组马上做出调整,导致系统发电功率<负荷功率,频率开始降低。
发电机组从蓝色A点,负荷从橙色A点,重新平衡与B点。
B点对应的新频率f2若在允许范围,则系统维持不动,等待下一次波动的自我调整。
这个过程依靠发电机组自带的调速器,属于义务奉献,即一次调频。
二次调频
如果重新平衡的B点频率无法确保系统稳定,即不在允许范围,则需要调用其它方式补充系统发电功率。
此时发电机组具备的调频器,也就是AGC自动发电控制单元会根据调度指令提高发电出力。
对应的发电机组有功-频率静态特性曲线也会上移,发电机组从橙色B点,负荷从蓝色B点,重新平衡与C点。
使得C点对应的频率符合系统要求。
这个过程依靠发电机组配置的调频器,AGC自动发电控制设备,属于有偿服务,即二次调频。
超快速调频和三次调频
一些没有满功率发电的机组,剩余的发电容量可视为旋转备用容量,属于热备。
一些暂时没有并网但可以快速并网的机组,如燃气机组,可以充当系统备用资源,负责二次调频后,系统依然有风险下的资源补充,即三次替代性调频。
而诸如电化学储能电站,因为良好的爬坡能力和响应热性,可以提供低于秒级的调频服务,在国外单独设置了超快速调频服务品种。
新能源机组与转动惯量
传统发电机组因为具备一次调频能力,所以具备转动惯量,防止因为系统频率的偏差而导致的频率偏移,系统崩溃。
但以电力电子变流器接网的风光电站,不具备这样的转动惯量。
所以说当接入的新能源比例越大的电力系统,其转动惯量也相应的减少,而所需要的调节资源也逐渐增多。
新能源电站以近乎为零的边际成本带来了更低的电价,但相应也堆高了系统对于可靠性的备用要求,实际上也增加了另一部分成本。
所以看待新型电力系统下的新能源接入,不能只顾一头,还要从系统的角度看问题,这样放才会更加全面。