水电机组一次调频控制系统分析与功能完善

Abstract : This paper presents a thorough analysis on the dynamic and static characteristics of the primary frequency regulation control system of hydro generator units. The analysis shows the problems of the control system at the power closed2loop mode , and thus a control scheme of open2loop mode is put forward. By introducing the opening → power nonlinear feedback into the control system , this new scheme shows a fast response to the grid frequency similar to the other opening controls , while it can reach a control accuracy of units aim2power comparable to the power closed2loop control . Key words : hydroelectric generating ; open2loop power control ; system analysis ; primary frequency regulation ; governor
关键词 : 水轮发电机 ;功率开环控制 ;系统分析 ;一次调频 ;调速器
中图分类号 : TM312
文献标识码 : A
Analysis and improvement on primary frequency regulation control system of hydro generator units
图 1 是目前广泛应用的一种典型微机调速器结构及其组成的水轮发电机组控制系统框图 。机组在并网前 空载运行时 ,调速器按照频率 (转速) 控制模式工作 ,频率人工死区 Ef = 0 ,给定值为电网频率 f n ,机组频率 f g 跟踪 电网频率有利于快速并网 ;并网后自动设定在开度控制或功率控制模式工作 ,频率给定值 f c = 501000Hz , Ef 大小 由电网调度根据机组实际情况确定。当频率偏差Δf = f c - f g 超过频率死区后 ,机组功率会自动增减 ,完成一次 调频任务 。
图 4 中仿真曲线分别是在开度给定值输入和功率给定值输入得出的 ,现取电网频率变化量作为输入时 ,中间
第6期
张江滨等 :水电机组一次调频控制系统分析与功能完善
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图 4 两种控制模式下机组功率仿真曲线 Fig. 4 Simulating curve of the generating unit power at the two control modes
ZHANG Jiangbin1 , LI Hua2 , XIE Huiping1 (1. Xi’an University of Technology , Xian 710048 ; 2. Shanxi Electric Power Research Institute , Xian 710054)
图 1 水轮发电机组控制系统框图 Fig. 1 Diagram of a hydro generator unit control system
112 开度控制模式下的一次调频数学模型 机组并网后工作在开度闭环控制模式下的数学模型 ,如图 2 所示 。其中 ,水轮机采用刚性水锤 、单元引水系
统模型 ,发电机采用单机无穷大系统模型[3] ,同步力矩系数 K = d PeΠdδ,表示电磁功率 Pe 随功角 δ的变化率 ;阻 尼系数 D 是发电机转子绕组 (励磁绕组和阻尼绕组) 与定子绕组相对位置发生变化时 ,转子绕组会感应出电流而 产生的感应异步力矩或功率 PD ,它与滑差或频率偏差成正比 ,模型中未考虑励磁调节系统的影响 。
第 28 卷 第 6 期 2009 年 12 月
水 力 发 电 学 报 JOURNAL OF HYDROELECTRIC ENGINEERING
Vol. 28 No. 6 Dec. , 2009
水电机组一次调频控制系统分析与功能完善
张江滨1 ,李 华2 ,谢辉平1
(11 西安理工大学 ,西安 710048 ; 21 陕西电力科学研究院 ,西安 710054)
=
KDs2
+ kps bp kI
+
kI
·Gkp ( s)
Gkx ( s)
=
p( s) xc ( s) - x ( s)
=
KD s2 + KP s + s + bp KI
KI
·1 Tys +
1
· (
eqh
Tw
ey ( s+
1)
e Tw s
·(
+ 1) ·K Tas2 + Ds
+
K)
113 功率控制模式下的一次调频数学模型
摘 要 : 文中深入分析了水电机组一次调频控制系统动态与静态特性 ,指出一次调频控制系统在功率闭环控制模式下
存在的问题 ,提出了功率开环控制模式一次调频控制系统方案 。在开度控制模式基础上 ,引入“开度 →功率”非线性反馈
环节 ,既能保持开度控制模式响应电网频率变化的快速性 ,又能达到功率闭环控制模式机组目标功率准确性 。
组频率 ,并网后自动起到一次调频作用且不能人为切除 ,有效地抑制了电网频率的波动 。 近十多年来 ,水轮机调节理论和技术发展很快 ,微机调速器性能大幅度提高 、功能基本完善 ,除了频率 (转速)
控制模式之外 ,根据运行需要还增加了开度 、功率 、水位 、流量等控制 (调节) 模式 。由于各种控制方式的目标不尽 相同 ,这就要求调速器在各种控制模式下协调工作 、以及各种控制模式的切换 。无论调速器工作在那种控制模 式 ,应考虑不影响机组一次调频功能的正常发挥为前提 。
Gk p ( s)
=
p( s) yc ( s)
=
s
bp KI + bP KI
·1 Tys +
1
· (
eqh
Tw
ey ( s+
1)
e Tw s
·(
+ 1) ·K Tas2 + Ds
+
K)
41 机组功率对电网频率变化 (一次调频) 的传递函数
Gkk ( s)
=
p( s) xc ( s) - x ( s)
还要经过一个附加的二阶微分环节。考虑到一般情况下电网频率变化量很小且变化速度较慢特点 ,微分作用和 比例作用效果不明显 ,此时近似相当于频率变化量乘以比例系数 1/ bP 或 1/ eP ,作为开度给定值输入或功率给定 值输入 ,所得出的仿真曲线与图 4 类似 。 212 一次调频控制系统静态分析
长期以来 ,人们对水电机组一次调频作用重视不够 ,致使大部分机组未投入或不具备一次调频功能 。主要有 以下几方面原因 : ①由于电网频率始终处于波动状态 ,参与一次调频的机组功率不断变化 ,给机组稳定运行带来 诸多问题又得不到相应的补偿 ,电站人为地切除了机组的一次调频功能 ; ②有些调速器自动运行稳定性和可靠性 较差 ,长期处于限荷运行或手动运行 ,使机组失去了一次调频能力 ; ③调速器一次调频功能与电厂自动发电控制 (Automatic Generation Control ,AGC) 功能设计之间不匹配 ,导致机组一次调频功能无法顺利投入[2] 。传统上 ,调速 控制系统设计时具备一次调频静态特性 ,但是对机组正常运行时一次调频作用能否发挥和顺利实现重视不够 。 随着我国电力市场的逐步推进 ,调频 、调峰备用将成为电力系统辅助服务中的一项重要内容 。
收稿日期 : 2008206222 作者简介 : 张江滨 (1962 —) ,男 ,教授. E2mail :jbzhang @xaut. edu. cn
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张江滨等 :水电机组一次调频控制系统分析与功能完善
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1 水电机组一次调频控制系统模型
111 水电机组一次调频原理 早期的机械液压型调速器仅有频率 (转速) 调节一种工作模式 ,单机运行或并入大电网前调速器自动调节机
e Tw s K) +
+ 1) ·K ep KI ey ( -
e Tw s
+ 1)
·K
(8)
2 水电机组一次调频特性分析
下面对开度闭环和功率闭环两种控制模式下一次调频的动态、静态特性进行分析 。 211 一次调频控制系统动态分析
由式 (4) 、式 (7) 可见 ,传递函数可分为两部分 ,先求出开度给定或功率给定输入对机组功率的影响 ,再来分析 频率变化对机组功率的影响 。对图 2 或式 (3) 开度控制和图 3 或式 (6) 功率控制两种情况进行仿真计算 ,仿真曲 线如图 4 所示 。其中阶跃扰动量取 10 %、水轮机传递系数 eqh = 015 、e = 110 ,水流惯性时间常数 Tw = 110 秒 、机组 惯性时间常数 Ta = 510 秒 、阻尼系数 D = 110 、同步力矩系数 K = 019 ,模型中的其他参数见相应的仿真曲线。
从图 4 中可以看出 , ①在功率调节模式下可达到对功率的无差调节 ,而在开度调节模式下实际功率目标值随 着水轮机开度对力矩的传递系数 ey 变化 ; ②功率调节模式下的稳定性随积分增益 KI 或调差系数 ep 增大明显变 差 ; ③开度调节模式稳定性要比功率控制模式稳定性要好 ,随着积分增益 KI 增大 ,机组功率响应速度加快 ,而且 稳定性基本不受影响 。
图 2 开度闭环控制模式控制系统模型 Fig. 2 The control system model at the openning closed2loop control mode
11 开度给定输入时的调速器传递函数
Gry ( s)
=
y ( s) yc ( s)
=
bp KI · 1 s + bp KI Tys + 1
=
p( s) xc ( s) - x ( s)
=
KD s2
+ KP s ep KI
+
KI ·Ggp ( s)
(7)
Ggx ( s)
=
p( s) xc ( s) - x ( s)
=
s ( Tys
( KD s2 + KP s + + 1) ( eqh Tws + 1) ·( Tas2
KI) ey ( + Ds +
(1)
21 频率变化输入时的调速器传递函数
208
水 力 发 电 学 报
Gr x ( s)
=
y ( s) xc ( s) - x ( s)
=
KD s2
+ KP s bP KI
+
KI ·Gry ( s)
=
KD s2 + KP s + KI · 1
s + bP KI
Tys + 1
31 机组功率对开度给定的传递函数
源自文库
机组工作在功率闭环控制模式下的数学模型 ,如图 3 所示 。
2009 年 (2) (3) (4) (5)
图 3 功率闭环控制模式控制系统模型 Fig. 3 The control system model at the power closed2loop control mode
11 机组功率闭环传递函数
0 引言
维持电网频率恒定是电力系统运行的基本任务 。电力系统调频一般可分为一次调频 ( Primary Frequency Regulation ,PFR) 和二次调频 (Second Frequency Regulation ,SFR) 。一次调频是指当外界负荷发生变化时 ,机组调速 系统依据频率偏差自动地控制机组有功功率的增减 ,保持电网有功功率的平衡和频率的稳定 。近年来 ,我国电力 工业发展十分迅速 ,电力系统已进入大机组 、大系统 、超高压远距离输电 、跨区域联网的新阶段[1] 。由于电网结构 日趋复杂化 ,各种短路 、跳闸甩负荷事故时有发生 ,引起电网频率产生较大波动 ,这不仅关系到电力用户的切身利 益 ,而且危及到电网自身的安全稳定运行 。因此 ,提高发电机组的一次调频能力是抑制电网频率波动过大的一项 重要措施 。
Ggp ( s)
=
p( s) pc ( s)
=
s(
Ty s
+
1)
( eqh Tw s
+
ep KI ey ( - eTws + 1) ·( Tas2 + Ds +
1) K)
·K + ep KI ey ( -
eTws + 1) ·K
(6)
21 机组功率对电网频率变化 (一次调频) 的传递函数
Ggx ( s)