电力系统频率的动态分析

图. 模型的结构 本方法已被用来为分析与重大系统扰动有关的长期动态开发出详细的模拟工具 〔 〕 以及开发运行员培 / ・. $ 0・
训模拟机 〔 ， 〕 ， 这些执行过程包括发电厂， 负荷， 保护装置和励磁系统的详细模， 其目的是模拟严重系统扰 ! " 动的长期部分， 其他有详细模拟的类似模拟机已开发出来以供分析 # （自动发电控制） 的效能 〔 〕 。 $ % & ’ 应用标准负荷流量的简化模拟 目前工作的目的是开发一个易于使用和容易修改的模拟工具以在正常系统运行过程中来评价单一或 使用了在以前的一节中讨论的通用模拟方法。然而， 因为没有要 多地区系统的 # $ % 效能。为了这个目的， 模拟严重扰动的意图， 在以上的工具中包括的许多模拟细节就不需要了。 为了避免广泛的新软件开发， 应用了现有的负荷流量程序 （% （电力系统负荷流量） 程序） 。用手 () * + , 书写和模拟该程序的一部分 （即工程师程序控制语言 （( 允许调速器 ／ 电厂动态， 负荷频率灵敏度和 ) % +） 输入数据编辑器， 和输 # $ % 容易书写并同现有负荷流量解法模块接口。还应用了 ) * + , 图示使用者接口， 出绘曲线的能力， 从而使编程所花力量减到量小。此外， 因为应用了一个标准的生产级负荷流量包， 很多需 要的数据已是以适当的格式可供使用者应用。因为模型是以 ( 它们能由使用者不费力地修改 ) % + 写入的， 以执行在详细模拟或在 # $ % 逻辑中的变换。 .模型的描述 全面的模型结构示于图 & 。) * + , 程序的正常负荷流量的解法是用来解电力系统的代数网络方程式。 该解法是在每个时段中完成的以将发电功率同负荷和损耗平衡。在正常的负荷流量解法中， 在发电 ／ 负荷 平衡中的任何失配部分配到一个 “摆动母线” ， 重复进行负荷流量的解法， 利用下面描述的 “均匀加速” 逻辑 来重新分配全部发电机组中间的发电 ／ 负荷不平衡。 因为该模型是用来作长期分析的， 没有模拟瞬态的发电机动态， 和假设所有发电机组以相同的速率运 行。已完成了简单的动态模型以对几个互联的控制地区和每台发电机组的调速器 ／ 原动机的响应来模拟自 动发电控制系统 （# ） 。这些简单的模型可能加以延伸以包括更详细的模型。然而， 经验表明更详细的模 $ % 拟不一定能提高这类模拟的准确度， 这是由于许多未知和在变化的参数以及其他的因素影响发电响应 〔 〕 & & 所致。 对发电机和励磁系统没有明显地进行模拟。然而， 靠应用了标准负荷流量模型， 发电机端 （或别的母 线） 的电压在规定的发电机无功功率能力范围内将得以保持恒定。对于有过励和欠励限制器的快速动作自 动电压调整器， 为了频率控制分析的目的， 这是一个合理的逼近法。 均匀加速逻辑 均匀加速逻辑是用来在所有的发电机组中间来重新分配发电 ／ 负荷不平衡。系统频率的变化率 （加速 度） 是根据示于图&的发电机总机械功率与电功率之间的差来计算的。然后利用方程式 （ ） 设定单独的发电 & 机输出 （) ） ， 以使每台发电机的加速度同全系统的加速度一致。 / 0 利用调整的发电机输出以获得新的负荷流量解法。这个步骤在每个时段过程中迭代地重复进行， 直至 在迭代之间摆动母线中的功率变化低于一个容差。正常情况下， 只需要少量的迭代， 这个迭代过程的一个 比较方案可能是将均匀加速方程式直接包括到负荷流量解法的算法内。 # $ % 模型
! " # $ % &
Leabharlann Baidu
电力系统频率的动态分析
’ ( ) * + * ’ , ./0( ’ / ’ / + 关西电力公司 ’ ( , / 1 //( 2 ( 3 4 1 2 * + 0 5( 6( . * 4 1 6( 6( 7 1 8 9 4 公司电力系统部电力系统电能咨询处 : 4
（日本）
（美国）
; <引言 电力系统的可靠运行由于在世界的许多部分发生了改组而变得更加困难来预测。一项重要的事情是 发电控制以调节系统频率和电力交换。发电机的电力输出必须响应系统的扰动， 包括系统负荷的突然变化 〔; 〕 和 和失去发电机组或联路线路， 以及在负荷的电力需量中的连续波动。这个领域最近已受到 9 : 1 4 〔 〕 技术委员会加大了的注意。这种注意的部分原因是电力系统正在变化的结构和最后得出的需要作 4 4 4 $ 为必须由发电机组提供的辅助服务来识别和量化频率控制。 由于这些关心的结果， 有越来越多增长的对有效工具的需要以分析电力系统机构变化的冲击和关于频 率控制的运行实践。本论文讨论了动态建模的几个比较方案以及系统频率响应和控制的模拟。表示建模 详情和执行及使用容易的良好结合方法将更详细地进行描述。还描述了样品模型的证实和分析结果。 $ <频率响应的模拟方法 与电压和转子角动态特性相比， 系统的动态特性影响频率响应相对地缓慢， 在几秒钟到几分钟的范围 内， 系统频率响应的模拟要求下列元件的建模： （ ） 一次频率 （调速器） 控制 ; （ ） 发电机组对调速器和功率指令信号 $ （ ） 由于频率 （和电压） 的变化造成负荷功率需量的变化 ! （ ） 二次频率控制， 或者称做自动发电控制 （/ ） 或负荷频率控制 （3 ） & : 9 ) 9 对这些模拟可以考虑的几个方法将在下面描述。 最大的发电和负荷动态 以上列举的元件模型能包括在一个标准的电力系统动态模拟 （稳定） 程序内。这样的一个程序将包括 其他较快速的动态效应， 包括单独的发电机转子角振荡， 励磁系统和负荷动态。通常输电网是用静态方程 式来表示， 它们模拟了系统扰动对节点电压和线路流量的影响。假如包括了快和慢两种动态时， 特殊的数 ・; = "・
摘要 电力公司业务的改组已对电力系统频率控制效能的理解和量化产生 了新的重要性。对执行系统频率响应的动态模拟方法， 包括一次和二次 频率控制的效应， 电厂的响应和负荷的响应进行了审查。描述和证明一 个使用标准负荷流量程序而不需作内部软件修改的容易执行的方法。已 表明该方法对在正常的系统运行期间分析发生扰动时系统频率和控制的 响应是合适的。 关键词 频率控制 发电控制 动态模拟
图1 # $ % 模型 图1 的 # （# 。假 $ % 模型根据计划的和实际的净功率输出之间的频率—偏置来计算地区控制误差 % (） ・& 2 ’・
如! 时， 就将升高或降低的脉冲以 ’ 的间隔送到在 ! " # 超出阀值 $ ) " 的发电机组上去。这就模拟了日 % & ( 本关西电力公司 （* ） 目前在应用的 系统的基本特性， 虽然有几个额外的功能可能会变更送往单 # $ " + ! ) " 独机组的脉冲。 调速器 ／ 原动机模型 ／ 原动机模型来模拟。该模型是由调速器 ! 所有的发电机组都用示于图,的简单调速器 ) " 和有适当静 区。差率极限和范围极限的定值变化来提供电厂输出控制的。通过在该模型中时间常数和增益的选择， 就 能模拟不同类型发电机组 （水电、 燃气轮机、 联合循环、 汽轮机） 的响应。
值法可以应用于随同系统变量的波动值为变动模拟时间的步长 〔 ， 〕 。 ! " 当必须将快和慢的动态效应都包括在分析中时 〔 〕 ， 例如对重大系统扰动 （包括串级停运和系统分离） # 的详细分析， 就建议应用该方法。然而， 对于许多频率中央委员应分析的目的， 不必要将较快速的动态效应 包括在内， 较简单的模拟方法由于省略了快速电压和转子角度的动态， 简化了建模和数据的要求。当排除 了较快的动态于模拟结果之外时， 结果的分析和解释也就简化。 复合的发电和负荷 已用于分析系统响应的一个简单方法是考虑到所有的系统负荷和发电厂都连接到同一条母线， 以消除 全部快速动态和全部输电系统的效应 〔 〕 ， 系统的频率是用对总发电功率和总负荷之差的积分并除以总的 $ 发电机组转动惯量来计算。单独的发电厂控制和动态也可以作为负荷的聚集频率灵敏度来表示。 该方法的主要缺点是它不允许计算单独的母线电压和分支的流量， 由于几个原因这个情况可能是重要 的。 为研究二次频率控制的效能对多家电力公司或控制地区和线路流量的模拟。 ・ 由于系统扰动的结果模拟电压变化对负荷功率需量的影响。 ・ 监测线路负荷和母线电压制约的违反， 假如这些电网效应应对研究目的重要时可应用下列方法。 单独的发电机组和负荷—集中的惯性 电网的布置能靠应用均匀加速法以单独的发电和负荷母线来保持。该方法允许计算电网的电压和流 量而毋需采用模拟单独的发电机转子角度和电压动态。系统频率是以同复合的发电和负荷方法相同的方 式来计算。然后每台发电机的电功率输出是靠假设所有的发电机组都有相等的加速度来计算的： % (% * + , -系 -系 & ’ ) ’ ’ 式中： 发电机’的电功率 % & ’ 发电机’的机械功率 % ) ’ 发电机’的惯性常数 , ’ -系 系统频率 （加速度） -系 系统频率的导数 发电机的电功率数值与负荷数值一起从而能用来作为对负荷流量的输入以获得母线电压和分支流量。 （ ） .
图! 样本期间 "： 测量的 " # $； 测量的 " 计算的 " ’ # 脉冲； ’ # 脉冲； 总水电功率； 测量的 （虚线） ； 计算的 （实线） （) ） 的冲击调研 % (可变速率抽水蓄能 * + *
图, 调速器 ／ 原动机的模型 负荷模型 标准的负荷流量允许用恒定功率， 恒定电流和恒定导纳负荷部分的组合作为负荷的电压灵敏度规范。 还加上了对有效和无功负荷的频率灵敏度。基于计算的频率数值和线性的灵敏度系数在每个时间段上来 变化负荷的大小。已经证明将负荷灵敏度包含在频率之中对于系统频率响应有显著的效果 〔 〕 。 . /模型的证实 以上描述的模拟工具初始时是用来准备一个 * # $ " + 系统简化的单一地区模型。来自 * # $ " +的 ! ) " 测量的信号是用来证实模拟的一些方面。在两个半小时期间 ! 和 0 测量的 ! " # 信号和结果的 ! ) " 脉冲 分别地示于图 . 和 1 。对测量的脉冲来表明极性， 但是能从 ! " # 的符合推导出来， ! " # 的静区—$ % &设定 在2 3 4 56。 测量的 ! " # 信号是用作开环模拟的输入。使用 2 3 4 56 的 $ ) " 脉冲也示于图 . % &由该模型计算的 ! 和1 。在少量例外的情况下， 计算的和测量的 ! 即使 ! ， 仍在大约 2 分 ) " 是相似的。在图1中， " # 小于 $ % & 钟和2 ， 但没有测量的脉冲。 7分钟时有测量的脉冲。在大约3 1分钟时， ! " # 超出了 $ % & 将计算的 ! ／ 原动机模型上去， 模拟着在测量时的在线电厂。此外， 测量的系统 ) " 脉冲施加到调速器 频率和每台机组的测量功率设定值的变化是调整器模型的输入。 图.中的底部曲线示出了在样本期间 ! 的过程中水电厂在线测量的总功率输出 （虚线） 。另外示出的 是利用模拟工具计算的这些电厂的总机械功率 （实线） 。在图.中计算的水电厂中央委员应同测量的响应十 分相似。最显著的差别是在3 2和3 ,分钟之间在测量的功率中有较大的变化。在整个这个时间间隔内输出 变化的定时同变化的速度配合得十分良好。这就产生了一些信心即选择来模拟水电厂的调速器 ／ 原动机模 型和参数是相当好的。 也曾对这个期间火电厂的测量和计算响应进行了检验。一致性是相当好的。然而， 电厂输出的许多变 化是由于设定值变化而不是对 ! 不认为这是模效能的令人满意的试验。 ) " 脉冲的响应。因此， 图1示出了在样品期间 0 的过程中火电厂在线的和计算的总功率输出数值。在这个期间没有水电厂 在运行。在测量的和计算的响应之间有一些明显的差别。这些差别的有一些是由于在测量的和计算的脉 冲中在上面注意到的差别所致。在其他的点上， 例如在大约-分钟和3 尽管存在测量的 ! 3分钟处， ) " 脉冲 但没有测量的电厂输出的响应。在其他的点上， 测量的和计算的响应有相似的变化速率， 从而在调速器 ／ 涡 轮机的模拟上产生一些信心。 ・2 7 2・