（控制理论与控制工程专业论文）非线性汽门控制研究及有功中层控制初探.pdf

摘要 摘要 论文题名：非线性汽门控制研究及有功中层控制初探 硕士研究生姓名：赵大伟 导师姓名：于勤副教授戴先中教授 学校名称：东南大学 电力系统的有功功率控制对于电力系统的安全稳定运行具有重要的意义。在国家自然科学基金的资 助下，针对目前已有的非线性汽门控制方法无法如实际使用的常规调速器那样考虑速度下降特性，同时需 要在控制过程中预先知道扰动后系统的运行点的问题，本文研究了带速度下降特性的非线性汽门控制 器。同时，针对目前广泛采用的有功中层控制系统一自动发电控制( a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l 。 简称a g c ) 系统中存在的一些问题，如在应付较小的负荷扰动时需要各受控机组起动作，在进行经济 负荷分配时所采_ | f j 的等耗量微增率法无法计及实际机组的阀点效应等，本文对有功中层控制问题进 行了初步探讨，尝试给出可处理发电机组阀点效应的有功中层控制方案。具体地，本文的主要上作 内容有： 1 设计了带速度下降特性的非线性汽门控制器。和已有方法选择单一控制目标( 如功角或转速) 不同，本文选取了由转速和机械功率的线性组合构成的复合控制目标，并针对此复合控制目标基于 逆系统方法设计了非线性汽门控制器。所设计的控制器可保证稳态时的转速、机械功率与各自初始 值的偏著量之间存在一确定的比例关系，进一步，将此比例设计为调筹系数，就可使得所设计的非 线性汽门控制器反映速度下降特性，同时也不需要预先知道扰动后系统的运行点。 2 尝试给出了可处理发电机组耗晕特性的阀点效应的有功中层控制方案。和目前a g c 方案不 同的是，在负荷扰动较小时，由系统中调节性能最好( 调节容量大，调节速度快) 的一台受控机组 首先动作，完成有功中层控制系统的稳定控制任务，然后根据系统的稳定控制任务完成情况及先动 作机组的剩余调节容量大小决定是否在其余受控机组间进行经济负荷分配。所提控制方案除了可以 基于传统的等耗量微增率法进行经济负荷分配外，为考虑实际机组耗量特性的阀点效应，本文还研 究了基于改进粒子群算法的经济负荷分配方法。 对于以上各种控制器及算法，本文以e p r i 3 6 纯交流系统为例，基于p s a s p ( p o w e rs y s t e m a n a l y s i ss o f t w a r ep a c k a g e ) 软件进行了有关数值仿真，结果验证了其有效性。 关键词：电力系统，非线性控制，汽门控制，速度下降特性，有功中层控制，自动发电控制， 经济负荷分配 a b s t f a c t a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho nn o n l i n e a rg o v e r n o rc o n t r o la n dp r i m a r ye x p l o r a t i o no f s e c o n d a r ya c t i v ep o w e rc o n t r o l m a s t e rc a n d i d a t e ：z h a 0d a - w e i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gq i na n dp r o f e s s o rd a ix i a n - z h o n g o r g a n i z a t i o n ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t h ea c t i v ep o w e rc o n t r o 】i so f g r e a ti m p o r t a n c ef o rt h es a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o no f p o w e r s y s t e m s a s p r e s e n tv a n o u sk i n d so fn o n l i n e a rg o v e r n o rc o n t r o l l e r sc a nn o tc o n s i d e rt h es p e e d - d r n o pc h a r a c t e r i s t i co f p r a c t i c a lg o v e r n o r s ，a n ds h o u l dk n o ws y s t e m sp o s t - d i s t u r b a n c eo p e r a t i n gp o i n ti nt h ep r o c e s so fc o n t r o l ， t h en o n l i n e a rg o v e m o rc o n t r o l l e rw i t hs p e e d - d r o o pc h a r a c t e r i s t i cj sf o c n s e di nt h i sp a p e lm e a n w h i l e ，t h e r e a r es o m ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l ( a g c ) s y s t e m w h i c hi sap o p u l a r s e c o n d a r ya c t i v ep o w e rc o n t r o ls y s t e m ，f o re x a m p l e 。a l lc o n t r o l l e du n i t ss h o u l da c tw h e ns u t i e r e dar e l a t i v e s m a l ll o a dd i s t u r b a n c e ；t h ee q u a li n c r e m e n t a lm e t h o du s e di na g ct os o l v et h ee c o n o m i cl o a dd i s p a t c h p r o b l e mc a l l tc o n s i d e rt h ev a l v ep o i n te f f e c to fp r a c t i c a lu n i t s s o ，t h i sp a p e rm a k e sap r i m a r ye x p l o r a t i o n o fs e c o n d a r ya c t i v ep o w e tc e n t r e lp r o b l e m a n da t t e m p t st og i v eas c h e m et h a tc a nd e a lw i t ht h ev a l v e p o i n te f f e c to f p r a c t i c a lu n i t s i nd e t a i l ，m a i nc o n t e n t so f t l l i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 1 1 1 eg o v e r n o rc o n t r o l l e rw i t hs p e e d d r o o pc h a r a c t e r i s t i ci sd e s i g n e d d i f f e r a n tf r o ms e l e c t i n gs i n g l e v a r i a b l e ( s u c ha sr o t o ra n g l eo rr o t o rs p e e d ) 鹤c e n t r e lo u t p u ti nn o r m a ln o n l i n e a rg o v e r n o rc o n t r o lm e t h o d s ac o m b i n e do u t p u t , o rt 1 1 el i n e a rc o m b i n a t i o no fr o t o rs p e e da n dm e c h a n i c a lp e w e t , i sc h o s e ni nt h ep a p e r , a n dt h e nt h en o n l i n e a rg o v e m o rc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db a s e do nt h i sc o m b i n e do u t p u t u n d e rt h ec o n t r o lo f t h ep r o p o s e dn o n l i n e a rg o v e m o rc o n t r o l l e r , t h e r ew i l lb ead e f i n i t ep r o p o r t i o nr e l a t i o nb e t w e e nt h e d i f r e r e n c e so ft h er o t o rs p e e da n dt h em e c h a n i c a lp o w e rw i t ht h e i ri n i t i a lv a l u e s f u r t h e r m o r e t h i s p r o p o r t i o ni sa s s i g n e da st h es p e e d - d r o o p a n dt h u st h ep r o p o s e dc o n t r o l l e rc a nr e f l e c tt h es p e e d d r o o p c h a r a c t e r i s t i c m e a n w h i l e i td o e sn o tn e e dt ok n o ws y s t e m sp o s t - - d i s t u r b a n c eo p e r a t i n gp o i n ti nt h e p r o c e s so f c o n t r o lf o rt h ep r o p o s e dc o n t r o l l e r 2 1 1 1 ep a p e ra t t e m p t st og i v eas e c o n d a r ya c t i v ep o w e rc e n t r e ls c h e m e w h i c hc a nd e a lw i t ht h ev a l v e p o i n te f f e c to fp r a c t i c a lu n i t s d i f i e r e n tf r o mp r e s e n ta g cs c h e m e w h e nt h el o a dd i s t a r b a n c oi sr e l a t i v e s m a l l ，t h eu n i tt h a th a sb e s tr e g u l a t i o np e r f o r m a n c e ( 1 a r g e s tc a p a c i t y , f a s ts p e e d ) w i l lb es e l e c t e da n dw i l l a c tf i r s t l y , a n dt h t h es t a b l ec o n t r o lm i s s i o nw i l lb ec o m p l e t e d t h e nb a s e do nt h e s t a t u so ft h es t a b l e c o n t r o lm i s s i o na n dt h er e s i d u a ic a p a c i t yo ft h ef i r s ta c t i n gu n i t t h es c h e m ed e c i d e sw h e t h e rc o n d u c t e c o n o m i cl o a dd i s p a t c ha m o n go t h e rc o n t r o l l e du n i t so rn o t i no r d e rt oc o n s i d e rt h ev a l v ep o i n te f f e c to f p r a c t i c a lu n i t s t h ep r o p o s e dc o n t r o ls c h e m ec a nc o n d u c te c o n o m i c1 0 a dd i s p a t c hb a s e do nn o to n l yt h e t r a d i t i o n a le q u a li n c r e m e n t a lm e t h o db u ta l s ot h ei m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m b a s e do np s a s ra n ds e l e c t i n gt h ee p r l - 3 6a cs y s t e m 部as a m p l es y s t e m t h es i m u l a t i o n so fa b o v e c o n t r o l l e r sa n da l g o r i t h m sa r ep e r f o r m e di nt h ep a p e r , a n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h e i rv a l i d i t i e s t h ew o r ko f t h i sp 印e ri ss u p p o n e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，n o n l i n e a rc o n t r o l ，g o v e r n o rc o n t r o l ，s p e e d - d r o o pc h a r a c t e r i s t i c ， s e c o n d a r ya c t i v ep o w e rc o n t r o l ，a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l ，e c o n o m i cl o a dd i s p a t c h i l 第l 章绪论 第1 章绪论 i i 本文的研究目的和主要工作 频率是电能质晕的重要指标，维持电力系统的频率在额定值( 我国为5 0 h z ) 附近( 允许范围 内) 对于电力系统的优良运行有着重要的意义。电力系统的频率依赖于系统的有功功率平衡情 况。频率是系统的共同因子，一个点上有功功率的供需变化通过频率的变化反映到整个系统 中”。由于系统中的负荷经常变化，系统的频率会相应变化。系统频率等于系统内各发电机组 频率( 标么值同转速) 的惯性加权平均值。一般情况下( 除紧急状况时切机、切负荷等) ，电 力系统的频率调节主要是由发电机组完成的( 负荷频率特性也会对系统频率的调整有一定的 影响，有关负荷频率特性的概念将在2 1 1 节中介绍) 。 电力系统中的汽轮发电机组由锅炉、汽轮机及发电机组成，如图1 1 所示。汽门控制装置( 调 速器，如图1 1 所示) 是保证发电机组稳定运行的重要手段。它通过调节汽门开度的大小，改变 进入汽轮机的蒸汽量，从而影响汽轮机输出的机械功率，进而影响发电机转速的动态。当汽门开 度变大时，进入汽轮机的蒸汽量增多，从而汽轮机输出的机械功率增大，引起发电机转速的增加。 反之，汽门开度变小时，进入汽轮机的蒸汽晕减少，从而汽轮机输出的机械功率减小，引起发电 机转速的减小。当系统中的负荷扰动引起的系统频率偏差超过机组调选器的死区时，相应机组的 调速器就将通过调节汽门开度，改变汽轮机输出的机械功率，从而改变发电机的转速，进而影响 系统的频率，在系统负荷频率特性的共同作用f ，系统频率稳定在一个新的值上。然而仅通过汽 门控制装置( 调速器) 的调节和负荷频率特性的影响，系统频率般不会回剑额定值( 具体分析 见2 1 1 节) ，即这样的一个调节过程是一个有差调节过程。 实际的复杂电力大系统具有分层递阶的控制结构。在此结构中，汽门控制装置( 调速器) 为 底层控制器，底层控制器只能在反馈( 观测) 局部信息的基础上做出决策( 发挥控制作用) ， 只能做到有差控制( 即仅通过底层控制器无法实现对系统频率的无差控制，详细分析见2 1 1 节) 。由于系统频率为额定值时，系统安全和经济效益均达到最优，为实现对系统频率的无差 控制，实际中，机组调速器还接受来自有功中层控制系统( 如图i i 所示，即目前的自动发电控 制”( a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l ，简称a g c ) 系统) 下达的发电命令。有功中层控制系统通 过反馈各受控机组的频率计算出系统的频率偏差，再根据联络线交换功率偏差( 对于互联系统来 说) 等其它因素，根据一定的原则( 算法) 在其所能控制的各台机组间合理地分配发电负荷，一 方面将系统的频率拉回到额定值附近( 允许范围内) ，维持联络线功率在计划值附近允许范围内 ( 对于互联系统来说) ；另一方面使得系统的经济指标最优。 东南人学硕士学位论文 底 中层 图1 1 发电机组对频率进行调节的示意图 对于以上所述发电机组对频率的调节过程，有以下问题需要说明： 目前电力系统实际运行中使用的汽门控制器( 包括常规调速器、功频电液调速器5 1 等) 均为 简单的线性控制器( 详见2 1 3 节和3 2 节) 。当系统的运行点偏离预先设计的平衡点较远时，线 性控制器往往难以取得令人满意的控制效果。为此，近二十年来，电力系统的非线性汽门控制问 题得到了大量的研列1 6 - 2 3 1 。然而已有的非线性汽门控制方法大都存在以下问题： 不能如实际使用的常规调速器那样考虑速度下降特性【1 】( 有关速度下降特性的含义将在 2 1 2 节中详细介绍) ； 在控制过程中需要预先知道扰动后系统的运行点。 这大大限制了已有的非线性汽门控制方法在实际电力工程中的应用。 针对上述已有的非线性汽门控制研究中存在的问题，本文将研究带速度下降特性的非线性汽 门控制器。 此外，由上文可知，有功中层控制系统的两大任务是稳定控制和经济负荷分配。然而已有的 a g c 控制系统尚存在以下不足： 稳定控制方面：在应付较小的负荷扰动时需要各受控机组起动作，既不易协调其调整 速度，又导致了较多机组的磨损1 2 4 1 ； 经济负荷分配方面：在进行经济负荷分配时采用的等耗量微增率法无法计及实际机 组耗量特性的阀点效应口5 2 7 ( 有关阀点效应的内容将在2 2 3 节中讲述) 。 这限制了其性能的进一步提高。 针对上述a g c 系统存在的不足，本文对有功中层控制问题进行了初步探讨，尝试给出 了可处理实际机组耗量特性的阀点效应的有功中层控制方案。 本文的主要工作内容有 1 设计了带速度下降特性的非线性汽门控制器。首先分析了已有各种非线性汽门控制 方法中存在的问题，即无法如实际使用的常规调速器那样考虑速度f 降特性，只能实现对被 控量的无羞控制，同时大都需要在控制过程中预先知道被控量的参考值。而对于电力系统中 2 第1 章绪论 的大多数扰动( 尤其是扰动后系统运行点改变的怙况，如负荷扰动) 而言，在控制过程中是 难以知道相关被控量( 如频率) 的参考值的。接着，和已有方法选择单一控制目标( 如功角 或转速) 不同，文中选取了由转速和机械功率的线性组合构成的复合控制目标，并基于此复 合控制目标设计了非线性汽门控制器。所设计的控制器可保证稳态时的转速、机械功率与各 自初始值的偏斧量之间存在一确定的比例关系，进一步，将此比例设计为调筹系数，就可使 得所设计的非线性汽j 控制器反映速度下降特性，同时也不需要预先知道扰动后系统的运行 点。晟后，以逆系统方法1 2 a , 2 9 为例，设计了带速度下降特性的非线性汽f j 控制器。 2 尝试给出了可处理发电机组耗量特性的阀点效应的有功中层控制方案。即：在负荷 扰动较小时，由系统中调节性能最好( 调节容胃大，调节速度快) 的一台受控机组首先动作， 完成有功中层控制系统的稳定控制任务，然后根据系统的稳定控制任务完成情况及先动作机 组的剩余调节容鼍大小决定是否在其余受控机组间进行经济负荷分配。若稳定控制任务己完 成，且先动作机组剩余调节容量较少，则将先动作机组增加的出力在其余受控机组间进行优 化分配，同时使得先动作机组的出力值回到一个较好的状态。以利于其应付下次的负荷扰动。 所提出的有功中层控制方案允许采用智能优化算法( 本文采用改进粒子群算法 3 0 3 2 】) 进行 可计及实际机组耗量特性的阀点效应的经济负荷分配。当负荷扰动较大以致超出了先动作机 组的调节容量时，同a g c 做法类似，所提控制方案也将由所有受控机组一起动作完成稳定 控制任务。 3 以e p r i - 3 6 纯交流系统p ”为例，本文基于p s a s p 软件进行了有关数值仿真。仿真结 果验证了本文所设计的带速度下降特性的非线性汽门控制器及所给出的可处理发电机组耗 量特性的f 鼠电效应的有功中层控制方案的有效性。同时，这项工作所建立的有功中层控制平 台( 即基于p s a s p 软件的多个用户程序和多个用户自定义模型的联合操作) 为本课题组今 后在递阶控制方向的研究打下了基础。 本文的研究工作得到了国家自然科学基金( 互联电力系统递阶控制的研究，5 0 5 0 7 0 0 2 ) 和国家杰出青年科学基金( 复杂电力大系统控制一理论、方法及实现，5 9 9 2 5 7 1 8 ) 的资助。 1 2 本文的内容安排 第l 章为绪论，介绍了论文的研究目的、主要工作及内容安排。 第2 章讲述了汽门控制和有功中层控制的研究现状两部分内容。汽门控制的研究现状部 分首先讲述了有功功率及频率控制的必要性，接着描述了调速系统的基本工作原理，然后对 照同步调速器说明了速度下降( 有差) 特性的含义i l j ；接着给出了目前实际中的汽轮机常规 调速器的示意图，并给出了本文非线性汽门控制研究的数学模埠! ；最后，分析了目前已有的 非线性汽门控制方法的研究现状。有功中层控制的研究现状部分首先指出了有功中层控制的 两大任务，即稳定控制和经济负荷分配，接着分别分析了有功中层稳定控制及存在的问题、 有功中层经济负荷分配及存在的问题。 第3 章在第2 章对目前已有的非线性汽门控制方法的研究现状分析的基础上，指出了已 有非线性汽门控制方法存在的问题，接着，与已有非线性汽门控制方法大都选择单一控制目 标( 如功角或转速) 不同，通过选择合适的复合控制目标( 由转速和机械功率的线性组合构 成) ，说明基于此复合控制目标设计的非线性汽门控制器是可反映速度下降特性的，同时也 不需预先知道扰动后系统的运行点；然后，以逆系统方法为例，推导了基于复合控制目标的 非线性汽门控制策略，并进行了有关数值仿真。最后对死区对非线性汽门控制器的影响问题 做了初步的分析。 第4 章在第2 章对目前有功中层控制现状的介绍与分析基础上，针对目前a g c 系统在 应付较小的负荷扰动时需要各受控机组一起动作，既不易协调其调罄速度，又导致了较多机组的 东南大学硕上学位论文 磨损：并且a g c 在进行经济负荷分配时采用的等耗量微增率法无法计及实际机组耗餐特性 的阀点效应等问题，尝试给出了可处理发电机组耗营特性的阀点效应( 文中采_ l j 改进粒子群 算法) 的有功中层控制方案，并进行了有关数值仿真。 第5 章对论文进行了总结，并就下一步工作进行了展望。 4 第2 章汽门控制与有功中层控制的研究现状 第2 章汽门控制与有功中层控制的研究现状 2 1 汽门控制的研究现状 2 1 1 调速系统的基本工作原理 电力系统的根本任务是为用户提供符合要求的电能，用户最关心的是电能的质量。频率 是电力系统电能质量的一个重要指标。电工学定义交流电在1 秒内正弦参量交变的次数为频 率( f r e q u e n c y ，简写为f ) ，其单位为赫兹( h e r t z ，记为i - i z ) 。交变( 正负变化) 一次所需 的时问称为周期( t ) 。频率和周期互为倒数。频率是对单位时间内连续变量进行的计量， 要求被测系统是一个相对稳定的动态系统。交流电的频率是和发电机组转速直接相对应的电 频率，其关系式为泓l ： 厂：丝( 2 1 ) 6 0 式( 2 1 ) 中：p 为发电机组转子的极对数；月为发电机组每分钟的转数，r m i n 。 电力系统的负荷时刻都在变化。对系统实际负荷变化曲线的分析表明，系统负荷可看作以下 三种具有不同变化规律的变动负荷所组成 3 5 1 ： 第一种为变化幅度很小，变化周期较短( 般为l o 秒以内) 的负荷分量； 第二种为变化幅度较大，变化周期较长( 一般为1 0 秒到3 分钟) 的负荷分量，这种负 荷主要有电炉、延压机械、电气机车等； 第三种为变化缓慢的持续变动负荷，引起负荷变化的原因主要是工厂的作息制度、人民 的生活规律、气象条件的变化等。 负荷的变化将引起频率的相应变化，在系统发生有功功率缺额的初瞬间，各机组将首先按 离冲击点的远近拾取冲击功率，而与其容量无关。随之，各机组将按拾取的冲击功率大小和 惯性大小不同程度地减速，然后各个机组的调速系统按各自的特性动作于改变原动机的机械 输入。在这个暂态过程中，机组之间将产生机电振荡。存在于它们之间的同步力矩，将力图 把它们拉在一起按同一平均速度减速。因此，在实际的系统频率下降过程中，不同地点观测 到的频率变化有不同的动态过程，且具有振荡性质蚓。 在实际电力系统中，如果不采取频率调整措施，则负荷的不大变化将引起频率的大范围变化， 而频率的变化对于用户、发电厂机组和电力系统本身都会产生不良的影响甚至危害。 对用户来说，由于电动机的转速与系统频率近似成正比，因此频率的变化将引起电动机转速 的变化，从而使得由这些电动机驱动的纺织、造纸等机械的产品质量受到影响或甚至出现残、次 品。而且，频率的降低将使一些工厂的产量减少。特别是，现代工业、国防和科学技术都广泛采 用电子设备，而系统频率的不稳定将影响它们的正常工作，当频率过低时甚至无法运行。 东南大学硕上学位论文 频率变化对发电机组和电力系统本身的影响更为重要。当频率下降时，汽轮机叶片的振动将 增大，从而影响其使用寿命或甚至产生裂纹。当频率低到4 5 h z 附近时，些汽轮机的叶片可能 因发生共振而断裂，造成重大事故。在火力发电厂中。送风机、引风机、给水泵、循环水泵和磨 煤机等厂用设备都由感应电动机驱动，当频率降低时，由于电动机的转速下降而使它们的机械出 力减少，引起锅炉和汽轮机出力的降低，从而可能使频率继续下降而产生恶性循环。特别是，当 频率刚氐到4 7 4 8 1 - i z 以下时，上述恶性循环发展得十分激烈，可能在几分钟内使系统频率下降 到不能允许的程度。这种现象称为频率崩溃，其后果将造成大面积停电，甚至使整个系统瓦解。 我国在电力工业技术法规中规定，在电力系统正常运行情况下，系统的频率应保持在 5 0 + 0 2 h z 范围内，而在采用频率自动调整装置的情况下，频率的误差不应超过0 0 5 - 4 ) 1 5 h z 。 而且，为了防止频率崩溃的发生，在系统中必须设置自动低频减负荷装置( 简称低频减载装置) ， 当频率降低到一定程度时，按频率的高低自动分级( 分轮) 切除部分负荷，使系统频率尽快恢复 到4 9 5 h z 以上嘲。 发电机的转速是由作用在机组转轴上的转矩( 或功率) 平衡所确定的。原动机( 包括汽轮机 和水轮机等) 输入的功率扣除了励磁损耗和各种机械损耗后，如果能同发电机输出的电磁功率严 格地保持平衡，发电机的转速就恒定不变。但是发电机输出的电磁功率是由系统的运行状态决定 的，全系统发电机输出的有功功率之总和，在任何时刻都是同系统的有功功率负荷( 包括各种用 电设备所需的有功功率和网络的：h - s 3 功率损耗) 相等。由于电能不能存储，负荷功率的任何变化 都立1 1 1 喝1 起发电机的输出功率的相应变化。这种变化是瞬时出现的。原动机输入功率由于调节系 统的相对迟缓无法适应发电机电磁功率的瞬时变化。因此，发电机转轴上的转矩的绝对平衡是不 存在的，也就是说，严格地维持发电机转速不变或频率不变是不可能的。但是把频率对额定值的 偏移限制在一个相当小的范围内则是必要的，也是能够实现的。 一般地，第一种变化负荷引起的频率偏移将由发电机组的调速器进行调整。这种调整通常称 为频率的一次调整。第二种变化负荷引起的频率变动仅靠调速器的作用往往不能将频率偏移限i t i 0 在允许的范围内，这时必须有调频器参与调整，这种调整通常称为频率的二次调整。电力系统调 度部门预先编制的日负荷曲线大体上反映了第三种负荷的变化规律。这一部分负荷将在有功功率 平衡的基础上，按照最优化的原则在各发电厂间进行分配。 由于系统中有许多发电机供电，因此必须提供一些方法把供需变化分配到各发电机。每 台发电机的调速器提供了基本的速度调节功能，来自控制中心的辅助控制信息将分配发电机 的发电容鼍。 调速器的基本概念可由图2 1 所示的单独一个发电机组供电给一个当地负荷而得到较好 的说明。 6 第2 章汽门拧制有功中层控制的研究现状 蒸 荷兄 图2 1 给单独负荷供电的发电机 图l 中，乙为机械转矩，t 为电动转矩，只为机械功率，只为电动功率，最为负荷功率。 ( 1 ) 发电机对负荷变化的响应 当负荷一变化，它立即反映到发电机输出的电动转矩疋的变化。这引起机械转矩乙和 电动转矩的不匹配，这反过来导致运动方程中所确定的速度变化。 对于负荷一功率的研究，一般用机械和电动功率代替转矩来表示上述关系。功率p 和 转矩丁之间的关系为：尸= m r ( 2 2 ) 在我们所关心的速度变化范围内，汽轮机机械功率基本上是阀门位置的函数并独立于频 率【l 】o ( 2 ) 负荷对频率偏差的响应 一般来说，电力系统的负荷是一系列电气装置的总和。象照明和加热负荷之类的电阻型 负荷，其电功率与频率无关。但象风机和泵之类的电动机负荷，其电功率将由于频率波动导 致电动机转速的变化而改变。整个复合负荷对频率的依赖关系可由此得到 必= 十d a o ， ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，p ，为对频率不敏感的负荷变化；d a t a ，为对频率敏感的负荷变化；d 为负 荷一阻尼常数。负荷一阻尼常数可表示为频率变化1 所引起的负荷变化百分率。d 的典型 值是1 或2 。d = 2 意味着1 的频率变化将引起2 的负荷变化。 由式( 2 3 ) 可以看出，当系统频率增加时，负荷消耗的有功功率增丈；当系统频率减 小时，负荷消耗的有功功率减小。这就是电力系统的负荷频率特性。 在没有调速器的情况下，系统对负荷变化的响应取决于惯性常数和阻尼系数。稳态转速 偏差导致负荷波动，但它可由对频率敏感的负荷变化得到精确的补偿。 2 1 2 速度下降特性的含义 为更好地理解速度下降特性的含义，首先介绍一下同步调速器【l 】o 同步意味着恒速，同步调速器调节阀门以便把频率带同到正常值或规定值。图2 2 是这 样一个调速系统的示意图。测量到的转子速率珊，同参考速度相比较，误差信号( 等于速 度偏差) 被放大，积分成为一个控制信号j r ，它用来调整汽轮机的主供蒸汽通道的阀门或 水轮机中的闸门。由于这个积分控制器的复位作用，控制信号j ，在转率误差，为0 时将 达到一个新的稳态。 7 东南大学顾十学位论文 啡一转子速度r _ 阀闸门位置 图2 2同步调速器的示意图 图2 3 表示了一台装有同步调速器的发电机对负荷变化的时间响应。电磁功率只的增加 引起频率按一定速率减小，这个速率取决于转子惯性。当速度下降，汽轮机的机械功率匕开 始增加。这反过来引起了转速下降速率的减少，并在汽轮机功率超过负荷功率时开始增加转 速。这个转速最终回到参考值，并且汽轮机稳态时功率的增加等于增加的负荷总量。 时间o ) 图2 3 带同步调速器的发电机对负荷变化的响应 当一台发电机只对一个负荷供电或在多机系统中仅有一台发电机需要对负荷变化作出 响应时，同步调速器的工作性能是令人满意的。当连接到系统的多台发电机做负荷功率分配 时，就必须提供转著调节或斜率特性。 _ 带速度下降( 有差) 特性的调速器j l i 应用于两台或两台以上机组与同一系统相连的情况，这是由于每台发电机组必须确切地 具有同一速度设定值。否则，它们会相互冲突，每台机组都尽力想把系统频率控制在自己的 设置值。为了在两台或更多并列运行的机组间稳定地分担负荷，调速器应具有负荷增加时速 度下降的特性。 速度下降或调节特性可用增加一个静态反馈环在积分环节上来实现，如图2 4 所示： 蓬塑卫坠j _ 丙石再司_ 磊磊瓦_ i 自l 。至茎电机 节一+ b i r+ i q h 巫田叶9 雀嫩 l 二一 图2 4 带稳态反馈的调速器 图2 4 中调速器的传递函数可简化为图2 5 的形式，这类调速器被称为带增益1 瓜的比 8 第2 章汽门j 卒制有功中层拧制的研究现状 例控制器。 ( a ) 图2 5 带下降率的调速器的框图 ( a ) 带稳态反馈的框图( b ) 简化框图 r 通称为速度调节或下降率，它等于速度偏差( a c o ，) 或频率偏差( 厂) 与阀门闸门 位置变化( a y ) 或功率输出变化( p ) 之比。r 也称为调差系数。 例如，5 的下降率或调整意味着5 频率偏差导致阀门位置或功率输出的1 0 0 变化。 如果两台或两台以上的带下降率调速器的发电机组连接到同一电力系统，必然有唯一的 频率，而这个频率决定了它们分担负荷的变化。考虑图2 6 中两台带下降特性的机组。 率输出p 一亏目l 组 二号机组 图2 6 带下降特性调速器的并列运行机组之间的负荷分配 它们在初始正常频率o 时分别有输出只和马。当负荷增加a 巴，这使机组减速，调速 器增加输出直至达到新的运行频率。每台机组所分配到的负荷取决于斜率特性： 们叫一只2 等； 晓。) 奶2 巧一最2 等； 眩s ) 因而 笪：堕 必r 1 ( 2 6 ) 如果机组调节的百分数几乎相等，那么每台机组输出的变化基本上是正比于它的额定容 9 东南大学硕l 学位论文 量。 图2 7 是带速度下降特性调速器的发电机组对负荷增加的时间响应曲线。由于有下降特 性，功率输出的增加伴随着静态速度或频率偏差( $ ) 。 时间( s ) 图2 7 带下降特性调速器的发电机组的响应 为了进一步理解频率的基本属性，以系统中某一节点a 突然增负荷( + a p ) 为例，来 考虑频率的相应变化。+ a p 的出现，打破了系统原有的功率平衡状态。系统中的电源机组 a p 将按各自电动势e 对节点盯的电气距离成反比地，亦即按各自同步功率 兰来分担负荷增 似 量a p ，并释放转子惯性系统储存的部分动能，力图使系统能量维持均衡。转子动能的消耗 将使机组转速下降，频率作相应的降低。这将促使电源机组按各自调速系统的调差系数来重 新分配负荷。紧接着由系统事先安排的调频机组增加出力来求得系统功率的平衡。在整个过 程中，各机组的转速，因各自初始承担的负荷不同和调差系数的差别，使机组的新增负荷功 率不停地改变着分配比例，各电源机组频率围绕着系统等值惯性中心频率变化方向的轴线振 荡，并随之下降和回升，逐渐和等值惯性中心的频率趋于一致，最终回到系统j e 常运行频率 偏离的范围之内p 4 1 。 当电力系统频率变化时，促使发电机组的原动机( 即汽轮机或水轮机等) 调速系统自动 改变原动机工质的输入，从而改变发电机的出力，以求系统功率供需平衡，恢复频率到正常 允许偏差范围之内。这表明发电机组的功率频率特性取决于调速系统的特性。人们把频率变 化导致发电机组输出功率变化的关系称为发电机组的功率频率特性。 如图2 6 中一号机组所示，发电机组以额定频率f o 运行时，其对应的出力为只；当系 统负荷增加使频率下降到厂时，在调速系统的作用下，发电机组输出功率增至暑，即频率 下降匀，发电机组输出功率增加a 毋- 这是有差调节，其特性称为有差调节特性。 电力系统中调差系数的选择，需通盘考虑火电机组和水电机组，及系统送受端机组之间 定值的协调与配合，这对维持电力系统内频率的稳定运行关系很大。一般为了减少电力系统 的频率波动，汽轮机调差系数取得小一点，但这必须在水火电调差系数协调的基础上考虑 3 4 1 * 否则，反而会助长频率波动。通常情况下，汽轮发电机组的调差系数取4 6 ，水轮 发电机组的调筹系数取2 4 。 系统的单位调节功率取决于两个方面，即发电机的单位调节功率和负荷的单位调节功 1 0 第2 章汽门拧制与有功中层控制的研究现状 率。因为负荷的单位调节功率不可调，要控制、调节系统的单位调节功率只有从控制、调节 发电机的单位调节功率或调速器的调荠系统入手1 4 。 看来只要将调著系数挚定的小些或发电机的单位调节功率整定的大些就可保证频率质 量。但实际上由于系统中不止一台发电机组，调差系数不能整定的过小。为说明这一问题。 不妨设想将调差系数整定为0 的极端情况。这时，似乎负荷的变动不会引起频率的变动，从 而可确保频率恒定。但这样就要出现负荷变化量在各发电机组之问的分配无法固定，即将使 各发电机组的调速系统不能稳定工作的问题。因此，为保证调速系统本身运行的稳定性，不 能采用过小的调差系数或过大的单位调节功率。 而且，系统中不止一台发电机组时，有些机组可能冈已经满载，以致它们的调速器受负 荷限制器的限制不能再参加调整。这就使系统中总的发电机单位调节功率下降。也可以认为， 由于这些机组已不能再参加调整，它们的调差系数为无限大，从而使全系统发电机组的等值 调差系数增大。 由于上述两方面的原因，使系统中总的发电机单位调节功率从而系统的单位调节功率都 不可能很大。正因为这样，依靠调速器进行的一次调整只能限制周期较短、幅度较小的负荷 变动引起的频率偏移。负荷变动周期更长、幅度更大的调频任务自然地落到了二次调整方面。 频率的一次调整是系统中所有发电机组都要分担的调整任务，依靠调速器完成，只能做到有 差a 一次调整的频率偏移是鲈= 二等 眨， 式( 2 7 ) 中：巴是系统的有功缺额，莨s 是系统的单位调节功率。并且， k s = ，g + 托 ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中：屹是所有参与一次调频的发电机组的单位调节功率，而k 。是系统中负 荷的单位调节功率。 由式( 2 7 ) 可以看出，当系统中发生负荷扰动时，由于负荷扰动值a p ，0 ，且系统 的单位调节功率b 不可能很大( 见上述分析) ，故系统频率偏差匀0 ，即依靠系统中各 机组调速器完成的一次频率调节只能做到对系统频率的有差调节。 2 1 3 汽轮机常规调速器的数学模型 目前实际电力系统所使用的汽门控制装置( 常规调速器) 、汽轮机和同步发电机模型如 图2 8 所示9 ”( 所示为多机系统中的第f 台机组，图中为表示方便省略了有关变量的下标f ， 下同) 图2 8 汽轮机常规调速器示意图 东南大学硕上学位论文 图2 8 中，m 为发电机转速( 标么值) ，转速额定值n ) 0 = - l ( 标么值) ；k 5 为量测环节 的放大倍数，它等于调差系数的倒数；, 为控制输入( 标么值) ；占为调速器死区( 标么值) ： 盯为配压阀的行程，盯。、盯。分别为其上下限；u 为汽f j 开度，胁为汽门开度初值，a 为汽门开度变化量，。、。分别为其上下限；t 为伺服机构时间常数( 秒) ；t o 为汽 轮机时间常数( 秒) ；巴为汽轮机输出的机械功率( 基于机组自身容量的标么值) 。 不考虑死区及限幅环节，图2 8 所示汽r 1 控制装置、汽轮机和同步发电机的数学模型为 【3 3 】： 占= ( d o - 1 ) 2 a f o 西= 去 只一只一d ( 一w o ) 2 矾埘) 户坩= i 1 ( - 只+ 舡+ 胁) 2 9 舭= 毒。一舡) 式( 2 9 ) 中：j 为发电机转子g 轴与同步参考轴之间的夹角，即功角( 弧度) ，瓦为 系统惯性中心角频率( 标么值) ，为发电机电磁功率( 基于机组自身容量的标么值) ，d 为 阻尼系数( 秒) ，五为额定频率5 0 h z ，h 为发电机转动惯量( 秒) 。 由图2 8 可见，有风= 尸胛。成立，其中只。为机组的机械功率初值，同时对于常规调速 器，稳态时发电机转速与汽轮机输出的机械功率之间有如下关系： ( 1 一国) = 己一己o ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 表明，在扰动结束后系统达到稳态时，调芳系数的倒数，即j 0 和稳态时机 组转速偏差( 与额定转速之差，即( 1 一f d ) ) 决定了机组机械功率的变化量( 与初始机械功 率之差，即( 只一己。) ) 。也就是说，调差系数等于机组转速变化百分率与机组机械功率输 出变化百分率的比值”。需注意的是，这里只。和前面的己一样是以机组自身容量为基准的 标么值。据此，各台发电机组就可以根据转速偏差和各自的调差系数自动地分配负荷，这就 是调速器速度下降特性的含义。 2 1 4已有的非线性汽门控制方法的研究现状 汽j 控制不仅对电力系统的暂态稳定性的改善有极其重要的作用，而且对抑制电力系统