（电力系统及其自动化专业论文）喇叭曲线评价机组agc调节性能.pdf

喇叭曲线评价机组a g c 调节性能 e v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo f a g cu n i t sb yt r u m p e tc u r v e a b s t r a c t a u t o m a t i o ng e n e r a t i o nc o n t r o l ( a o c ) i sa l li m p o r t a n tf u n c t i o ni ne n e r g ym a n a g e m e n t s y s t e m ( e m s ) t h es i z eo fp o w e rg r i d se x t e n d i n ga n dt h ea u t o m a t i o nl e v e li n c r e a s i n g ，t h e p r o p o t i o no fa g c u n i t si np o w e rg d d si sb i g e ra n db i g e r a n dt h ea u t o m a t i o ng e n e r a t i o n c o n t r o lt e c h n i ci sa ni n d i s p e n s a b l em e a n si nm o d e mp o w e rg r i d sr u n n i n g t h ed i f f e r e n c e so f a g cu n i t si no p e r a t i o na r eg r e a tr e s u l tf r o mg r e a td i f f e r e n c e so fp h y s i c a lc a p a b i l i t yo f g e n e r a t o r sa n da d m i n i s t r a t i v el e v e l so fp o w e rp l a n t s i ni n t e r c o n n e c t e dc o n t r o ls y s t e m ，t h e r e g u l a t i o na c t i o n so fc o n t r o la r e a sa r ee x a m i n e db yc o n t r o lp e r f o r m a n c es t a n d a r d t h ea g c r e g u l a t i o no fac o n t r o la r e a i sa c c o m p l i s h e db ya g cu n i t si n t h i sa r e a t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt oe v a l u a t e ，e x a m i n et h er e g u l a t i o ne f f i c i e n c yo fa g c u n i t sa n di n s t i t u t er e l e v a n t m e a s u r e s t h e s ec a np r o m o t et h ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no fa g cu n i t s ，i m p r o v et h e e n t h u s i a s mo fp u t t i n gt h e mi no p e r a t i o n , a n di ti sh e l p f u lt oc o n t r o lg r i d sm o r es a f e l ya n d s t e a d i l y t h em e t h o df o re v a l u a t i n gt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fa g cu n i t si ss t i l lb e i n gs t u d i e d n o w a n dt h es i n g l ep a r a m e t e rm e t h o da n dt h eq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i n ga n de x a m i n i n gt h e r e g u l a t i o np e r f o r m a n c eo fa g c u n i t sa r ea l w a y su s e d t h e s em e t h o d sc a nr e f l e c te l e m e n t a r y c h a r a c t e r i s t i c so fa g c u n i t s ，b u tt h e yc a l ln o tr e a l l ye v a l u a t et h ep e r f o r me f f e c t so fa g c u n i t se f f e c t i v e l y a n a l y z i n gt h ea g c u n i t s c o n t r o lp e r f o r m a n c e sa n dr e g u l a t i n ga c t i o n s ，s u m m i n gu p t y p i c a lr e s p o n s ep r o g r e s st oe v a l u a t i o nc o m m a n d ，t h es i m p l ea n di n t u i t i o n i s t i ce v a l u a t i n g m e t h o d ，n a m e dt r u m p e tc u r v ee v a l u a t i o nm e t h o d ，i sp r o p o s e d 。t h i sm e t h o dc a ng e ta s y n t h e t i c a le v a l u a t i o ni n d e xd i r e c t l yw i t h o u tc a l c u l a t i n ga l le v a l u a t i o ne l e m e n t s ，s oa st o c o m p a r et h es y n t h e t i c a lp e r f o r m a n c eo fa g c u n i t sr a p i d l y a tl a s t ，t a k i n gf a m i l i a rf o s s i lf u e l f i r e ds t e a mg e n e r a t o rf o re x a m p l e ，t h i sp a p e rd e s i g n s o n es i m u l a t e dm o d e lw h i c hh a so n l yo n eu n i t t h es i m u l a t i o np r o v e st h a tt h i sm e t h o dh a sa s i m p l ea n df e a s i b l eo p e r a t i n gp r o c e s s ，a n dt h er e s u l ti sa c c o r d i n gw i t hp r a c t i c e k e yw o r d s ：a u t o m a t i o ng e n e r a t i o nc o n t r o l ；c o n t r o lp e r f o r m a n c e ；t r u m p e tc u r v e ： s y n t h e t i c a le v a l u a t i o ni n d e x i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 噎! l 堕迪蕴近笙凹金幽茔! 咝 作者签名：迮蛐日期：丑年l 月三乙日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论 文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权 保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 睦4 坠选越凇趣龇避! l ! 逸 日期：丑年上月生日 日期：毕年上月4 日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1自动发电控制及其重要性 自动发电控制( a u t o m a t i o n g e n e r a t i o n c o n t r o l a g c ) 是能量管理系统( e n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m - e m s ) q b 的一项重要功能。电力系统运行的基本任务是保证发供电 平衡，向用户提供稳定可靠、高质量的电能。电力系统频率是衡量电能质量的重要指标， 它反映了发电有功功率和负荷之间的平衡关系，是电力系统运行的重要控制参数【l 】。当 电力系统的发供电平衡被破坏时，电网频率将产生波动。然而，电力系统的负荷无时无 刻不在无规则地变化，负荷的波动将给电网造成频率偏差和联络线功率偏差。 传统的频率调节方法主要是人工调频，即由电网调度员指挥各机组的负荷分配。由 于电力系统规模日益扩大，负荷的变化速率不断提高，在负荷快速变化的情况下，依靠 传统的频率调节方法，要将电网频率始终控制在规定的范围内是相当困难的。电力系统 中意外故障的发生，也会打破发电有功功率和负荷之间的平衡。随着电力系统的发展， 发电机组单机容量的增大，输电线路传输容量的提高，电网中单台设备故障带来的发电 功率损失越来越大。如这些设备发生故障，都会造成发电有功功率和负荷之间的严重偏 差，而靠人工调整发电出力则需要较长的时间，才能达到新的平衡，显然不能满足要求。 同时，人工控制难于协调配合，不可能由一个容量足够大的调频厂( 主调频厂) 来承担全 部调频容量，也不便吸收更多的电厂参加调频。另外，在手动调频方式下，系统对计划 内负荷的分配( 即预定的机组发电计划，包括开停计划) 能考虑经济分配原则，但计划外 负荷则不能按经济原则进行分配，而只能由调频厂承担，难以做到电力系统负荷在各机 组间的最佳分配，不能完全实现经济调度，对互联电力系统也难以做到联络线交换功率 维持在规定值。 这样，采用自动发电控隹i u ( a g c ) 的技术手段，对电力系统中的大部分发电机组，根 据其本身的调节性能及在电网中的地位，分类进行控制就成为必然。自动发电控制作为 频率二次调整的自动实现方式，目的就是通过调整发电机出力，恢复区域电网的负荷与 发电之间的平衡，保证电网频率质量和联络线交换功率恒定。因此，自动发电控制是保 证电网安全、经济运行的重要措施之一【2 】。 2 0 世纪后期，随着经济全球化的发展，以发、输、配企业重组和电力、电量竞争交 易为主要特征的电力行业市场化进程在世界各国迅速展开。但是，电力市场的开展需要 有良好的环境，一个安全、优质、经济运行的电力系统是进行电力、电量交易的重要条 件。 喇叭曲线评价机组a g c 调节性能 ( 1 ) 电力市场需要稳定、可靠的运营环境，自动发电控制是保证发、用电平衡，维 持系统频率在规定值的有效手段，对保证电力系统可靠性发挥着重要的作用。 ( 2 ) 在电力市场中，联络线电力、电量交易是互联电力系统常用的交易形式，交易 各方都必须严格遵守合同，按交易量控制好联络线功率，而自动发电控制正是控制联络 线功率的有效手段。历史的经验告诉我们，没有自动发电控制的技术手段，依靠人工调 节是很难控制好联络线功率的。 如前所述，自动发电控制对电力系统的安全、优质、经济运行发挥着重要的作用， 因而自动发电控制是保证电力市场正常开展的重要工具之一【3 1 。 总之，自动发电控制技术是电力市场的重要支持工具。随着a g c 功能的投入，电 能质量和电力系统供求平衡得到极大程度的改善，并对减轻电力调度人员和电厂运行人 员的工作强度，提高电网的负荷反映速度起到积极的作用。 1 2 自动发电控制机组控制性能考核的必要性 近几年内电网调度自动化水平的迅速提高，电网中具备自动发电控制( a g c ) 功能的 机组日益增多。随着电力体制改革的深入，在大区电网互联和深化电力市场运营的新形 势下，进一步增加a g c 机组并提高a g c 机组的调节品质，充分发挥a g c 的功能和作 用，并对电网a g c 进行科学的技术管理和符合市场经济规律的统计与考核，是对各电 网公司的调度机构提出的更高的新要求1 2 j 。 由于机组本身物理性能差异较大，而且各电厂的运行管理水平参差不齐，因此机组 的a g c 调节性能以及机组投入a g c 运行期间对电网的贡献大小也存在差别。如果这种 差别在考核上得不到体现，就不能真正体现市场的公平性，也不能促进a g c 机组性能 的进一步提高与运行实效的改善。 在互联控制系统中，系统通过控制性能评价标准，如：c p s ( c o m r o lp e r f o r m a n c e s t a n d a r d ) 等，考核控制区域的调节行为。区域内自动发电控制的执行依赖于a g c 机组 对控制指令的响应。因此，控制区域必然要对区域内各发电厂a g c 机组的调节行为进 行考核。这就需要采取措施来跟踪、判别各a g c 机组调节性能的优劣，制定相应的考 核办法，用来评估a g c 机组执行a g c 指令的好坏。 1 3 控制性能考核方法研究现状 针对a g c 机组控制性能的考核，人们已经提出了一些不同的方法，其中比较有代 表性的是单一参数描述类方法【4 】和a g c 机组的调节效能定量评估法【5 1 。但是这些方法或 只对单一性能进行描述，难以形成a g c 机组执行效果的有效评价；或虽涉及多方面性 大连理工大学硕士学位论文 能，形成分段整体指标但实质仍是孤立考核某一性能，还是没有真正形成针对总体执行 效果的有效评价；而且，现有方法形成的指标大多比较抽象。因此，需要寻找一种有效 整合各方面性能评价的方法，以统一的指标对机组的综合执行效果进行评价，进而有效 地约束a g c 机组的调节行为，以达到a g c 的调节要求。 1 4 本文所做工作 为了解决上述问题，本文在深入分析机组的a g c 调节过程的基础上，总结了机组 响应指令的几个典型过程；针对这几个过程，构造出了一条理想调节曲线；通过该理想 盐线与实际调节曲线的对比，将机组的各性能要素合成，构造出一个可评价机组综合性 能的评价指标，提出了理想调节曲线评价方法。由于该理想曲线形状似喇叭，所以本文 将其称为“喇叭”曲线评价方法。这种方法能够直接得出一个综合的评估指标，全面考 虑了调节的综合效果，有效地克服了以往方法不能综合指标体现整体调节效果的缺陷， 同时，该方法直观有效，直接反映了调整的结果，直达a g c 机组控制性能的本质。最 后，通过一台机组的模型的a g c 仿真，对具有不同控制性能的a g c 机组，计算了本文 提出的“喇叭曲线评价方法的计算指标，并与用a g c 机组的调节效能定量评估法计 算指标进行比较，验证了用本文的方法计算出的指标与机组实际的运行性能相符合，结 果更能真实反映不同性能机组间的差异。 由于火电机组和水电机组动力特性存在较大差异，它们之间没有可比性，故火电机 组和水电机组的a g c 性能应当分开评估。本文介绍的方法以火电燃煤发电机组为例， 但此法同样适用于水电机组。 喇叭曲线评价机组a g c 调节性能 2自动发电控制原理 电力系统频率和有功功率的自动控制统称为自动发电控带i j ( a g c ) 。自动发电控制在 当今世界己是普遍应用的一项成熟与综合的技术，它是能量管理系统fe m s ) 5 b 最重要的 闭环控制功能。它的投入将提高电网频率质量，提高电力生产的经济效益和管理水平。 电力系统正常运行状态下自动发电控制的基本目标是【6 】： ( 1 ) 使发电自动跟踪电力系统负荷变化； ( 2 ) 响应负荷和发电的随机变化，维持电力系统频率为规定值( 在我国为5 0 h z ) ； ( 3 ) 在各区域间分配系统发电功率，维持区域间净交换功率为计划值； ( 4 ) 对周期性的负荷变化按发电计划调整出力，对偏离预计的负荷，实现在线经济 负荷分配。 2 1 电力系统调频与自动发电控制 频率是电力系统运行中最重要的参数之一。在稳态运行条件下，所有发电机同步运 行，整个电力系统的频率是相等的【7 】。电力系统频率的变化会对发电机和系统的安全运 行带来严重的影响。 电力系统中许多用电设备的运行状况都同频率有密切的关系。工业中普遍应用的异 步电机，其转速和输出功率均与频率有关。频率变化时，电动机的转速和输出功率随之 变化，偏离其额定值，进而严重影响到后续生产产品的质量。现代工业、国防和科学研 究部门广泛应用各种电子技术设备，如频率不稳定，将会影响这些电子设备的精确性。 频率变化对电力系统的正常运行也是十分有害的，汽轮发电机在额定频率下运行时效率 最佳，频率偏高或偏低对叶片都有不良的影响。电厂用的许多机械如给水泵、循环水泵、 风机等在频率较低时都要减小出力，降低效率，因而影响发电设备的正常工作，使整个 发电厂的有功出力减小，从而导致系统频率的进一步下降。 由于各种负载变动性质差异，引起系统频率动态响应的性质也不同。负载变动性质 可归纳为三种瞵j ： 第一种是变化周期在1 0 秒以内、变化幅度较小的负荷分量。这种快速的负荷波动 是各个独立负荷随机变化的集中表现。这类负荷的变化规律是：负荷变化的幅值小；负 荷变化率大；负荷变化改变方向的次数多。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 第二种是变化周期在1 0 秒到数分钟之间的较长期波动负荷分量。属于这类负荷的 主要有电炉、压延机械、电气机车等。这类负荷的变化规律是：负荷变化的幅值较小； 负荷变化率较大；负荷变化改变方向的次数较多。 第三种是变化缓慢的长期持续变动负荷。引起这类负荷变化的原因主要是各行业的 作息制度、人民的生活方式规律、天气的变化等。这类负荷的变化规律是：负荷变化的 幅值大；负荷变化率较小；负荷变化改变方向的次数少。 根据负荷的上述变化特点，短期的随机波动负荷，由机组的调速器系统进行调节。 而自动发电控制系统只进行所谓的二次调节，即调节较长期变化负荷。长期变化的负荷 则由发电计划进行调整。 2 1 。1 电力系统的频率控制 所谓频率特性就是指有功功率频率静态特性，它反映了在稳态运行情况下有功功 率和频率变化的关系，包括：负荷的频率特性，发电机组的频率特性，电力系统的频率 特性川。 ( 1 ) 负荷频率特性 电力系统频率变化时，系统负荷取用的有功功率将随之改变，这种有功功率随负荷 变化的特性称为负荷的静态频率特性【9 】。由于负荷的种类不同，负荷与频率的关系也不 同。当频率偏离额定值不大时，负荷的频率静态特性常用一条直线近似表示，如图2 1 所示。图中，在额定频率瓜时，系统负荷取用的功率为p d n 。当频率下降时，负荷取用 的功率减少；当频率升高时，负荷取用的功率增加。有功功率的静态频率特性表明：电 力系统有功功率失去平衡引起系统频率变化时，系统负荷参与对频率的调整。当实际负 荷增加时，系统频率下降。但是，与此同时，负荷实际取用的功率也因频率的下降而有 所减小，这有利于发电机的调频，这种现象称为负荷的频率调节效应。为了衡量负荷频 率调节效应的大小，定义负荷频率特性系数为： k d = t a n o = 屹4 厂 ( 2 1 ) 岛称为负荷的频率调节效应系数。 喇叭曲线评价机组a g c 调节性能 p d p d n o 图2 1 有功负荷的静态频率特性 f i g 2 1 l o a ds t a t i cf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ( 2 ) 发电机组的频率特性 发电机的频率调整由原动机的调速系统来控制，其有功功率一频率调节特性取决于 发电机组的调速系统。在调速系统的作用下，发电机组输出功率随电力系统频率变化而 变化，这就是发电机组的频率一次调节作用。反映发电机组的频率一次调节过程结束后， 发电机组输出功率和频率关系的曲线称为发电机组的功率频率静态特性，它可以近似 地用直线来表示，如图2 2 所示。分析可知，随着负荷的增加，调速器使发电机组输出 的功率增加，运行频率将低于初始值。反之，当负荷减少时，发电机组输出的功率将减 少，频率将高于初始值。 为了描述发电机组的频率调节特性，可以定义发电机的调差系数为【l o 】： r = 一鲈圪= ( 一无) ( 只科一) ( 2 2 ) 式中，尺是发电机组的调差系数，负号表示发电机输出功率的变化和频率的变化方 向相反。 调差系数的导数称为发电机组的单位调节功率( 或称发电机组的功频静特性系数) ， 发电机的单位调节功率表示当频率下降或者上升时机组增发功率或减发功率的值。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 b 石 知 o p啉pg 图2 2 发电机组的功率一频率调节特性 f i g 2 2p o w e r - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co fp o w e rg e n e r a t i o nu n i t ( 3 ) 电力系统的频率特性及其控制 电力系统频率波动的直接原因是发电机输入功率和输出功率之间的不平衡i l 。电力 系统的功率平衡是一个供需功率实时平衡的动态过程。当电力系统负荷变动时，电力系 统频率会发生变换，同步发电机的调速器会自动控制和调整汽轮机的进气量或水轮机的 进水量，从而控制和调整发电机的输出功率，使电力系统频率趋于稳定。另一方面，根 据电力系统负荷频率特性的特点，负荷本身在电力系统频率变动下，也会相应改变其吸 收的功率。所以说，电力系统的频率调节和控制是与发电机组频率特性和负荷的频率特 性密切相关的。 当电力系统发生频率波动时，同步发电机的调速器控制作用和负荷的频率调节效应 是同时进行的。由于发电机调速器是按照偏差负反馈原理构成的，所以具有正调差，具 有下斜的特性。也就是说，当电力系统频率下降时，同步发电机的输出功率增加，发电 机调差系数越小，发电机组所分担的变动功率凹越大，反之则越小。另外，负荷的频 率特性系数具有正的调节效果。也就是说，当电力系统频率下降时，负荷所吸收的功率 也相应减小。这一特点有助于在电力系统频率变动时功率重新取得平衡。 喇叭曲线评价机组a g c 调节性能 石 五 0 尸2 图2 3电力系统频率控制原理 f i g 2 3 p o w e rs y s t e mf r e q u e n c yr e g u l a t i o n p 电力系统中有许多台发电机组和不同种类的负荷，为了分析的方便，将所有发电机 组和负荷，分别归并为一个等效的发电机组和等效负荷。如图2 3 所示。图中尸g l 为等 效发电机组的频率调节特性曲线，尸d 1 为等效负荷频率调节特性曲线。两条曲线的交点 a 即为其初始工作点，表示电力系统在该点工作的有功功率( 发电机组输出的功率和负 荷取用的功率相等) 为尸l 、频率为，i 。当系统负荷增加p d 时，电力系统负荷的频率特 性变为尸d 2 。假设发电机没有调速器，发电机组的输出功率为恒定值尸1 ，则电力系统频 率将逐渐下降，负荷所取用的有功功率也将逐渐减小，依靠负荷的调节效应使运行点稳 定在d 点。这是负荷取用的有功功率仍然为尸l ，系统频率下降到万，频率偏差历 ) 决定于肿d 的大小。但是由于发电机组装有调速器，频率调节特性为尸g l ，所以新的稳 定点将是p d 2 和尸g l 的交点b ，此时电力系统频率为五，频率偏差为a f = a - a 。这一调 整控制过程是由各发电机组的调速器共同控制来完成的，称作频率的一次调整。 由于发电机组的频率调节具有调差率，所以最终控制和调整的结果只能缩小频率的 偏差，而无法使电力系统频率恢复到原有的数值状态。如果系统负荷变动较大，采取频 率一次调整后，系统频率的偏差仍然不能限制在允许的范围内，那么就必须启动自动发 电控n ( a g c ) ，将图2 3 中尸g l 曲线平行上移到p c 2 的位置与负荷曲线岛2 相交于c 点， 大连理工大学硕士学位论文 这是系统频率就可以恢复到或高于i 的数值，而电力系统总的电源功率或负荷功率也 将因系统频率回升而略有增加。这一控制过程称为频率的二次调整控制。 2 1 2 互联电力系统a g c 的一般控制过程 当电力系统由多个控制区互联组成时，系统的频率是一致的。因此，当某一控制区 的发电与负荷产生不平衡时，其他控制区通过联络线上功率的变化量对其进行支援，从 而使得整个系统的频率保持一致。 图2 4 联合电力系统 f i g 2 4i n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m 负荷 图2 4 表示某一联合电力系统，由3 个区域及3 条联络线组成【1 2 1 。各区域内部有较 强的联系，各区域间有较弱的联系。正常情况下，各区域应负责调整自己区域内的功率 平衡。如在区域b 中接入一个新的负荷时，整个联合电力系统的频率下降，系统中所有 机组调速器瞬间动作，一次调频功能开始，发电机组的功率因调速器的调整动作而增大， 负荷的功率因它本身的调节效应而减少，这时整个电力系统发电与负荷达到新的平衡。 但是一次调节留下了频率偏差和净交换功率偏差，a g c 因此而动作。提高区域b 的 发电功率，恢复频率到达正常值和交换功率到计划值。二次调频中，因操作调频器，发 电机组增发了功率，补偿了区域的功率缺额，使频率偏差和联络线功率偏差控制在规定 范围之内。当二次调节由电网调度中心的能量管理系统来实现遥控自动控制时，则称为 自动发电控带u ( a g c ) 。 所有的发电机组都有调速器，即对频率具备一次调整控制，但并不是所有的机组具 备二次调整控制，我们将具备二次调整控制即自动发电控制的机组，称为a g c 机组。 喇叭曲线评价机组a g c 调：1 了 生能 2 1 3 自动发电控制系统结构与功能 互联电力系统可以划分成若干控制区，控制区之间通过联络线互联，各个控制区具 有各自的自动发电控制系统。 在控制区内，发电机组分为a g c 机组和非a g c 机组两类。非a g c 机组接受电网 调度中心的发电计划，由当地控制系统或人工调整机组的发电功率；a g c 机组这接受 电网调度中心实时更新的a g c 信号，自动调整机组的发电功率。 自动发电控制通过一个闭环控制系统实现。控制区电网调度中心的a g c 软件从数 据采集和监视控甓j w ( s c a d a ) 系统获得电网的实时测量数据，并进行必要的数据处理。然 后，根据实时量测数据、机组的基点功率、a g c 分配因子和机组的分类，在考虑机组 各项约束的同时计算出各电厂或各发电机组的a g c 调节功率值。最后，通过s c a d a 将控制命令送到各个电厂的电厂控制器p l c ( p o w e rp l a n tc o n t r o l l e r ) 。由电厂控制器调节 机组的有功功率，使之跟踪a g c 的控制命令【l3 1 。 自动发电控制的总体结构示意图如图2 5 所示。这里主要有3 个控制环【1 4 】：机组控 制环、区域调节控制环和计划跟踪环。机组控制是由基本控制回路去调节机组控制误差 到零，在许多情况下( 特别是水电厂) 一台电厂控制器( p l c ) 能同时控制多台机组，a g c 的信号送到电厂控制器后，再分到各台机组；区域调节控制的目的是使区域控制误差 ( a r e ac o n t r o le r r o r - a c e ) 调到零，这是a g c 的核心。功能是在可调机组之间分配区域 控制误差( a c e ) ，将这一可调分量加到机组跟踪计划的基点功率之上，得到设置发电值 发往电厂控制器；区域计划跟踪控制的目的是按计划提供发电基点功率，如图2 5 所示， 它与负荷预测、机组经济组合、水电计划及交换功率计划有关，担负主要调峰任务。如 没有上述计划软件，全部发电计划应由人工填写，这是调度员难以承受的任务。 大连理工大学硕士学位论文 图2 5a g c 总体结构 f i g 2 5 a g co v e r a l ls t r u c t u r e 2 1 4a g c 软件的两个主要功能 电力系统的经济运行，即在满足安全和质量的前提下使供电成本最低，是电力系统 追求的又一运行目标。有功功率的在线经济调度必须依靠自动控制的手段，而自动发电 控帛i j ( a g c ) 就为在线经济调度的实现提供了良好的条件。 在现代的能量管理系统中，自动发电控制( a g c ) 软件包中一般都包含两部分主要功 能【1 5 】：负荷频率控制( l o a df r e q u e n c yc o n t r o l - l f c ) 和经济调度控制( e c o n o m i c d i s p a t c h i n gc o n t r o l e d c ) 。 l f c 最基本的任务是通过控制发电机组的有功功率，使系统频率保持在额定值，或 按计划值来维持区域间的联络线交换功率。l f c 对发电机组的控制量一般由经济调节分 量和区域控制偏差( a c e ) 调节分量两种分量组成，其中a c e 调节分量根据频率偏差和联 络线功率偏差计算得到；而经济调节分量则是由e d c 给出的。 e d c 的任务是根据给定的负荷水平，安排最经济的发电调度。它最终的计算结果是 一组发电机组的经济基点值( 即机组通常的基本出力) 和一组经济分配系数，并将其传送 给l f c ，作控制机组出力用。 喇叭曲线评价机组a g c 调节性能 2 1 5a g c 对机组功率的分配 传统a g c 算法对机组功率分配分两个部分【3 】： ( 1 ) 将区域控制偏差a c e 分配到各a g c 机组； ( 2 ) 按经济调度原则分配计划负荷和计划外负荷，送出机组经济基点功率。 其中，( 1 ) 是通过负荷频率控制( l f c ) 实现的。l f c 通过a c e 计算，得到机组的期望 发电调整量凹t ，并经济分配给各参调机组。 而( 2 ) 是通过经济调度( e d c ) 实现的。由于系统负荷每时每刻都在变化，要时时使机 组按经济调度原则承担发电负荷是不现实的，而且也没有必要。所以，负荷的经济分配 由经济调度模块周期执行，一般是间隔数分钟( 如5 分钟) 计算一次考虑网损的机组微增 率，再由微增率曲线求得经济功率，然后与实际发电功率相比较，若其误差较小，则按 原来的微增率进行功率分配，否则修改微增率，使其符合要求，然后按新的微增率进行 功率分配，即把在新的微增率下各机组应发的功率计算出来，再通过远动通道将负荷指 令发送到各机组。 机组经济基点功率值作为发电基值加上期望发电调整量凹即是各a g c 机组的目 标值，同时发电基值还可由计划值输入或人工置入。 2 2 区域控制偏差和a g c 控制方式 2 2 1 区域控制偏差 在互联电网中，各区域的调度中心要维持电力系统频率，维持区域间净交换功率为 计划值，并希望区域运行最经济。电网a g c 的控制目标是通过自动调节系统有功出力， 把电网频率和本控制区域净交换功率控制在允许范围内，即把由负荷变化或机组出力波 动而产生的区域控制偏差a c e 限定在一定范围内【川。a g c 程序的控制目标是使由于负 荷变动所产生的区域控制偏差a c e 不断减少直至为零。区域控制偏差是根据电网当前 的负荷、发电、频差等因素形成的偏差值，反映了区域的发电与负荷的平衡情况，由联 络线交换功率与计划的偏差和系统频率与目标频率偏差两部分组成，有时也包括时差和 无意交换电量【1 7 】。在a g c 控制方式下要检测系统的频率偏差和联络线交换功率偏差， 判断出负荷变化发生的区域即由该区域内的调频机组做出相应的响应，平衡负荷的变 动。这些工作都需要首先计算出作为控制信号的各控制区域a c e 的值。 a c e 计算的输入量有本区域的母线频率、联络线的交换功率以及各调节机组的出 力。通过将联络线的功率偏差量与频率偏差量乘以偏差系数后的值相加得到该区域的功 率控制信号a c e 。a g c 控制中一般都将频率偏差系数固定，视为线性的非时变的系数。 大连理工大学硕士学位论文 区域i 的区域控制偏差a c e 为： 彳c 巨= 屈a f + 哦 ( 2 3 ) 式中： 屈区域f 的频率偏差系数； 鲈= 崩频率偏差； a p t i _ p t i 一正区域f 的交换功率偏差； 所i 区域f 的净交换功率； 五区域i 的计划交换功率。 ( 2 3 ) 式只是基本控制误差，若考虑时差校正和交换电量校正可以增加新项： a c e j = 层( 4 厂一舐) + 岛一4 ( 2 4 ) 式中： ：分一时差； 出区域f 净交换电量差。 2 2 2a g c 控制方式 以( 2 3 ) 式区域控制误差( a c e ) 为目标的自动发电控制( a g c ) ，分为三种控制方式f 1 8 】： ( 1 ) 联络线功率和频率偏差控$ 1 j ( t i el i n eb i a s 疔e q u e n c yc o n t r o l t b c ) 该方式的控制目标是区域控制偏差a c e = 0 。 有功功率平衡按照a c e 的变化来调节机组，既要控制频率，又要控制交换功率 世飞。 ( 2 ) 定频率控$ j ( f l a t 仃e q u c n e yc o n t r o l f f c ) 该方式的控制目标是频率偏差a f = 0 。 有功功率平衡按照频率偏差进行调节，在矽= 0 时停止调节，对联络线上的交 换功率p t 则不加控制。 ( 3 ) 定联络线功率控$ 1 j ( f l a tt i el i n ec o n t r o l f t c ) 该方式的控制目标是联络线功率偏差a p t = 0 。 有功功率平衡按照频率偏差刖叶进行调节，在p t - - 0 时停止调节，对系统的频率 厂则不加控制。 其中方式( 1 ) 完整使用( 2 3 ) 式，方式( 2 ) 则忽略掉( 2 3 ) 式中的a p t i ，方式( 3 ) 忽略掉( 2 3 ) 式中的届酶 喇叭曲线评价机组a g c 调节性能 显然，对于孤立电力系统而言自动发电控制( a g c ) 采用的是恒定频率控制，即自动 频率调整( a f c ) ；与大系统联合运行的小系统，可以采用恒定净交换功率控制；大系统 的自动发电控制( a g c ) 只能采用联络线和频率偏差控制。 2 3a g c 机组对控制指令的响应 2 3 1 a g c 机组响应指令的一般过程 火电燃煤发电机组目前在电网中的构成比例相当高，这些火电机组也是a g c 的主 力机组。 火电厂单元机组自动控制主要是对锅炉、汽轮机、发电机及辅助设备运行的自动控 制，控制的目的是使机组自动适应工况的变化而保持在安全、经济的条件下运行。单元 机组的生产过程，是将燃料在炉膛中燃烧放出的热量传给循环介质而产生具有一定压力 和温度的蒸汽，供给汽轮机做功并带动发电机产生电能的火力发电生产过程【l 9 1 。 火电厂多采用直接控制到机组的单机控制模式。电厂自动发电控制是机组的协调控 制系统( c o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e m - c c s ) 的一部分。协调控制系统通过锅炉主控和汽轮 机主控，将锅炉和汽机作为一个整体进行自动控制，以响应主站的功率变化要求，并保 持气温和气压的相对稳定【2 0 】。当功率产生偏差时，信号通过汽轮机调节器将调节汽门打 开或关闭，来调节机组的实际功率，同时该信号作用到锅炉调节器，通过增减燃料量来 增加或减少蒸汽量，直到功率与气压保持在给定值，机组达到新的稳定状态。 大连理工大学硕士学位论文 p 户2 尸l 0 t i 乃 图2 6a g c 机组命令响应曲线 f i g 。2 。6 。t y p i c a lp o w e ro u t p u tc u r v eo f a na g cu n i tu n d e rs e tp o i n tc o m m a n d 将网内一台火电a g c 机组一次典型的a g c 指令响应过程曲线简化绘制成图2 6 所 示【5 1 。 图中，o 时刻a g c 下发上升控制命令，控制目标为尸2 ，此时机组实际出力为p l 。 经过延迟过程( 0 乃) 后，乃时刻开始响应，在死时刻到达目标出力的允许偏差区域下限， 结束上升过程( 丁i 乃) 。在没有新的命令发出之前，机组的出力在允许偏差区域作微小的 波动，此过程为稳定运行过程( 乃乃) 。直到乃时刻a g c 发出新的下降控制命令，机组 又开始新的下降过程。 2 3 2a g c 周期 与a g c 有关的控制周期包括1 2 l 】：a g c 的执行周期、a g c 控制周期、机组控制命 令周期。 ( 1 ) a g c 的执行周期 a g c 的执行周期一般为1 8 秒，由调度员设定。每个执行周期内，a g c 更新实时 数据、计算a c e 、执行性能监视等。一般来说，对系统频率的监视以1 秒为周期，因此 a g c 的执行周期最小可设为1 秒。 是否下发控制命令由a g c 控制周期和机组控制命令周期共同决定。 ( 2 ) a g c 的控制周期 喇叭曲线评价机组a g c 调节性能 a g c 控制周期也由调度员设定，应为执行周期的整数倍，一般为4 1 6 秒。在每个 a g c 控制周期，除完成执行周期的各个任务外，还要计算a g c 控制下的各机组的基点 功率，并根据系统当前a c e 大小给机组分配调节量，即机组应承担的调节功率，从而 得到机组的目标出力，但是否下发控制命令还取决于机组控制命令周期。 ( 3 ) 机组控制命令周期 机组的控制命令周期是可变的，它由a g c 控制周期和机组的实发控制命令共同决 定。在每个a g c 控制命令周期都计算机组的目标出力。如果机组已响应上次的控制命 令，则将本次的控制命令立即下发，但对应的调节增量受给定的每次最大调节量的限制。 如果机组未响应上次的控制命令，本次控制命令暂不下发。 执行周期 h ili：- 图2 7a g c 周期 f i g 2 7 a g cp e r i o d 机组是否已响应并完成上次的控制命令有两个判据1 2 2 j ： 根据上次的控制命令所对应的调节增量和给定的机组响应速率计算需要多少时 间去响应该控制命令，该时间已过： 虽然该时间未到，但机组实际出力已达到控制目标。 而只有上一个指令完成，才有可能接收并执行下一个指令。 每个二次控制的有效指令周期，开始于上一个指令的完结，同时新的指令有效，在 二次控制延迟后，以一定速率调节机组出力，直至上述两个判据判定该指令完成，此控 制指令周期结束。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 3 火电燃煤发电机组的响应特性分析 煤燃烧发电是将燃煤的化学能转化成电能的过程。煤首先通过制粉系统磨成煤粉， 然后配以适量的风输入锅炉燃烧，使机组的循环介质( 水) 受热成为高温高压蒸汽，完成 燃煤的化学能到蒸汽热量的转换，通过汽轮机把蒸汽的热量转换成机械能，再由发电机 把汽轮机的机械能转换成电能。 ( 1 ) 燃煤发电机组a g c 调节能力分析睇驯 在燃煤发电过程中，不同锅炉、不同制粉系统的响应特性以及汽轮机调速系统与机 组的功率调节性能密切相关。汽轮发电机和锅炉是两个动态特性差异很大的控制对象 1 2 4 】。汽轮发电机组由热动能转换成机械能再转换成电能的全过程，过程惯性小，延迟小， 调节响应快。而锅炉能量的产生则是一个由燃料的化学变化到能量的物理转换过程。热 量的积累、释放过程惯性大，燃料调节迟延大。因此，机组负荷变动时锅炉能量调节往 往滞后汽机能量的变化。 燃煤机组的负荷变化性能主要取决于负荷对汽机调门和锅炉燃烧率的响应特性，它 是汽轮机和锅炉能量平衡的标志。主蒸汽压力不变表示汽轮机与锅炉能量平衡，主蒸汽 压力下降表示汽轮机( 发电) 的能量需求大于锅炉的发热量，主蒸汽压力上升表示汽轮机 发电的能量需求小于锅炉的发热量。 汽轮发电机组运行状况不变的条件下，改变锅炉负荷指令后，由于汽轮发电机组将 蒸汽热量转化为电功率是一个非常快的过程，因此，机组功率对锅炉指令的响应特性主 要取决于制粉系统以及锅炉的类型。 燃煤机组的制粉系统按输送方式可分为直吹式和中间储仓式两种【25 | 。这两种制粉系 统的响应特性差异较大，对机组的功率调节性能有很大的影响。对于直吹式制粉系统， 锅炉的给煤量由给煤机控制，从原煤送入给煤机到磨煤机磨出煤粉并送入炉膛有一个较 长时间的制粉过程，所以给煤量变化到煤粉量变化有一个纯延迟时间和一定的惯性。直 吹式制粉系统目前大部分采用中速磨煤机。大型锅炉的直吹式制粉系统，通常都装有若 干台磨煤机，也就是具有若干个独立的制粉系统。当锅炉负荷有较大变动时，需启动或 停止一套制粉系统。而磨煤机的启动和正常停止需要有一个较长的过程，所以这种机组 的负荷调节存在着断点，而且磨煤机起停过程中由于煤粉量的波动，机组的负荷也会有 一定的波动。由于整个制粉过程的延迟时间较长，配直吹式制粉系统锅炉的负荷响应速 度较慢，严重影响机组的功率