（电气工程专业论文）火电机组一次调频特性的分析及仿真研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：大型发电机组的一次调频特性对电力系统频率控制和稳定，防止因突发的 负荷变动及发电机跳闸等功率突变造成的频率波动至关重要。近几年来，随着计 算机技术的发展，汽轮机控制系统由原来的液压调节逐步转换为数字电液控制即 d e h 控制系统，另外，机炉协调控制( c c s ) 也已经在发电机组上逐步完善并应 用。目前常规暂态稳定性研究的仿真模型主要考虑d e h 系统，而没有考虑协调控 制系统中的一次调频特性。火力发电机组作为电网基本组成部分，需要进一步加 强一次调频功能的调节质量和控制安全。 本文首先分析了单元机组负荷控制系统的原理及各种控制方式，并以机组一 次调频控制方案为基础，建立火力发电机组具有一次调频能力的原动机及调速器 模型。为了解决目前锅炉存在的对负荷响应的滞后性问题，综合锅炉的三种负荷 前馈方式，用仿真的方法比较这三种方式的优劣性。 其次，利用仿真模型，针对火力发电机组一次调频中不同参数及模型的各种 组态进行分析和对比，研究对于具备d e h 和协调控制系统的机组如何实现一次调 频功能，才能既满足电网对发电机组一次调频的快速性要求，又保证机组本身的 运行安全，充分发挥机组一次调频能力。 然后利用m a t l a b 软件中的图形用户界面程序，建立起一个研究火力发电机 组一次调频特性的平台，为研究大型火电机组在其调速系统作用下的一次调频响应 能力和特性、系统设计、实测建模，机炉协调系统运行方式选择、参数整定等方面提 供了方便的定量研究工具。 最后，利用电力系统仿真软件，分析了多机系统中单一机组在受到发电缺额扰动 后，机组表现出来的一次调频特性及其影响因素。 关键词：电力系统一次调频；火电机组一次调频特性；数字式电液调速系统d e h ： 机炉协调控制系统c c s ；电力系统仿真。 分类号：t m 6 2 1 6 一一 塑璺型g ! 一 _ _ _ - _ _ 一一 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ep r i m a r yf r e q u e n c yc o n t r o lc a p a b i l i t yo ft h e r m a lp o w e rp l a n t l sv i t a l t op o w e rs y s t e mf r e q u e n c yc o n t r o la n da v o i d i n gc a s c a d i n gt r i p p i n gc a u s e db ys u d d e n c h a i l g eo f1 0 a da n dg e n e r a t o ro u t a g e s a tp r e s e n t ，a st h eb a s i cu n i to fp o w e r n e t ，t h e g e n e r a t i n gs e tn e e d sf u r t h e ri m p r o v e dm o d u l a t i o nq u a l i t ya n dc o n t r o l l i n g s a f e t yo ft h e p r i m a l yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n a st h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h e s t e 锄t 1 1r ：b i n ec o n t r o l l i n gs y s t e mh a sc h a n g e df r o mh y d r a u l i cp r e s s u r ea d j u s tt od i g i t a l e l e c t r i c a l h y d r a u l i cc o n t r o l l i n g s y s t e m ( d e hs y s t e m ) f u r t h e r m o r e ，t h e u n i t c o o r d i n a t i n gc o n t r o l l i n gh a sb e e nc o n s u m m a t e da n da p p l i e do nt h eg e n e r a t i n gs e t s ， w h i c hm a k e st h eu n i tp r i m a r yf r e q u e n c ym o d u l a t i o nu n d e rt h eo r i g i n a l e l e c t r i c a l h y d r a u l i cc o n t r o l l i n gm o d e u n a b l et om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h en e w s i t u a t i o n f i r s t l y ，t h i sa r t i c l es t u d i e st h et h e o r yo ft h el o a dc o n t r o ls y s t e mi np o w e r p l a n t a n di t sv a r i o u sc o n t r o lm o d e s ，a n db a s e so nt h em e t h o d so ft h ep r i m a r yf r e q u e n c y c o n t r o li nu n i t ，e s t a b l i s h i n gt h em o d e l so ft h eg o v e r n o ra n dp r i m em o v e ri nt h e r m a l p o w e rp l a n tf o rp r i m a r yf r e q u e n c yc o n t r o l ，t os o l v e t h ep r o b l e mo ft h ed e l a yi nb o i l e r , i t w i l li n t e g r a t et h r e em e t h o d so ft h ef e e d f o r w a r df o rb o i l e rt oc o m p a r et h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e sa m o n gt h e s em e t h o d si ns i m u l a t i o n s e c o n d l y , w i t ht h es i m u l m i o nm o d e l ，t h i sa r t i c l ew i l la n a l y s i sa n dc o m p a r et h e d i 琢嬲l c 嚣w i t hd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n sa n dd i f f e r e n tp a r a m e t e r s a n df o c u so nh o w t o f u l f i l lt h ep r i m a r yf r e q u e n c ym o d u l a t i o nf u n c t i o n w i t ht h eu n i to fd e ha n d c o o r d i n a t i n gc o n t r o l l i n g , h o wt om e e tt h ep o w e rn e t sr e q u i r e m e n tf o rr a p i dp r i m a r y f r e q u e n c ym o d u l a t i o no ft h eg e n e r a t i n gs e t s ，a sw e l la sk e e p t h eg e n e r a t i n gs e t so p e r a t e s a f e l y , b r i n gt h ep r i m a r yf r e q u e n c y m o d u l a t i o nf u n c t i o ni n t of u l lp l a y a n dm 饥t h i sa r t i c l ew i l lu s et h eg u ip r o g r a mt og e n e r a t eap l a t f o r mt os t u d y t h e c h a r a c t e r i s t i c so fp r i m a r yf r e q u e n c yc o n t r o li nt h e r m a lp o w e rp l a n t i tp r o v i d e s a n e f f i c i e n tw a yt os t u d yt h eo p e r a t i o nm o d ea n dd a t as e t t i n g a tl a s t b yu s i n gt h es i m u l a t i o ns o i ：b , v a r e , t h i sa r t i c l ea n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c so f p r i m a r yf r e q u e n c yc o n t r o lw h e nt h eg e n e r a t o r i si nai n t e r c o n n e c t e dp o w e rg r i d k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e mp r i m a r yf r e q u e n c yc o n t r o l ；c h a r a c t e r i s t i c s o ft h e r m a l p o w e rp l a n tp r i m a r yf r e q u e n c yc o n t r o l ；d i g i t a le l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ( d e h ) ； c o o r d i n a t i v ec o n t r o ls y s t e m ( c c s ) ；p o w e rs y s t e ms i m u l a t i o n 。 c i a s s n o ：t m 6 2 1 6 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特i i i i i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：刁，静 签- 71 11 1 ：1 川年了月 7 日 6 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 刁鹃谤 一、一一杪 签字日期：2 0 0 1 年6 月3 0 日 导师虢夯为( k 签字日期：勿巧年7 月1 日 致谢 本论文的工作是在我的导师宋守信教授的悉心指导下完成的，宋教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来宋老 师对我的关心和指导。 中国电力科学研究院刘肇旭高级工程师和宋新立工程师悉心指导我们完成了 实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向刘 肇旭老师和宋新立老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，中国电力科学研究院孙华东老师、赵强老师 对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人的充分理解和支持，他们的理解和支持使我能够在学校专心 完成我的学业。 绪论 1 1 课题的研究背景 1 绪论 电力系统中许多用电设备的运行状况都同频率有密切关系。工业中普遍应用 的异步电动机，其转速和输出功率均与频率有关：当频率变化时，电动机的转速 和输出功率都会随之变化，因而严重地影响到产品的质量。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，如果系统频率不稳定，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 电系统中的许多机械如给水泵、循环水泵、风机等在频率降低时都要减小出力， 从而导致系统频率的进一步下降。频率降低时，异步电动机和变压器的励磁电流 增大，无功功率损耗增加，这些都会对电力系统无功平衡和电压调整增加困难【1 1 。 电能作为现代最通用的一种能源，由于它特殊的生产、输送和使用方式，决 定了它具有不同于其他能源的特点，即使用时间上的随机性和产、供、销的同时 性。电力负荷随季节的变化、工农业生产的不同需求和社会生活的变动，在不断 变化着，这就造成用电需求上的随机性。由于现代科学技术暂时还不能解决大容 量电能的经济存储问题，发、供电设备的出力必须时刻与变动着的用电负荷保持 动态的平衡。另外，随着电网中大容量机组数量的增加，电力市场经济的进一步 深入，电网的供电质量要求也越来越高，要求进一步提高电网频率和电网联络线 控制水平。同时随着国家提出大电网建设的要求，各电网之间要求实现互联，对 各地方电网的频率和联络线控制都提出了更高的要求，各子网必须具有较强的控 制能力。这要求发电机组首先保证自己的安全，同时在主网出现异常情况时具有 一定的辅助处理事故的能力。一次调频功能正是机组在电网出现异常情况下充分 利用汽机和锅炉蓄热以及机组的旋转备用容量快速响应频率变化，以弥补电网发 电与负荷差距，稳定电网频率。 发电机组一次调频功能是汽轮发电机组固有的功能，当机组是液调工作方式 时，由机务工程师根据机组性能设定其动作参数( 主要包括不等率、转速调整范 围等) ，汽轮机在机组并网前就开始起作用，它除了在机组并网后自动根据电网频 率调整本机组负荷，协调电网频率的调整；而且还对机组在异常情况下即使不能 停机时也具有一定的汽机调门控制能力。 但随着计算机技术的应用，汽轮机由原来的机械液力调节方式改为电调方式， 北京交通大学硕士学位论文 一次调频功能也由数字电液调速系统( d e h ) 实现，虽然为机炉协调、自动发电 控制( a g c ) 等功能的投入运行奠定了良好的基础，但对一次调频功能运行效果 不是很好，原因主要有以下几个方面： ( 1 ) 一些发电机组一次调频不符合电网的实际需要，不能充分发挥机组的一 次调频能力。如在一次调频中设置速率限制、机组一次调频负荷补偿量太小、死 区太大等阳j 。 ( 2 ) 在机炉的协调方案设计中，没有考虑一次调频特性等造成机组负荷急剧 变化对锅炉燃烧的影响因素，容易造成机组灭火停机。 ( 3 ) 一次调频功能响应太慢，不能满足电网的快速要求。 ( 4 ) 一次调频功能可以由运行人员手动投切，由于各机组过分注意本机组安 全，所以在一般情况下，大部分机组不投入该功能，造成电网频率频繁超限【4 】。 文献 5 】一 8 】列举出了几次国内由于电网频率下降而发生的停电事故，这些事 故的发生在很大程度上说明由于对机组一次调频特性不够了解，没有清楚认识到 火电机组协调控制系统各种参数及结构的改变对电厂参与一次调频功能的影响， 致使参与电网一次调频的各发电机组没有充分发挥其功能，严重影响了电网运行 的安全稳定性。 1 2 国内外应用现状 发电机组一次调频作为机组控制的一项重要功能，为电网的稳定与安全起着 重要的作用，为保证电网供电质量奠定良好的基础。 对于原有的机械液力调节系统机组而言，一次调频是通过汽轮机固有的功能， 在机组调整时由技术人员根据机组性能和系统要求进行相应的设置，只要机组并 网运行就起到一定的调节作用，无法由运行人员投切。随着计算机技术的发展和 分散控制系统( d c s ) 在电厂中的广泛应用，汽轮机控制开始转换到电调方式， 一次调频功能也由d e h 和d c s 实现；同时，随着机组控制自动化水平的提高， 大部分机组投入了协调控制，这样就要求研究在机炉协调控制和d e h 控制运行方 式下的一次调频控制方案。 目前国内许多省份或地区也正在进行这方面的研究，而且也取得了一定的成 绩，主要集中在控制方式、不等率、频率死区、功率补偿量等几个问题。现在从 控制方案上基本满足了一次调频的快速要求，频率死区在2 节删，机组负荷补偿 量在3 6 m c r 9 - 1 4 】。 国际方面，尤其是发达国家，电力技术研究起步较早，研究也比较深入， 次调频功能也比较完善，而且要求较高，但与现在国内的些技术要求不一致， 2 绪论 如日本对机组一次调频要求是全程的，不存在负荷补偿量和上、下限的问题，而 且没有频率调整死区，这些差异主要是由他们的机组控制水平决定的。他们的机 组基本都能实现全程自动控制，自动化水平较高，但我们目前情况看机组能实现 机炉协调控制或a g c 功能已经非常好，但一些机组程序控制、全程自动调节、设 备质量等很难达到相应的要求。 1 3 课题的研究意义 首先，从整个电网的发展现状来看，电力系统规模日趋庞大，机组容量不断 增加，电压等级进一步提高，我国电力系统已经进入了特高压、大容量的大电网 互联时代。随着国民经济的迅猛增长，用户对电力系统稳定性和安全性也提出了 更高的要求，因而如何提高电力系统的安全性和稳定性成为了现阶段研究的重点 问题。近年来，由于电压不稳、频率波动和故障扰动等因素而导致电网瓦解的事 故在国内外的一些大电网中多次发生，造成长时间大面积的停电和巨大的经济损 失。为了进一步保证系统的安全性、减小故障的破坏范围、尽可能的避免不必要 的故障停机，要求大型发电机组能在异常工作情况下利用自动装置自动进行调整， 所以大型火电机组越来越多的采用协调控制系统( c c s ) 来设计一次调频方案。在 c c s 中，协调有三层含义，第一层意义是机组与电网的协调：在参加电网负荷调 节时，尽机组的能力满足电网的瞬时负荷需求。第二层意义是机、炉之间的协调， 充分发挥它们各自的特点：汽轮机的特点是响应迅速、动态特性好；锅炉的特点 是由于能量的蓄放，因而有一定的惯性，其优点是有一定的能量贮备，因而可以 用部分贮备来提高其响应速度。这样既可以利用锅炉的能量贮备，又兼顾到了汽 轮机的快速作用。协调的第三层含义是指锅炉中的水、煤、风、烟子系统之问的 平衡配合【i 川。 大型火电机组的协调控制系统是组成发电机组自动装置的核心部分，其意义 可归结为以下几点： ( 1 ) 实现单元机组的协调控制，可以显著提高电力企业的经济效益，明显降 低生产过程的能源损耗，减小设备故障率，同时也为整个电网的综合自动化提供 了坚实的基础； ( 2 ) 协调控制系统可使机、炉协调动作，提高设备的灵活性，较快地适应外 界对电负荷和热负荷的需求，降低能量消耗； ( 3 ) 协调控制系统具有完善的逻辑保护功能，可提高机组的安全可靠性，避 免误操作的发生，提高设备的利用率，延长机组的寿命，减轻工人的劳动强度， 提高电厂的自动化水平； 3 北京交通大学硕士学位论文 ( 4 ) 由于采用协调控制系统提高了燃料的燃烧率，从而从总体上减少了有害 气体( 如c o 、s 0 2 和氮的氧化物等) 的排放量，减少了对环境的影响。 本文主要针对协调的第一、二层含义来展开研究，研究机组在参与一次调频 时，机、炉协调作用下的响应特性，以及协调控制系统c c s 的不同组态及参数对 机组参与电力系统一次调频特性和能力的影响。 1 4 本文研究的主要内容 ( 1 ) 分析火力发电机组中一次调频各种协调系统的调节方式，比较各种方式 的优劣性，然后对锅炉跟随下的机炉协调控制方式进行建模仿真； ( 2 ) 针对已建好的模型进行仿真实验，比较模型中不同参数及模型的各种组 态对系统一次调频能力的影响； ( 3 ) 设计一个研究火电机组次调频能力和特性的平台，为火力发电机组一 次调频功能的定量研究和优化提供有利工具。 ( 4 ) 对多机电力系统中单元机组一次调频进行仿真研究，测试任意一台选定 机组调速系统的动作行为特性，研究多机电力系统中的机组调速系统一次调频的 测试方法。 4 电力系统一次调频 电力系统一次调频 2 1 电力系统负荷变化和频率波动 2 1 1 电力系统频率波动原因 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， 众所周知，单一电源的系统频率是同步发电机转速的函数 厂= 疗p 6 0 ( 2 1 ) 式中，一电力系统频率，h z ； 刀一电机的转速，r m i n ： p 一电机的极对数； 6 0 一分钟转换秒的转换系统。 雾 对于一般的火力发电机组，发电机的极对数为1 ，额定转速为3 0 0 0 r m i n ，亦 即额定频率为5 0 h z 。 此时系统频率又可以用同步发电机角速度的函数来表示 f = 叫2 万 ( 2 2 ) 为了研究系统频率变化的规律，需要研究同步发电机的运动规律。同步发电 机组的运动方程为 乙一z = a t = d 攻, d t ( 2 3 ) 式中，已输入机械力矩； z 一输出电磁力矩( 即负荷) ； ，一发电机组的转动惯量： d a , d t 一发电机组的角加速度。 由于功率与力矩之间存在转换关系p = e a t ，式( 2 3 ) 经规格化处理和拉氏变 换后，可得传递函数 只一= 2 h , 国( 2 - 4 ) 式中，一原动机功率； 一发电机电磁功率； 日。一发电机组的惯性常数； 缈一角速度变化量。 由此可知，当原动机功率和发电机电磁功率之问产生不平衡时，必然会引起 北京交通犬学硕士学位论文 发电机转速的变化，亦即引起系统频率的变化。 在众多发电机组并联运行的电力系统中，尽管原动机功率不是恒定不变的， 但它主要取决于本台发电机组的原动机和调速器的特性，因而是相对容易控制的 因素：而发电机电磁功率的变化则不仅与本台发电机的电磁特性有关，更取决 于电力系统的负荷特性，是难以控制的因素，而这正是引起电力系统频率波动的 主要原因。 2 1 2 电力系统负荷变化规律 上面已经提到，电力系统负荷变化是引起电力系统频率波动的主要原因，因 此研究电力系统负荷变化规律是进行电力系统调频的首要任务。 电力系统负荷变化规律可分为正常情况下的负荷变化规律和异常情况下的负 荷变化规律两种。 正常情况下的负荷变化从时间上看呈现出一定的周期性，如夏冬两季出现的 高峰负荷、重要节庆日出现的低谷负荷等均以年为周期。除连续生产的工业企业 外，绝大多数单位均以周安排生产或工作，因此工作日负荷水平较高，而双休日 负荷较低，可以周为周期。人们白天工作学习，晚间文化娱乐，深夜睡眠休息， 故用电负荷通常在早晨和晚间出现两个高峰，而深夜至凌晨则持续为低谷，电力 负荷以日为周期的变化规律尤为明显。 故障情况下的负荷变化规律随故障类型和发展过程而不同。电力系统负荷的 异常变化是指因故障引起的发电机组跳闸、失去与相邻电力系统的传输功率、失 去大量用电负荷等突发性的原动机功率和发电机电磁功率之间的不平衡事件，其 中最常见的事件是发电机组突然跳闸。在电力系统异常情况下，负荷变化的规律 如下： ( 1 ) 负荷变化的幅值大，在仅考虑单一故障情况下，最大的变化幅值为最大 的单个电源的容量。 ( 2 ) 负荷变化率大，整个变化过程在瞬间完成。 ( 3 ) 负荷变化是单方向，不会自行改变方向。 通过对电力系统各种负荷分量变化规律的分析，有助于采取不同的技术措施， 来消除原动机功率和发电机电磁功率之问的不平衡，达到调节系统频率的目的。 2 2 电力系统频率一次调频概念 6 电力系统一次调频 o 图2 1 电力系统一次调频原理图 f i g u r e2 - lt h es c h e m a t i cd i a g r a mo f p o w e rs y s t e mp r i m a r yf r e q u e n c yc o n t r o l 图2 1 所示为系统功率与频率之间的关系曲线，平衡运行点为a ，如果系统中 的负载增加必，则总负荷静态频率特性变为。，假设此时系统内的所有机组均= 。 无调速器，机组的输入功率恒定为弓，且等于e ，则系统频率将下降，负载所取 用的有功功率逐渐减小。依靠负载调节效应，系统达到新的平衡，运行点移到6 点， 频率稳定值下降到疋，系统负载所取用的有功功率仍然为原来的只值。在这种情 况下，频率偏差鲈决定于业值的大小，一般是相当大的。但是，实际上各发电 机都装有调速器，当系统负载增加，频率开始下降后，调速器即起作用，增加机 组的输入功率弓，经过一段时间后，在c 点稳定运行，频率为疋，这时系统负载 所取用的功率为e ，小于额定频率下所需要的功率。此时的频率偏差矽要比 无调速器时小得多，调速器的这种调节作用即被称为一次调频。若要使频率恢复 到额定值，则需要移动发电机的功频特性，使c 点移动到d 点，a f = 0 这种调节即 被称为二次调频。一次调频由调速器承担，针对负荷的突发性扰动，自动响应进 行控制；二次调频由自动发电控制重新进行负荷分配i l j 。 2 3 电力系统频率特性 7 北京交通入学硕士学位论文 23 1 电力系统负荷的频率特性 电网频率波动与负荷的频率特性有关。所谓负荷的频率特性，就是系统负荷 随系统频率变化的规律。电力系统各种负荷，有的与频率无关，有的与频率成正 比，有的与频率的二次方成正比，有的与频率的三次方成正比，有的与频率的更 高次方成正比。负荷频率特性一般可表示为 = 口o + q 匕( f f s v ) + 口2 ( 厶) 2 + 吃厶( f f ) 3 + + 巳u 版) ” ( 2 5 ) 式中，厶一额定频率： 一系统频率为厂时，整个系统的有功负荷； 置一系统频率为额定值厶时，整个系统的有功负荷： a o ，口i 一。口。一上述各种类型负荷占的比例系数。 式( 2 5 ) 称为电力系统的负荷频率特性方程。当系统负荷的组成及性质确定 后，负荷频率特性方程也就唯一的确定了，根据负荷频率特性方程作出负荷频率 特性曲线，当频率偏离额定值不大时，负荷的静态频率特性也可用一条直线来近 似表示。如图2 2 所示。 图2 - 2 负荷的频率特性 f i g u r e2 - 2t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fl o a d 图中直线的斜率 k l = ( 置一乞) 仉一以) = 叱鲈( 2 - 6 ) 称为负荷的频率调节效应系数。由图2 - 2 可知，在额定频率厶时，系统负荷为只， 当频率下降到五时，系统负荷由下降到只，如果频率升高，负荷将增大。也就 是说，当系统内机组的输入功率和负荷间失去平衡时，系统负荷也参与了调节作 电力系统一次调频 用。这一特性有利于系统中有功功率在另一频率值下的重新平衡，这种现象称为 负荷的频率调节效应。 2 3 2 发电机组的频率特性 电网频率的波动与发电机组的频率特性也有关。当系统频率变化时，并网运 行的发电机组转速将发生变化，汽轮机调节系统工作，改变汽轮机进汽量，调节 发电机的输出功率以适应负荷的需要。这时，汽轮机转速的变化方向与输出功率 的变化方向是相反的，汽轮机的静特性是一条下倾的曲线。单台发电机的发电频 率特性也就是汽轮机的静特性。 电网的有功电源是由并列运行的发电机组成的，并列运行机组的发电频率特 性，即系统频率变化而引起的并列运行机组输出功率变化的关系，可以看成是并 列运行各发电机发电频率特性的组合。当电网频率发生变化时，并列运行机组总 的输出功率的变化量等于并列运行各发电机输出功率的变化量之和，如图2 3 所- 示。如系统以额定频率 运行时( 对应图2 3 中a 点) ，其输出功率为最；当系 统负荷增加而使系统频率下降到五时，则并列运行机组由于调频( 调速) 作用使 功率增加到如( 对应图2 3 中b 点) 。可见，对应于频率下降鲈，发电机组的输 出功率总增加量为屹。由此可见，对应着增大了的负荷，发电机组输出功率增加， 频率低于初始值；反之，如果负荷减小，则调速器调整的结果使机组输出功率减 小，频率高于初始值，这种调整就是频率的一次调整，很显然，这是一种有差调 节，其特性称为有差调节特性。 图2 3 发电机频率特性 f i g u r e2 - 3t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fg e n e r a t o r 9 北京交通大学硕士学位论文 发电机组的静态调差系数定义为 艿= 一( 厶一以) ( e 玷一f ) = 一厂尼( 2 - 7 ) 调差系数也叫调差率，可定量表明某台机组负荷改变时，相应的转速( 频率) 偏移。调差系数的倒数就是机组的单位调节功率( 或称发电机组功频静特性系数) ， 即 k o = 1 万= 一己鲈( 2 - 8 )，u ， ， 、。， 疋的数值表示频率发生单位变化时，发电机组输出功率的变化量，式( 2 8 ) 中的负号表示频率下降时，发电机组的有功出力是增加的。 2 4 电力系统综合频率特性 要确定电力系统的负荷变化引起的频率波动，需要同时考虑负荷及发电机组 两者的调节效应，这里只简单考虑一台机组和一个负荷的情况。负荷和发电机组 的静态特性如图2 4 所示。在原始运行状态下，负荷的频率特性为只( 门，它同发 电机组的频率特性交点么确定了系统的频率为石，发电机组的功率( 也就是负荷 功率) 为眉。这就是说，在频率为石时达到了发电机组有功输出与系统的有功需 求之间的平衡。 o 图2 4 电力系统的频率特性 f i g u r e2 - 4t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so f p o w e rs y s t e m 假定系统的负荷增加了必。，其特性曲线变为砭( ) 。发电机组仍是原来的特 性，那么新的稳态运行点将由砭( 厂) 和发电机组的静态特性的交点曰决定，与此相 i o 电力系统一次调频 应的系统频率为正，频率的变化量为 鲈= 五一彳 0 ) ，此时负荷增加，有功功率加大而导致 频率下降。这就需要机组加大有功功率的输出，所以先增大汽轮机调门丌度来增 加功率的输出，而在增大汽轮机阀门增加有功输出时，主蒸汽压力随之下降，但 总体来说机械功率是增大的，来满足负荷对频率的需求。 ( 2 ) 在1 4 0 0 s 初始状态建立后，加入大小为一o 0 1 ( 即一0 5 h z ) 的负荷频率偏差 4 2 火电厂单元机组负荷控制系统的仿真模型设计与研究 信号，使其持续3 0 s 的仿真图形，如图4 1 0 所示。 图4 - 1 0 加入大小为一o o l 的阶跃扰动后系统中主要变量的输出曲线图 f i g u r e4 1 0t h em a i lo u t p u t so f t h em o d e lw i t ht h es t e pd i s t u r b a n c ei n 0 0 1 与第一种情况类似，当频率偏差信号为负时( 即r 0 0 一缈 0 ) ，此时负荷减小， 有功功率降低而导致频率上升。这就需要机组减小有功功率的输出，所以先减小 汽轮机调门开度来减少功率的输出，而在减小汽轮机调门减小有功输出时，主蒸 汽压力随之增加，但总体来说机械功率是减小的，来满足负荷对频率的需求。 ( 3 ) 改变功率设定值，即设罱机组初始运行的负荷水平 令功率设定值为o 8 ，也就是设置机组初始运行在8 0 的负荷水平下，并加入 大小为0 0 1 ，持续时间为3 0 s 的负荷频率偏差信号，如图4 - 1 1 所示。 图4 1 1 的主要动态变化过程与情况( 1 ) 类似，可见在两种方式下，模型输出 的机械功率、主蒸汽压力和调门开度的变化趋势都是一致的。扰动撤掉后，最后 趋于稳定的新的稳态值是一样的，所不同的就是变化幅度，这主要是由于初始状 态一个功率设定值为l ，一个是功率设定值为o 8 造成的。 4 3 北京交通大学硕士学位论文 图4 1 1 功率设定值为o 8 时系统受阶跃扰动后主要变量的输出曲线图 f i g u r e4 一1 1t h em a i lo u t p u t so f t h em o d e l w i t ht h es t e pd i s t u r b a n c ew h e nt h ep o w e rs e tv a l u e i s 0 8 4 5 火电机组一次调频特性研究 4 5 1 火电机组典型调速系统控制方式 ( 1 ) 汽轮机调速侧一次调频 n - f i ；s 火电机组采用的数字电液调速系统( d i g i t a le l e c t r i c - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m , d e h ) 具有一次调频的功能，它具有控制精度高、执行机构线性度好、阀门迟缓率和 控制死区小的优点，大大改善了大型发电机组转速负载控制的稳态和动态特性。前面 在介绍调速系统时已经提到，调速器主要包括转速偏差控制，功率控制和调节级压力 控制。它既可以独立完成一次调频；也可以处于遥控方式，只根据接收到的c c s 负 荷指令进行一次调频；还可以与c c s 配合共同完成一次调频。当与c c s 配合时，功 率控制与调节级压力控制均在c c s 中完成，d e h 的p i d 环节不起作用，此时d e h 仅执行c c s 的阀位控制指令。 ( 2 ) c c s 侧一次调频 c c s 侧一次调频与d e h 侧作用的方式类似，c c s 作用下的一次调频也有功率控 火电厂单元机组负荷控制系统的仿真模型设计与研究 制、调节级压力控制及转速偏差控制，只是该方式将这些控制都在c c s 系统中实现， 即一次调频功能在c c s 中进行，而将d e h 作为一个执行机构。并且它还将锅炉的协 调控制考虑进来，使主蒸汽压力不会变化过大，所以此方案较上一种d e h 方案，考 虑到了汽轮机与锅炉之间的协调关系，具有一定的优越性。 ( 3 ) c c s + d e h 共同作用下的一次调频 d e h 和c c s 均具有一次调频的功能，当把二者结合在一起时，d e h 中只包括转 速偏差控制，而功率控制和调节级压力控制均在c c s 中实现，同时c c s 中包括转速 偏差控制，此时的调门开度指令是d e h 与c c s 这两个部分发出的指令的叠加，当使 用这种方式时应该根据机组的具体情况来进行分析【3 l _ 3 3 l 。 4 5 2 模型中影响一次调频能力的参数分析 在分析影响一次调频能力的参数时，使用的控制方式为：d e h 侧不投入一次 调频，仅c c s 侧参与一次调频。通过改变输入到模型中的参数及原动机调速器的 不同组态，来分析火电厂原动机的调速控制系统在不同状态下的一次调频特性。 在通过仿真研究各种形式调速系统作用下机组的一次调频能力时，假设在1 5 0 0 s 时 系统负荷水平由8 0 阶跃增加到1 0 0 。 ( 1 ) 改变调速器执行机构的时间常数 不同容量和不同类型机组( 液压或电液调节) 的执行机构的时间常数值差别 较大，一般为0 2 1 5 秒。通过改变模型中调速器执行机构的时间常数，来观察时 间常数的改变对单元制机组协调控制系统主要输出参数的影响。 从图4 1 2 中可以看出，时问常数越小，调门丌度指令变化越快，图中反映出 来的曲线越陡；相反，时间常数越大，调门开度指令变化越缓慢，从图中可以看 出曲线略平缓。所以，为了使仿真如实的反映出设备的调节特性，应根据实际设 备参数设置仿真模型中的时间常数，使其与实际设备的动作特性相吻合，以更好 地模拟机组的一次调频特性。 4 5 北京交通大学硕士学位论文 图4 - 1 2 不同时间常数下汽轮机调门开度指令 f i g u r e4 - 1 2c o m p a r i s o no f t u r b i n ed e m a n di nd i f f e r e n tt i m ec o n s t a n t s ( 2 ) 改变执行机构前的限幅 汽轮机调速系统中阀门指令送给到阀门动作的执行机构之前，这个指令信号 要经过一个限幅，而限幅的幅值大小对机组参与一次调频的特性有一定的影响 3 4 】。 当上限幅值分别为1 1 p z t 和1 0 5 p u 时仿真平台输出的机组机械功率和主蒸汽压力 变化曲线如图4 1 3 和4 1 4 所示。 从图4 1 3 和4 - 1 4 可以看出，与限幅上限值为1 o s p u 相比，限幅上限值为1 1 p u 时，负荷突变后的2 0 秒内，机组输出功率上升较快。2 0 秒后，由于超调量较大，阀 门指令值开始减小，机组输出功率也随之略减少。这说明相对小的限幅值对一次调频 响应速度的抑制作用较强。另外，虽然限幅上限值为1 1 p u 时机组输出功率的响应速 度要略优于限幅上限值为1 0 5 p u 时的仿真结果，但是它的主蒸汽压力波动较后者大， 机组运行不如后者稳定。 火电厂单元机组负荷控制系统的仿真模型设计与研究 图4 - 1 3 不同限幅下汽轮机输出的机械功率变化 f i g u r e4 - 1 3c o m p a r i s o no f m e c h a n i c a lp o w e ri nd i f f e r e n tl i m i t e r s 图4 1 4 不同限幅卜机组主蒸汽压力变化 f i g u r e4 - 1 4c o m p a r i s o no ft h r o t t l ep r e s s u r ei nd i f f e r e n tl i m i t e r s 4 7 北京交通大学硕士学位论文 4 5 3 调速控制方式对一次调频能力的影响 利用仿真平台，针对火电厂不同调速控制方式进行比较，主要考虑以下三种调速 模型：( 1 ) 仅c c s 侧投入一次调频；( 2 ) c c s 侧与d e h 侧均投入一次调频；( 3 ) c c $ 侧手动、d e h 侧自动情况下投入一次调频。在这三种调速控制方式下，汽轮机 输出的机械功率如图4 - 1 5 所示。 从图4 - 1 5 中可以看出，在d e h + c c s 侧均投入一次调频与c c s 侧单独投入一次 调频方式下，二者对汽轮机输出的机械功率变化产生的差异不大，这是由于d e h 侧 与c c s 侧均包含有相同的转速偏差控制，c c s 侧对转速偏差的响应性也很快，所以 没有体现出d e h 侧对调门开度指令的优先作用。但在实际电厂运行中，二者还是有 一定的区别，应根据具体情况分析。 当系统以c c s 侧手动、d e h 侧自动的方式投入一次调频时，在汽轮机主蒸汽压 力调节回路的作用下，系统先会利用机组原有的蓄热使汽轮机调门开度打开，增加出 力，但随着蓄热量的减小，功率调节回路会很快把汽轮机调门恢复到原位，所以d e h 侧调节的功率变化很快会被拉回，没有起到一次调频的作用。 图4 - 1 5 不同调速控制方式下机组机械功率变化 f i g u r e4 - 15c o m p a r i s o no f m e c h a n i c a lp o w e ri nd i f f e r e n ts p e e dc o n t r o lm o d e l s 4 6 仿真平台的建立 火电厂单元机组负荷控制系统的仿真模型设计与研究 通常状况下，应用程序应该尽量保持程序的界面友好，因为程序界面是应用程序 和用户进行交互的环境。在当前情况下，使用图形用户界面是最常用的方法，提供图 形用户界面可使用户方便地使用应程序，不需要了解应用程序是怎么样执行命令的， 只需要了解图形界面组件的使用方法；同时，不需要了解各种命令是如何执行的，只 要通过用户界面进行交互操作就可以正确执行程序。 m a t l a b 中不仅s i m u l i n k 仿真软件具有强大的仿真功能，同时，m a t l a b 自身也是一个功能完善的自包容的程序设计和数据处理集成环境，它可以在无需借助 外界帮助的情况下，完成所有任务，是一个完全独立的系统。它自身提供的图形界面 ( g u i ) 技术，是由窗口、光标、按钮、菜单、文字说明等对象构成的一个用户界面， 可以通过选择、激活对象，使计算机产生某种动作或变化，来实现运算、仿真和绘图 等功能p 5 - 3 6 。 图4 - 1 6 是运用g u i 技术创建的一个研究火电机组一次调频特性的仿真平台( 程 序如附录所示) 。它是将前面讨论过的火电机组调速系统s i m u l i n k 仿真模型与用户 图形界面技术相结合，其中包括了火电厂中与一次调频研究密切相关的设备和控制系 统模型：锅炉、汽轮机、c c s 和d e h 等。平台能够模拟调速系统控制的多种组态方 式，例如，c c s 单独参与一次调频、c c s 与d e h 共同参与一次调频和c c s 手动、 d e h 自动方式下的一次调频等等。可以根据实际情况的需要，在输入参数的模块中， 输入具体情况下的汽轮机主控制器参数、锅炉主控制参数、汽轮机高、中、低压缸参 数以及各种限幅值。由于图形界面上的每个