（电力系统及其自动化专业论文）基于实测轨迹的电力系统频率动态过程的研究.pdf

东北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t f r e q u e n c yi so n eo ft h ei m p o r t a n to p e r a t i n gp a r a m e t e r si np o w e rs y s t e m , o n eo f t h ei m p o r t a n ti n d i c a t o r si nm e a s u r i n gt h ep o w e rq u a l i t y , a n di ti st h ec r i t e r i ao ft h e a c t i o ni ns o m es t a b i l i t ye q u i p m e n t m a n ym e a s u r ee q u i p m e n t sh a v eb e e nf i t t e d i n m o d c r np o w e rs y s t e m , s ot h ed y n a m i cf r e q u e n c yp r o c e s so c c u r r i n gi nt h es y s t e mc a r l b er e c o r d e d i th a sb e e ns h o w nt h a tt h e r ea r es o m ee v i d e n te r r o r sb e t w e e nt h e m e a s u r e dt r a j e c t o r ya n ds i m u l a t e do n ei np r a c t i c a lp o w e rs y s t e m a n a l y z i n gt h e f a c t o r st h a ta f f e c tf r e q u e n c yd y n a m i c si nm o d e r np o w e rs y s t e mi si ng r e a tn e e d b a s e do nt h em e a s u r i n gt r a j e c t o r y , t h ek e yp a r a m e t e r sw h i c hi m p a c tt h ed y n a m i c f r e q u e n c yp r o c o s sa r ea n a l y z e db ym e a n so ft r a j e c t o r ys e n s i t i v i t y , a n dt h ep r i m a r y t i m ei n t e r v a lw i t h i nw h i c ht h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r si m p a c ta n dt h ee x t e n to f i m p a c tt h et r a j e c t o r ya r eo b t a i n e d t h ei n e r t i at i m ec o n s t a n t a n do u t p u tp o w e ro f g e n e r a t i n gu n i ta r ea n a l y z e d , i no r d e rt ol l l a k et h es i m u l a t e dt r a j e c t o r yo fd y n a m i c f r e q u e n c ya p p r o a c ht ot h em e a s u r e do n eb ya d j u s t i n gt h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r s f i n a l l y , t h es i m u l a t e dr e s u l t sa r ee v a l u a t e d f r o mt h er e s u l t s ，i ti sp r o v e dt h a tt h e c o n n e dm o d e l sa n d p a r a m e t e r sa r cf i tf o rt h ep o w e rs y s t e mo p e r a t i o n o nt h eb a s i so fa b o v et h e o r i e sa n ds i m u l a t i o n , t h eo u t p u tp o w e ro fg e n e r a t i n g u n i ti sa n a l y z e dd e e p l yi nd e t a i l c o n s i d e r i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h eb o i l e r , t h em o d e lo fl o a dc o n t r o ls y s t e mo fg e n e r a t i n gu n i ti sb u i kb yu s i n gt h es e l f - d e f i n i n g m o d e l i n gm o d u l eo ft h ep s a s eb e c a u s eo ft h ec o n s i d e r a t i o no ft h ei m p a c to ft h e o u t p u tp o w e r , t h ei n e r t i a le l e m e n ti si n s t e a do ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e b o i l e ri ns i m u l a t i o n i ti sr e a s o n a b l et oc o n s i d e rt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e b o i l e ri nd y n a m i cf r e q u e n c yp r o c e s sb ys i m u l a t i o no f m e a s u r e de x a m p l e s k e y w o r d s ：d y n a m i cf r e q u e n c yp r o c e s s ) t r a j e c t o r ys e n s i t i v i t y ；a c c u r a c y e v a l u a t i o n ；i n e r t i at i m ec o n s t a n t ) d y n a m i cc h a r a e t e r i s f i e so f t h eb o i l e r 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果。均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含 法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学 位申请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损 害，进行公开道歉： 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 、， 、， 论文作者签名：玉塾主盈3日期：亟墨年l 月4 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本 人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署 名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名；盔垫塑 日期：盖甜上月卫日 导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 。1 电网动态频率研究的重要性 1 1 1 电力系统频率特性及现代电力系统对频率特性的影响 频率是电力系统极为重要的一个运行参数，是电力系统运行质量和安全情 况的重要指标之一，是系统多种安全自动装置、继电保护和运行监测装置的启 动量。正常运行状态下，全系统各处频率相等并稳定以保证有功功率的稳定传 输。在接受大干扰( 例如突然切机、跳线或突然投入冲击负荷) 之后，电力系 统由于有功功率平衡遭到破坏而引起系统频率发生变化，频率从正常状态过渡 到另一个稳定值所经历的时间过程，称为电力系统的动态频率特性【1 1 。 现代电力系统的以下特征将显著影响动态频率特性【1 】： 1 单机容量日益增大，使其惯性时间常数降低及系统可能遭受的有功功率 扰动增大，同时民用负荷的增大使得负荷的频率调节效应减弱。 2 新建电厂趋于大规模化，远离负荷区，使电源输电线路以及联网的输电 线路趋于重负载大潮流化，从而降低了输电线路事故时的频率稳定性。 3 电源刚性化( 带基荷、可调节能力小) ，以核能、煤炭等为燃料的电源， 对负荷变化的响应性能差，这给维持正常频率带来困难。 4 大机组对频率质量要求较高，为了保护机组本身，一些大型汽轮发电机 配置了频率保护，运行频率过高或过低都可能引起大机组保护动作，从而导致 破坏系统频率稳定事故的连锁发生。 5 基于现代电力电子技术发展起来的无功电压控制设备的投入。 因此，研究电力系统频率动态过程为电力系统的安全控制提供依据，具有重 要的学术及实用意义。 东北电力大学硕士学位论文 1 1 2 电力系统频率是电力系统重要的运行参数 频率是电力系统的重要运行参数回，电力系统的元件设备都是按标称频率设 计的，当频率偏移额定值时，会对电力系统的运行产生较大影响，电力系统运 行中的主要任务之一，就是对频率进行监视和控制。维持系统在额定值运行比 维持电压恒定更为严格。频率对电力系统的影响分为低频与高频两个方面网。 1 低频对系统的影响 对汽轮机影响：运行经验表明，某些汽轮机长期在频率低于4 9 4 9 5 h z 以 下运行，叶片容易产生裂纹，当频率低于4 5 h z 附近时，个别叶片可能发生共振 而引起断裂事故。 对火电厂厂用机械的影响：当频率下降到4 7 4 8 h z 以下时，火电厂厂用机 械出力( 给水泵等) 将显著降低，使锅炉出力减少，导致发电厂发电功率进一 步减少，致使功率缺额更为严重，于是系统频率进一步下降，这样恶性循环将 使发电厂运行受到破坏，造成所谓“频率崩溃”现象。 用户生产的影响：对频率的依赖特别强的用户，尤其造纸等产业频率的偏 移将直接影响产品的质量。 对系统电压的影响；当频率降低时，励磁机、发电机等转速相应降低，造 成发电机电动势下降和电动机转速下降，加剧系统无功不足，使系统电压水平 下降。经验表明，当频率降至4 5 4 6 h z 时，系统电压水平受到严重影响，当某 些中枢点电压低于某一临界值时。将出现所谓“电压崩溃”现象，系统运行稳 定性遭到破坏，最后导致系统瓦解。 2 高频对系统的影响 高频对系统的影响更加不利，旋转机组超速是十分危急的故障，转子上的 线圈，原动机转子上的叶片，在超出正常转速的1 0 , 6 以上就可能从转子上甩出， 发电机定子端部也很可能受超速过电压的冲击而受损，电动机转子也会发生类 似的损伤。水轮机、汽轮机等均有超速脱扣装置，一般超速到1 1 0 , 6 ，保护装置 将立即切断一次能源的供应。 为保证系统安全，严格限定系统频率偏差范围及其持续时间是很重要的。 第1 章绪论 i nn 通常频率允许偏差为1 ，即o 5 h z 1 1 3 频率是衡量电能质量的重要指标 电力最为一种特殊商品，具有商品所具有的一般属性，电能质量逐渐被人 们重视，频率是电能质量五项指标之一 用电设备同样也是按照标称频率设计，在额定频率下才能达到安全、经济 的运行。对频率依赖性强的用户更是如此。随着高新技术特别是信息技术的飞 速发展，基于计算机、微机处理器的管理、分析、检测、控制的用电设备和各 种电力电子设备在电力系统中大量投入使用，他们对于系统干扰比一般机电设 备更加敏感，对供电质量的要求更加苛刻，即不论系统处于什么状态下运行， 均需保证幅值偏差很小的基波为正弦波的电力的可使用性。电网的电能质量能 否满足精细制造业的要求将成为一个突出的问题。而中国能耗水平的居高不下， 更加重了电能质量的恶化。从英国每年近7 0 的企业受到电能质量问题的影响可 见，在我国的企业中电能质量方面的问题可能更为突出，只是我们的企业对此 缺乏认知，甚至认为因此产生故障及现象是正常的，是不可避免的。 1 1 4 稳态频率是电力供需平衡的标志 频率的波动来源于发电机所受的原动机的机械功率与输出的电磁功率的不 平衡。当输出的转子所受的机械转矩小于电磁转矩时，频率就会降低，同时由 于发电机以及负荷的调节作用，可以使系统稳定于某一较低频率值。相反，负 荷功率低于发电机的机械功率，系统会稳定运行在较高的频率值。因此从频率 值即可判断系统的电力供需平衡状态。 1 1 5 频率是某些安全稳定装置的动作判据 频率也是某些安全稳定装置的动作判据。一方面保护重要元件、设备的安 全运行，例如发电机的高频切机，另一方面保护系统稳定，不至于出现频率崩 东北电力大学硕士学位论文 溃等严重事故，采取措施及时增减发电功率，使频率控制在正常范围内。 1 。1 6 低频减载整定依赖于频率动态过程的研究 电力系统时时都会受到各种不同的扰动，当发生功率不平衡时，系统为寻求 功率重新平衡的动态过程也是系统频率经历动态变化的过程，这种变化的结果 可能使系统经受扰动后恢复到原始的运行状态或者进入另一个稳态运行状态， 也可能使系统失去稳定。 低频减载是维持系统正常运行的重要手段，是电力系统安全防御系统的三 道防线中的一项重要措施。而低频减载分析和整定方案的基础是对系统频率动 态过程特点及机理的正确认识，包括系统功率一频率机理的对应关系。系统功 率频率调节能力，不同机组或负荷对功率一频率变化的敏感性。因此正确分析 和计算在不同情况下的系统频率及其变化过程对低频减载装置的整定及其动作 评价具有重要意义印。 1 1 7 大电网开展动态频率研究的必要性 以东北电网为例，它是由黑龙江、吉林、辽宁以及内蒙等部分地区电网组 成，东北电网同时通过两条联络线与华北电网相联。相比较而言目前东北的电 力资源比较充沛，为充分发挥东北的资源优势缓解电力供应紧张状况，在保证 电网的正常安全稳定的运行的情况下充分发掘输电能力，开展动态频率研究是 十分必要的。 1 2 频率动态过程研究的背景 东北电网是由黑龙江、吉林、辽宁以及内蒙等部分地区电网组成，并通过 两条联络线与华北电网相联。相比较而言东北电网电力比较充沛，为充分发挥 东北的资源优势缓解电力供应紧张状况，东北电网同时向华北电网输送电力。 为保证电网的正常安全稳定的运行，同时充分发掘联网的电力输送能力，开展 频率动态过程研究是十分必要和紧迫的。 东北电网装设了大量的量测装置，包括监测系统稳态运行状况的s c a d a 系 统，以及正在逐步建立起来的以p m u 为基础的广域量测系统。因此现有的量测 装置或系统不仅可以量测系统的稳态运行值，同时可以量测带有高精度时标的 动态轨迹。 长期以来，人们对系统的认识和研究大都依赖仿真软件的仿真结果。然而 却发现仿真轨迹与实测轨迹存在较明显的偏差。这使人们反思所建立仿真系统 的真实性，以及用这样的工具研究系统频率动态过程的可靠性。以下针对东北 独立网运行和东2 , - 华北联网运行时所记录到的实测轨迹与仿真得到的仿真轨迹 比较加以说明。 频率量测装置可记录电力系统发生功率扰动时的频率动态过程，同时由数 据采集系统可以获得故障发生时系统的运行状况，并根据实际中功率扰动的地 点和程度在仿真系统中设置扰动，经过仿真计算可获得系统的仿真轨迹，在指 定节点( 浑河) 观测频率，将仿真曲线与实测曲线相比较。 图1 1 表示了东北独立网运行时发电、负荷的简略结构图，图中同时标示 了系统中所发生的三个功率脱落事件的时间、地点以及动态频率的观测点，即 沈阳的浑河【5 】。 表1 - - 1 功率脱落发生前系统的运行状况 时间4 月1 6 日0 ：0 04 月z 6 目1 2 ：0 5年5 月1 4 日1 4 ：0 0 总有功发电 1 5 9 1 6 0 4 3 唧2 0 7 5 0 7 8 8 姗71 8 0 2 7 7 6 2 职 总有功负荷 1 5 6 4 9 6 2 7 m _2 0 3 6 3 7 2 m 1 7 7 2 8 7 4 0 娜 吉黑断面 6 3 8 1 8 2 姗1 1 7 1 1 1 鼬唧4 0 7 5 1 7 i w w 辽吉断面 1 2 2 6 5 1 6 胛1 2 5 5 4 5 2 姗7 5 7 6 5 8 椰 东北电力大学硕士学位论文 图1 一l 东北独立网运行量测系统记录到的功率扰动事件 下图l 一2 ，1 3 ，l 一4 分别是东北独立网运行时三个功率扰动事件的实测 频率轨迹和采用当前参数仿真系统的仿真轨迹： “ ， 7 l = 糟糕 j i 、 司， 、 避 图1 _ 2 大连4 号发电机2 6 7 懈打闸切机在浑河观测频率曲线 ( 2 0 0 4 年4 月1 6 日0 时0 0 分) 第1 章绪论 乍、； ，il 口f 斑曲t r1l 一罗 n 、； ly l lij ii 霉：ii iilili j l i ；i 图卜3 丹东2 号发电机2 4 1 m w 打闸切机在浑河观测频率曲线 ( 2 0 0 4 年4 月2 6 日1 2 时0 5 分) ，i 一、 影i 。 飞 7 l = 赛凳雌 x 、 纱 恶= =l 了7 、， 图1 4 抚顺2 号发电机1 5 0 m w 打闸切机在浑河观测频率曲线 ( 2 0 0 4 年5 月1 4 日“时0 0 分) 从图1 - 2 、1 - 3 、 4 中可以看出 ( 1 ) 东北独立网运行时3 个功率扰动事件的功率变化与频率变化之比分别 为2 0 5 4 m w h z 、1 8 5 4 m w h z 、1 3 6 4 m w i h z 。说明系统频率调节能力是随着系 统的运行状况而变化的。 ( 2 ) 仿真轨迹所达到的频率最低点略小于频率的量测轨迹。 ( 3 ) 仿真频率轨迹的第一摆回升幅度较大与实测轨迹差异较大。 东北电力大学硕士学位论文 从系统实测频率曲线与原始典型模型参数所得到的仿真轨迹比较可以看 出，仿真曲线的初始频降较大，初始频降时问基本吻合，都在1 0 秒左右达到最 低点，仿真曲线较实测曲线相比，初始频降时间略早。实测频率到达最低点后 缓慢回升，回升幅度较小，而仿真曲线到达最低点后迅速回升，回升幅度较大。 如果认为实测数据是正确的同时仿真工具的算法能满足仿真需要，那么这种仿 真轨迹与实测轨迹的差异就可以认为仿真系统的模型参数与实际系统的模型参 数有差异，因此对仿真系统的模型参数进行分析，在合理范围内进行修改，以 使仿真频率曲线和实测频率曲线尽量接近。 1 3 国内外研究现状 国内外对动态频率的研究并不多见，尤其对多机系统的研究。文献【6 】对单 机系统，低阶频率响应模型，研究了几个重要参数，如输入机械转矩，惯性时 间常数，再热时间常数等对频率过程的影响。对于大区互联电网，发电机与负 荷分布区域较广、长距离输电线路较多，频率动态过程具有其自身的特殊性用 单机模型的分析方法会产生很大的误差，甚至导致完全错误的结论。工程实践 已经表明用孤立系统模型分析频率动态过程，特别是动态过程刚开始的十几秒 内与系统中实际记录到的动态过程相差悬殊。文献【7 】经过线性化系统，用频域 方法研究了两机系统的动态特性。文献 8 1 1 9 1 结合动态潮流及时域仿真分析频率 动态特性，将系统潮流计算与系统频率方程联立求解，计算在故障，控制，操 作等作用下系统电压和频率的动态变化过程。 频域的方法，经过线性化处理后采用频域变换的方法分析频率动态过程， 适用分析频率过程的初始和稳态值，难以对中间的动态过程进行分析，同时采 用线性化方法适用小扰动情况，不能计及系统非线性特性； 2 等值的方法，如非均匀线等值【1 讲，实质也是一种频域的方法，用于分析 扰动后系统各地区频率动态过程的空间分布现象及特点。而基于频率同调的动 8 - 第t 辜绪论 态等值方法简化系统分析规模，但这种等值是在仿真之后根据轨迹特征的进行 的等值。通常等值后会丢失系统部分信息，降低分析结果的准确性； 3 仿真的方法，根据电力系统的物理特点建立数学模型，利用数值仿真分 析系统的动态行为是被广泛采用的一种有效方法。然而模型的正确选择以及参 数的准确直接关系分析结果的正确性。 4 其他方法，如模式识别法以仿真为基础，需要大量的离线计算，经过样 本的训练、特征抽取以及分类器的设计等 1 1 1 ，目前还未能在复杂的电力系统稳 定分析中得到广泛应用。 1 4 现有频率动态过程研究的技术背景和理论基础 现代科技的发展为频率动态过程的研究提供了的软、硬件技术条件和理论 基础。 1 4 1 广域量测系统的建立 随着同步相量测量装置的出现，国内外电力系统近年来掀起了建立广域动 态监测系统的热潮，借助予w a m $ 系纠馏，人们可以得到电力系统动态过程中 部分变量的真实轨迹，这些轨迹带有高精度的时标，因而可以与数值仿真计算 结果进行比对【协1 5 1 。 w a m s 系统的建立，可以获得使计算轨迹与实际轨迹最接近的元件或系统 参数，这些都将极大的推动电力系统动态分析的研究【1 啊，推动大规模电力系统 安全控制策略的精确化，能减少数值仿真计算结果的不确定性1 1 7 1 。 1 4 2 仿真技术发展 电力系统发展虽然有1 0 0 多年的历史了。但是对于电力系统仿真来说，只 有几十年的历史。随着电力系统技术和计算机技术的飞速发展，电力系统仿真 技术也取得了巨大的进步，解决了很多电力系统规划、生产、运行、试验、研 究和培训等方面的实际问题，在电力系统的发展过程中发挥了独特的作用。采 东北电力大学硕士学位论文 用数值仿真的方法是认识动态特性的主要途径之一【1 田。 日前国内多采用由中国电力科学研究院计算研究所开发的电力系统分析 综合程序郢p s a s p 1 9 。它是系统分析运行人员进行电力系统分析和仿真的主 要工具，它是基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库，可进 行电力系统( 输电、供电和配电系统) 的各种计算分析。p s a s p 经过长期的不断 发展完善，具有的功能比较强大。而且程序为用户提供了自定义模型接口和用 户程序接口，方便计算分析人员使用，并可在此基础上进行输出轨迹分析及其 他功能的二次开发【2 口1 。由于系统的运行入员安排生产调度，制定低频减载方案 时首先采用仿真软件分析模拟。电力系统动态频率仿真是研究扰动后几十秒时 间的频率动态过程，当不计锅炉等元件的长时间常数元件的动态影响，而且动 态频率偏离基波频率不是很大的情况下采用适于作暂态稳定分析的p s a s p ，并 在相应的环节克服软件在建模过程中的局限性，用于电力系统动态频率的研究， 仍可以收到好的效果。 1 4 3 计算机硬件的发展 现代科学技术的发展同样使计算机功能越来越完善，运算速度越来越快， 存储容量也越来越大。计算机的内、外部存储器容量有了几十倍的提高。输入、 输出设备，不断地高速化、小型化、多功能化，加上使用了先迸的局部总线， 极大地提高了计算机外设的运行效率。所有计算机硬件不断改进和发展使计算 机的技术性能连上新台阶。 1 5 本文的主要工作 本文首先对电力系统频率动态过程进行了较详细的理论分析，其次对东北 电网进行了大量的仿真分析计算，通过与实测频率曲线进行比较分析，研究了 多机系统中影响频率动态过程的因素，并分析其合理性。主要工作如下： 1 研究了多机系统的频率动态过程，对计算中所采用的原始的仿真模型及 其参数的合理性进行了讨论，给出了频率动态过程研究的现实背景； 第1 章绪论 2 。应用轨迹灵敏度方法对影响频率动态过程相关的系统模型及参数进行分 析，并找到其影响的程度和时间范围； 3 对东北电网系统的实测频率轨迹进行分析研究，应用单机模型和两机模 型对发电机的惯性时间常数进行求取，并验证惯性时间常数调整的合理性： 4 利用电力系统分析综合程序( p s a s p ) 提供的用户自定义功能模块，自 定义了能反映锅炉动态特性的杌组负荷调节系统模型： 5 对汽轮发电机的输出功率进行研究，加入了锅炉动态特性对系统频率动 态过程的影响，调用自定义模型进行仿真计算，得到较能真实反映系统频率变 化的机组负荷调节系统模型，并对结果给出了一定的评价。 东北电力大学硕士学位论文 鼍| 童量皇量置e | 量曼皇量e _ i 量罾一 第2 章基于实测轨迹的频率动态过程的研究 2 1 轨迹灵敏度 2 1 1 轨迹灵敏度概述 轨迹灵敏度是反映系统中某一参数、结构发生微小变化时动态轨迹的变化 程度，轨迹灵敏度不同于通常在运行点对模型的线性化，轨迹灵敏度是沿时间 轴展开的，用已知参数的动态轨迹及其各阶轨迹灵敏度可以表示参数有微小摄 动时的动态轨迹，从而大大减少仿真计算量。 轨迹灵敏度可用于分析系统动态行为机理，能反映系统动态轨迹与参数的 相互关系，已被应用在直接法稳定分析、动态安全调度、暂态稳定紧急控制以 及参数辨识【2 l 】等领域。 2 1 2 轨迹灵敏度的应用 对多机电力系统，通常用式( 2 1 ) 微分代数系统表示珥捌，在式( 2 1 ) 中用下标j 表示故障前系统f s o ，故障中系统( o 岛】及故障后系统( 白，刃， i i ( f ) = f j ( x ( t ) ，j ，0 ) ，口) 1o ：g 肛( f ) ，y ( f ) ，口) ( 2 1 ) ，( f ) ，i t ( t ) 分别为状态变量及其关于时间的导数，灭f ) 为系统的运行变量，口 为系统的运行参数和结构参数。 分别用嵋= i o x 一，= 兰表示状态变量及运行变量关于参数的轨迹灵敏度， ，【zu “ 于是有 瞎誊二萋 ( 2 2 ) 通常( 2 2 ) 第2 章基于实澍轨迹的频率动态过程研究方法 艇：二掣y l ( t ) - y o ( t ) ( 2 - - 3 ) 卜：矧t 图2 - - l 功率一频率的传递函数框图 图2 1 的传递函数框图描述了发电机转子动态和调速系统的作用。给定系 统参数，分析各个参数的轨迹灵敏度，设发电机负荷功率芝。= 1 o p u ，原动机 初始功率弓。= 1 o p u ，发电机组惯性时间常数为2 h = l o s e c l 机械阻尼系数为 置。= 3 ：调速系统中调差系数的倒数为疋- - 2 0 ；硬反馈放大倍数k = 1 ；调速器 的伺服机构时间常数瓦= 0 5 $ 8 c ；蒸汽容积时间常数瓦= o 2 s c = 调速器死区占= 0 0 0 4 p u 。假设当t - - - - 2 0 秒时，功率缺额p - - - - 0 0 5 p u ，计算p ，k 6 ，日等参 数的轨迹灵敏度，如图2 2 所示，仿真模型中由功率缺额引起的系统频率动态 过程如图2 3 所示。 东北电力大学硕士学位论文 1 2 d 8 6 善2 0 - 2 j - 6 x 1 矿 i： 惯性对坷i r 教 ，所 蓑 麓电出打 当凌 擎矿油羞系搬 ；一 051 01 5 为 加 并 加 蚋嘲 圈z 一2 系统的动态频率的轨迹灵敏度 4 9 筇 坞帖 i 一频率动态过程f 。 _ ，一 a501 5加筠扣筠柏 t ( i c ) 图z 一3 仿真系统频率动态过程图 从图2 2 的轨迹灵敏度可以看出，惯性时间常数与死区的影响方向相反， 二者都对频率动态过程的初始阶段影响较大，并且随着时间的推移影响力减弱。 发电机的输出功率对频率动态过程的初始阶段影响较小但是随着时间的推移 第2 章基于实涓轨迹的频率动态过程研究方法 影响力加强，在2 0 秒后影响程度稳定。参数的轨迹灵敏度为调整频率的动态轨 迹提供了有力的依据。可针对实测频率的动态轨迹与仿真的动态轨迹的误差特 点调整参数。 下面的章节就具体的针对频率动态过程中影响较大的两个因素：惯性时间 常数和发电机的输出功率两个方面进一步深入分析，第三章对发电机的惯性时 问常数进行仿真分析，第四章对发电机组的输出功率进行仿真分析。 2 2 仿真精度评价体系 为使实测轨迹与仿真轨迹的比较有一个量化的标准，本小节建立一个精度 评价体系，以便对仿真精度以及轨迹误差进行评价。 2 2 1 仿真精度评价的意义 随着仿真技术和计算机技术的发展，数字仿真技术在工程技术、社会经济 和国防军事的各个领域得到越来越广泛的应用。为了得到正确的结论，在利用 仿真方法进行系统分析，预测和辅助决策时，必须保证仿真模型能够准确地反 映实际系统并能在计算机上正确运行渊。因此，必须对仿真计算和模型参数的 精度进行评价。 2 2 2 仿真精度评价的特点 电力系统动态仿真精度评价即在电力系统建模、仿真及仿真结果应用工程 中，通过对仿真模型的验证、确认、认定以及仿真系统的测试和评估等手段， 判定针对某一特定电力系统动态仿真模型是否客观地反映实际系统以及表达实 际系统的准确程度的理论和方法的总称。 进行电力系统动态仿真精度评价的前提是在电网中装设一定数量的量测装 置，可以观测电网的运行状况以及动态行为。因此电力系统故障或人工扰动中 记录下来的电力系统动态轨迹是动态仿真精度评价的依据 电力系统动态仿真由各类元件模型及其参数组成，元件模型和参数的准确 性是动态仿真精度的基础，电力系统扰动中系统动态行为是各个元件模型和参 东北电力大学硕士学位论文 。 数综合作用的结果。因此元件模型及其参数的量测数据与电力系统扰动数据是 元件模型和参数精度评价的依据，必须使用电力系统扰动记录下来的同步数据 评价全网电力系统动态仿真输出的准确度。 所以将元件模型、参数的精度评价和全网的动态仿真的精度评价有效的结 合起来，充分利用实测数据，从而才能正确评价系统动态仿真的精度。 2 2 3 频率动态轨迹仿真精度判别标准 根据电力系统频率动态过程的特点，以下建立几项用于标识频率动态轨迹 特征的物理量，并用于对实测轨迹与仿真轨迹的精度评价和误差分析f 2 5 】： ( 1 ) 初始频降，指发生故障后频率初始下降到最低点的值与故障前频率的 差值。 ( 2 ) 频降时间，指频率下降到最低点的时间，即到达初始频降的时间。 ( 3 ) 频降斜率，指频率开始下降到最低点的曲线斜率，这个值可由初始频 降与初始频降时间计算得到。 ( 4 ) 回升频率，指频率下降到最低点后频率回升所达到的最大值。 ( 5 ) 回升时间，指频率回升到最大值所用的时间，即达到回升频率的时间。 ( 6 ) 回升斜率，指频率下降到最低点后回升轨迹的斜率，同样可由回升频 率和回升时间计算得到。 ( 7 ) 稳态频率，指频率达到稳态值的量。 ( 8 ) 调节时间，频率达到稳态值，并保持在5 内所需的最短时间。 从上面几个物理特征量可以看出基本的物理量是初始频降及其频降时间， 回升频率及其回升时间，而频降斜率和频率回升斜率可计算而来，因此不作为 基本特征量。稳态频率及其调整时间由于仿真软件的限制，不能仿真模拟如此 长的系统行为，而没有比较的必要。因此初始频降、频降时间、回升频率、回 升时间将被用于仿真轨迹与实测轨迹的误差分析以及精度的评价。这种评价频 率动态过程仿真的标准还很粗糙，有待进一步研究。 第2 章基于实测轨迹的频宰动态过程研究方法 2 3 小结 本章分别对轨迹灵敏度和精度评价作了简要的介绍，并进行了仿真计算分 析，得出了如下结论： 1 通过轨迹灵敏度可以对影响电力系统频率动态过程的发电机惯性时间常 数、调速器死区、调差系数和发电机输出功率进行分析，并给出了模型和参数 影响程度和影响范围： 2 对电力系统频率动态中的相关指标进行了分析，给出了本次研究所需要 的初始频降、频降时间、回升频率、回升时间这几个关键指标，为下一步的频 率动态过程仿真研究精度评价体系的建立奠定了基础。 东北电力大学硕士学位论文 3 1 概述 第3 章惯性时间常数的研究 惯性时间常数是发电机组的机械参数，它的物理意义如下陬2 7 】：当发电机空 载时，在转子上加额定转矩，转子从静止状态到达额定转速的时间。所以惯性 时间常数越大，对于相同的转矩或功率缺额，转子速度的改变越慢，频率下降 到最低点的时间就越长，下降的频率幅度就会减小，对系统振荡的阻尼能力越 强。对于下降相同的频率幅度，惯性时间常数越大，转子释放的动能越多。系 统频率下降率主要与功率缺额的大小及系统总体惯性常数有关l 瑚。 3 2 单机模型的惯性时间常数的研究 3 2 1 发电机惯性时间常数的研究 电力系统发生功率脱落事件。则可用等值单机模型分析系统频率的动态过 程，假设全系统刚性连接，系统方程如下所示瞰s 1 。 m 警= 也 ( 3 - 1 ) t d z u m t g 一+ g ；一k g 鹭 心d = k d 萄 ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) a 只圮= p d 一岛+ 置m o ( 3 4 ) 在上述系统方程式中， ，d 为系统负荷频率调节效应系数：刖r o l 。表示系统中 出现的初始功率脱落量，j 毛为发电机功率频率静态特性系数：为全系统发电 机组调整系统的综合时间常数：m 为发电机的惯性时间常数。当t - - o 时刻，假 设初始过负荷量晶= o 可得到式( 3 5 ) m = - 屹。兰掣i ，。 ( 3 - 5 ) 口f 所以发电机的惯性时间常数可以由系统中某一时刻的功率脱落和在此时刻 系统频率变化率之比求得。 3 2 2 多项式的选取 由于系统某一时刻的功率脱落可以准确测量得到，因此，功率脱落零时刻的 频率变化率的求取成为关键。本文应用多项式拟合的方法对实测频率动态过程 轨迹进行拟合，分别选取不同的次数的多项式形式，与实测频率动态轨迹迸行 比对，如图3 - 1 和图3 - 2 和表3 - 1 和表3 2 所示。 图3 一l 不同次数多项式拟合轨迹的比较 ( 2 0 0 4 年4 月1 6 日0 0 点0 0 分大连4 号发电机2 6 7 m w 打闸切机) 东北电力大学硕士学位论文 表3 1 不同次数多项式拟合轨迹的偏差 次数轨迹拟合方差 4 次 0 0 0 0 9 5 次 o 0 0 3 8 6 次 0 0 0 0 2 图3 2 不同次数多项式拟合轨迹的比较 ( 2 0 0 4 年4 月2 6 日1 2 点0 5 分丹东2 号发电机2 4 1 m w 打闸切机) 表3 _ 2 不同次数多项式拟合轨迹的偏差 次数轨迹拟合方差 4 次 o o 0 0 9 5 次o 0 0 5 2 6 次 0 0 0 0 l 通过比较，选取六次多项式进行轨迹拟合，式( 3 6 ) 表示。 a f ( t ) = a 6 t 6 + a s r + a t 4 + a 3 t 3 + a 2 t 2 + a l t ( 3 6 ) 通过轨迹拟合估计系数a 到a 。，从而系统的惯性时间常数可以由式( 3 7 ) - 2 0 第3 章惯性时间常数的研究 求得o m = 一蜴l o ，a 1 ( 3 7 ) 对于同一个功率脱落事件( 一妮恒定) ，只要知道仿真轨迹和实测轨迹的 斜率比值，就可以知道仿真系统中的系统惯性时润常数与实际系统惯性常数的 比值，如式( 3 8 ) 所示。 坂_ 2 急真 ( 3 _ s ) 3 2 3 仿真计算 东北电网于2 0 0 4 年发生了三次功率脱落事件，并通过系统中装设的频率 量测装置记录了扰动发生前后电网频率的动态过程。本文对三次事件进行频率 动态过程仿真分析，用中国电力科学研究院的p s a s p 程序进行仿真计算，仿真 时间为1 5 秒，0 时刻功率脱落，且仿真的频率观测地点与实测观测地点一致。 运用最小二乘方法对实测频率轨迹进行六次多项式拟合，拟合的轨迹与实测轨 迹的比较入图3 3 一图3 5 所示。其中拟合准确度指标如表3 3 和表3 - 4 所示。 堇 厦轨迹 - 报台盾轨迹 、实轨迹 延 i ： 、仿真轨迹 t 1 图3 - 3 实测轨迹和仿真轨迹拟合前后比较 ( 2 0 0 4 年4 月1 6 日o o 点0 0 分大连4 号发电机2 6 7 m w 打阐切机) 东北电力大学硕士学位论文 0 原孰迹 - 报台后轨迹 2 目轨迹 、意汝、。 r | t f ，一 、仿真轨迹 05 图3 - 4 实测轨迹和仿真轨迹拟合前后比较 ( 2 0 0 4 年4 月2 6 日1 2 点0 5 分丹东2 号发电机2 4 1 m w 打闸切机) 图3 - 5 实测轨迹和仿真轨迹拟合前后比较 ( 2 0 0 4 年5 月1 4 日1 4 点0 3 分抚顺2 号发电机1 5 0 m w 打闸切机) 珏 第3 章惯性时问常数的研究 表3 - 3 应用多项式拟合实测和仿真轨迹的方差 功率脱落事件实测轨迹拟合方差仿真轨迹拟合方差 4 月1 6 日 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 8 6 4 月2 6 日 0 0 0 0 0 50 0 0 0 8 8 5 月1 4 日 0 0 0 0 2 7o 0 0 0 4 9 表3 - 4 实际系统的发电机惯性时间常数与仿真系统的比值 功率脱落事件实际系统与仿真系统的比值 4 月1 6 日1 3 7 4 月2 6 日 1 1 6 5 月1 4 日 1 3 3 应用上述求得的比值，对仿真系统的发电机惯性时间常数进行相应的调整， 并进行仿真分析，原惯性常数和调整后的轨迹与实测轨迹比较如图3 - 5 - - 图3 - 7 所示。 仿真曲线与宪铡曲线 图3 - 5 参数调整前后与实测轨迹比较 ( 2 0 0 4 年4 月1 6 日o o 点o o 分大连4 号发电机2 6 7 m w 打闸切机) 2 3 东北电力大学硕士学位论文 仿真由线与炙瓣曲线 圈3 - 6 参数调整前后与实测轨迹比较 ( 2 0 0 4 年4 月2 6 日1 2 点0 5 分丹东2 号发电机2 4 1 m w 打闸切机) 仿真曲统与实舅由线 图3 7 参数调整前后与实测轨迹比较 ( 2 0 0 4 年5 月1 4 日1 4 点0 3 分抚顺2 号发电机1 5 0 m w 打闸切机) 第3 章惯性时阃常数的研究 表3 - 5 惯性时间常数调整前后轨迹偏差比较 事件参数调整前后偏差平均值偏差方差 4 月1 6 日原参数 0 0 6 0 60 0 0 5 8 m 1 3 70 0 3 0 8o 日d 2 6 4 月2 6 日原参数 0 0 3 8 3 o 0 0 2 5 m + l 1 60 0 1 7 00 0 9 5 月1 4 日 原参数 0 0 1 7 6 o 0 0 0 7 m + 1 3 30 0 0 1 60 0 0 0 5 3 3 双机系统惯性时间常数的分析 3 3 1 发电机惯性时间常数的研究 本小节主要分析如图3 - 8 所式双机系统当原动机功率发生突变时各发电机 内电势频率的变化规律，分析中不考虑调节系统和负荷特性的影响，重点放在 对频率空间分布和扰动地点的研究上。为便于对各种现象的综合分析，首先进 行有关的理论推导。 在图3 8 中，1 屯和2 屯为2 台发电机，e 。、乜：分别为两台机的内电势， 尼，+ ，q g 。、圪：+ ，线：分别为两台发电机的功率，豇扪、j x 。：分别为两台发电 机的内电抗，p d ，+ 觞。、昂2 + 廊：分别为两台机的负荷功率，巴+ 他为线 路的传输功率，y x l 为线路的电抗，k 、以为节点电压。 1 4 g j q m p 0 2 + 沦m 图3 - 8 双机系统示意图 当原动机发生功率突变。时发电机转子运动方程为： 2 4 g 东北电力大学硕士学位论文 j d a 出s f = ( 3 9 ) 卜警= 一屹一p 峨 式中国表示发电机转速，m ，表示发电机的转动惯量，d j 表示发电机组尼系数。 定义系统惯性中心的频率为系统的平均频率，即： 一m q 国= 气广 ( 3 1 0 ) 托 i - i 当系统为均匀阻尼，即d 1 m , = d 2 m ：= 仃时，求出频率过程的解析解： 卜妒慨”p 1 + 等蛔_ ， 【a 哆= a 程k ( 1 一e 4 ) 一面k 2 2 a o ) 及 留( f ) = ( 卜p “) + k m l l + - m k 2 2 2 ( f ) ( 3 - 1 2 ) 显然a q ( f ) 和吼( f ) 是在相同的指数变化曲线上迭加了一个幅值不同的振 荡项，厶国o ) 前的系数k 。m 。和k 2 2 m ：反映了在相同扰动下不同地区频率振 荡的幅值。 由于在应用六次多项式进行轨迹拟合时，可以不考虑机组之间振荡项的影 响，因此，两机系统的发电机惯性时间常数可由式( 3 - 1 3 ) 求得，假设仿真与 实测的频率轨迹的稳态频降相等，且发电机的阻尼系数相同，系统的实际与仿 真的比值由式( 3 - 1 4 ) 表示。 m i ：砜幸口坐磐b ( 3 _ 1 3 ) 第3 章惯性时间常数的研究 3 3 2 仿真计算 m 一= a a i 。仿安i _ m 蜮 ( 3 1 4 ) 东北一华北互联电网于3 月1 1 日、3 月2 2 日、4 月1 日发生了三次功率脱 落事件。对这三次事件进行频率动态过程仿真分析，用中国电力科学研究院的 p s a s p 程序进行仿真计算，仿真时间为1 5 秒，0 时刻功率脱落，且仿真的频率 观测地点与实测观测地点一致。运用最小二