（电力系统及其自动化专业论文）互联电网运行与控制仿真系统的研制.pdf

互联电网运行与控制仿真系统的研制 r e s e a r c ho nt h es i m u l a t i o no f i n t e r c o i m e c t i o no p e r a t i o na j l dc o n 舡0 1 a b s t r a c t t h en o r n la m e r i c ae l e c t r i cr e l i a b l ec o l l l l c i l ( n e r c ) d e s i g n e dc o n 仃o lp e r f b 蛳a n c e 啦m d a r d sc p s1a n dc p s 2t or e p l a c ec r i t e r i aa 1a 1 1 da 2i n19 9 7 c o n t r o la r e a sa r ee x p e c t e d t ob ei nc o m p l i a n c e 晰t hc p ss t a i l d a r d ss i l l c e1 9 9 8 t 王l es t a n d a r d sa r e 缸e df i r s u vi ne a s t c m n ap o w e rg r i da 王1 df u j i a np r o v i l l c ei n2 0 0 1 n om a t t c rp u t t i n gt h es t a n d a r d si n t op r a c t i c e o r s n 】d y i n gm et h e o r y ，w eb o t hl a gb e h i n df o r e i g n e r sa tp r e s e n t w es t i na d o p tm o d m e d c r “e r i aas e r i e sw i d e l y s i n c et 1 1 e g r i d sc o n d i t i o na r ed i s t i n c ti nm a l l ya s p e c t ss u c ha s m a n a 百n gs y s t e m ，a g cc o n t r o lm o d e ，孕i d ss t r u c m r ea 1 1 ds oo i l ，m e r ea r es o m e t h i n gm a t t e r w i t hp u t t i n gt h ec p so nt h ec h i n e s eg r i d sw i t h o u tp r o f b u n du n d e r s t a n d i n g f o rg o i n gd e e p i n t oc p sa 1 1 ds m d y i n go nas u “a b l ep e r f o 姗a n c es t a i l d a r di no u rc o u i l 仃y ，a ne m c i e n tt 0 0 1 i s b a d l yi nn e e d t h i sp 印e rd o s et 1 er e s e a r c ho nm es i m u l a t i o ns y s t e mo fi n t e r c o n n e c t e dp o w e fg r i d s o p e r a t i o na i l dc o n t r 0 1 f i r s to fa l l ，t h i sp 印e rf i n i s h e sm ea n a l y s i sa n dm o d e l i n go n 丘e q u e n c y c o n t r o lo fi n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m ，t h e ne x p o u n d sa g ca n dc p s ，a n ds t u d i e st h e r e q u e s to fc p so nt 1 1 ei n d i v i d u a lc o n 廿0 1a r e a ，a n dc o m p l c t e st 1 1 em o d e l i n go ni n t e r c o n n e c t e d p o w e rg r i d so p e r a t i o na n dc o n 旺o lo nt h o s ef o u r l d a t i o n s f i n a l ly t 1 1 i sp 印e rs i i l l u l a t e ss e v e r “ c o n t r o ls m 壮e g i e so nt h es i i n u l a t i o ns y s t e m ，c o m p a r e sa i l da 1 1 a l y z e sm er e s u l to f t h es i m u i a l i o n ni sp r o v e dm a t 血i ss v s t e mw o r k sw e l l c o m p a r e dt ot h eg e n e r a lp o w e rs y s t e ms i m u la t i o ns o m v a r e ，t 1 i sp a p e rm a l = e st h ec o n 仃o l a r e am o d e lp a n i c u l a r l y ，a n dp r o v i d e sac o n 缸o ls t r a t e g yi n 坝f a c e ，ac o n t r o lp e d b m l a r i c e s t a l l d a r dc o m p u t i n gm o d u l ea n di n t e r f a c e ，ad 龇o u u t 1 0 d u l ea n ds oo n ，m a th a sg r e a t a d v a n 协g e so no b t a i n i n gd 蛐w a n t e dc o m p a r e dt os i m u l a t i o ns o f tw a r e si ne x i s t e n c e r e s e a r c h e r sc a nm a ：k ea ne 衢c i e n tr e s e a r c h0 ne v a l u a t i n gt l l es y s t e mc o n 廿0 1p e r f o r m a i l c e w j t hm k e yw o r d s ：s i m u l a t i o n ；c p ss t a n d a r d s ；c o n t r o ls t r a t e g y ；i n t e r c o n n e c t e dp o w e rg r i d s 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 现代电力系统的互联 现代电力系统是由若干个控制子系统( 区域) 通过联络线相互联接而成的联合电力 系统。互联电网有以下两点主要优势 1 ，2 3 ： ( 1 ) 保证系统的安全运行，主要体现为维持系统频率恒定，充分发挥互联系统事 故支援的优势，增强系统抵御事故的能力。 ( 2 ) 能够考虑到经济因素，协调地区间能源结构的不平衡，区域间能量的买卖主 要体现为联络线的功率流动按照一定的计划值执行。 因为联网可以更有效地发挥大电网的优势，取得更大的经济利益，所以大电网互联 是现代电力系统发展的趋势。跨区域联网的逐步实现，使得电力系统的规模越来越大， 不同地区的资源通过电网互联得以有效的利用。 1 2 互联电网频率控制 频率既是表征电能质量的重要指标，又是系统运行的重要参数。其恒定的前提是系 统有功功率的平筏。而互联电网的频率控制从根本上说就是当发生有功功率平衡破坏 时，在一次控制实现的频率和联络线潮流有差调节的基础上，各个区域启动辅助控制环 节，通过改变发电机调速器整定使有功功率重新达到平衡，实现频率的无差调节【4 1 。各 个控制区域可以根据控制目标的不同采用不同的控制策略，进行相互之间的配合。 1 3 控制- 陛能的评价标准的变迁 在进行频率调整时，由于控制区域的调节能力不足或一些投机行为，某些控制区域 的控制行为可能不符合调节要求【5 。为了保证互联电网运行的优势，评价和规范控制区 域的控制行为，必须建立对控制性能加以衡量的标准。北美电力可靠性委员会( n e r c ： n o m la m e r i c a t le l e c 仃i cr e l i a b l ec o u n c i i ) 曾先后提出过几个控制性能的评价准则。1 9 7 3 年北美东部互联电网开始采用a 系列( a 1 ，a 2 ) 标准，但是在实际运行中，a 系列标准 的不足逐渐表现出来，如：忽视频率变化影响；a g c 机组过分调节、频繁调节；不利 于事故下系统相互支援等。因此，各控制区a 系列标准性能指标的提高并不能保证互联 电网频率质量的进一步提高。 针对a 系列标准的缺点，1 9 8 3 年n e r c 着手研究改进控制性能的评价标准，目的 是为了更加客观地评价各控制区的控制行为对互联电网频率稳定的作用，确保控制区的 交换功率满足交换计划要求，并使互联电网的频率保持在规定值范围。并于1 9 9 6 年提 互联电网运行与控制仿真系统的研制 出了c p s 标准( c p s l c p s 2 ) ，1 9 9 8 年开始正式实施。相对于主要根据经验制定的a 系列 标准而言，基于统计学理论的c p s 指标计算公式具有较强的理论基础，它着眼于频率质 量和一个控制区域在频率偏差控制方面的长期表现，因而更为合理。c p s 标准将对各控 制区域的评价建立在保证全网频率质量上，在事故情况下也有利于频率的迅速改善。同 时也减少了机组不必要的调节，降低了运行的费用。 1 4 本课题研究的必要性 目前我国大部分电网仍然广泛采用a 系列标准修改得到的标准，只有华东和福建电 网从2 0 0 1 年开始试行c p s 标准。因电网在管理体制、a g c 控制模式、电网结构、设备 与通信自动化水平等方面有别于北美电网，将c p s 标准在我国直接或简单修改后套用存 在诸多问题。在这种情况下，就有必要对c p s 标准进行深入剖析，探求其理论内涵，阻 期将其修改到适用于我国电网情况，或者寻求一种适合我国电网的互联电网运行控制性 能的新标准。这些研究都需要大量的实验数据，但实际的大电网又不可能给我们提供进 行试验的机会，这时计算机仿真就成为最佳的数据来源。而现有的电力系统仿真软件基 本上是以达到电网的安全运行为目的【6 】，就研究新标准而言，缺少相应的控制策略接口 和新标准的计算和分析等接口，使用起来有诸多不便。为了解决这些不便，提高有关评 价体系的研究效率，本文提供了一个互联电网控制与运行的m a t l a b 仿真系统，作为 剖析c p s 标准、制定新标准，寻求新标准下的最优a g c 控制策略等评价体系各方面研 究实践和检验的平台，可望成为互联电网运行控制性能评价体系研究和探讨的有力工 具。 1 5 本文工作的主要内容 在了解了频率控制，并深入学习了自动发电控制、控制性能评价标准的基础之上， 建立了电力系统运行控制的仿真系统，并验证了其真实性，具体的工作内容如下： ( 1 ) 电力系统区域状态模块的建立 对互联电网频率控制的基础进行阐述，理解、修改、细化互联电网中与频率控制相 关的模型，并建立起可用于互联电网的控制运行仿真系统的电力系统区域拓扑状态模 块。在此基础上对区域的静态响应特性加以分析，并通过算例来验证本文仿真系统与理 论分析的一致性。 ( 2 ) a g c 控制策略模块的建立 对互联电网自动发电控制基本功能、控制方式和一般过程进行分析描述，建立起互 联电网的控制运行仿真系统中核心运算模块当中的a g c 控制策略模块。 ( 3 ) 电力系统的控制性能c p s 标准模块的建立 大连理工大学硕士学位论文 对控制性能标准a 系列标准和c p s 系列标准进行阐述和分析，比较这两种标准的 优缺点，得出c p s 标准在互联电网中的优势。在此基础上建立c p s 标准性能指标的计 算模块，同时指出一种符合该标准的控制策略。 ( 4 ) 互联电网控制运行的算例及分析 通过对几种不同情况的算例仿真结果的分析，对所做模型的有效性进行考核，检验 本文仿真系统的真实性。 互联电网运行与控制仿真系统的研制 2 仿真的概述 2 1 仿真的定义 仿真是用一个模型来模仿实际系统，其最基本的内容应该与实物相同，即模型反映 系统的主要特征或本质特征。将一个能近似描述实际系统的数学模型进行二次模型化， 变成一个仿真模型，然后把它放到计算机上进行运行的过程，称为仿真。其中一次模型 化是通过对系统的取模和识别，研究实际系统与物理模型的关系，二次模型化是研究数 学模型与计算机之间的关系【”。 2 2 建立数学模型的原则 ( 1 ) 相关性【鄙 系统的模型代表一个实际系统的简化形式，它高度概括了系统中变量的相互关系， 因此模型中应只包括与研究目的有关的那些信息，无关的信息不仅增加了模型的复杂 性，而且增加了求解的工作量，甚至容易出差错。因此应该把与研究目的无关的信息排 除在模型之外。 ( 2 ) 准确性 一个不准确的模型不可能得到正确的研究结果，而正确模型的获得，有赖于对研究 对象内部的物理、化学规律的熟悉程度和概括能力。准确性往往与系统的简化和假设条 件的正确与否密切相关，这就要求我们根据系统的研究目的和研究范围，把握环节的本 质属性，才能做到合理的简化，简化的程度应由系统研究的精度要求来确定。 ( 3 ) 集合性 建立系统的数学模型时，需要进一步考虑的是把一些个别的实体组合成更大实体的 程度。集合是一种简化，在研究系统时，应考虑将某些环节集合处理，从而使模型更为 简洁和明确，有利于集中研究某一侧面，突出研究的中心。集合性的主要考虑原则是对 于实际设备( 或部件) 的每一种集合，不仅要充分考虑他们集合的可能性，而且还要能 够给出其相互联系的关系式，该关系式应该能反映这个集合的基本特性。 2 3 本文仿真工具的选择 目前的仿真计算存在一些不足：编制和调试程序的工作量很大；仿真程序的移 植性较差；缺乏强有力的图形输出支持。 而仿真软件s i m u i ，i n k 能克服上述弊端【9 】，它提供了一个自学习的人机交互界面 和图形输入输出手段，是仿真系统研制的有力工具。它的主要特点为： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) s i m u l i n k 提供了非常丰富的系统模型库，一般在控制系统的分析与设计中 遇到的模块几乎都可以从模型库中找到。 ( 2 ) 实现了可视化建模。由于在w d o w s 界面下工作，因此用户可以很方便地 利用鼠标器在模型窗口上画出所需的控制系统框图，使得一个很复杂模型的输入变得相 当容易且直观。 ( 3 ) 利用s i m u l i n k 进行数字仿真非常简单方便。它提供了多种数值算法，使用 者只需选择合适的算法和有关仿真参数( 时间、步长、精度) ，即可得到仿真结果。 ( 4 ) s i m u l i n k 实现了与m a t l a b 、c 、f o r t r o n 以及硬件工作环境间文件的 互用和数据交换。 鉴于s i m u l i n k 的上述特点，结合电力系统控制仿真中的要求，故本文选择 m a t i a b 中的s m 砌l 肼仿真软件作为进行仿真的工具。 互联电网运行与控制仿真系统的研制 3 互联电网运行控制仿真系统简介 电力系统动态仿真必须建立电力系统各元件的数学模型，并根据系统的具体结构， 组成所研究系统的数学模型，然后采用适当的数学方法进行求解，其仿真速度与实际系 统的动态过程的速度不等【加 。建立数学模型时根据仿真的不同目的，往往忽略一些次要 的因素，因而常常是一个简化的模型。目前的电力系统离线仿真软件，对不同的动态过 程采用不同的仿真方法。主要有电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真和中长期动态过 程仿真3 种。我们主要考察电力系统中长期动态过程仿真i l ”，电力系统中长期动态过程 仿真是电力系统受到扰动后较长过程动态仿真，要计入在般暂态稳定过程仿真中不考 虑的电力系统长过程和慢速的动态特性，包括发电厂热力系统和水力系统以及核反应系 统的动态响应以及自动控制系统的动态行为等。 3 1 仿真系统的主要内容 进行互联电网的控制与运行评价体系研究，仿真系统的内容目前主要是火电厂、水 电站和核电站的中长期动态模型、a g c 模型和c p s 标准模型。 火电厂的数学模型有以下几个独立而又互相联系的部分组成：锅炉汽轮机协调控 制，汽轮机及其调速系统，锅炉及其控制系统。在电力系统控制运行动态仿真软件中， 汽轮机及其调速系统采用i e 髓推荐的标准模型。汽轮机锅炉控制包括多种方式：如锅 炉跟随汽轮机控制、汽轮机跟随锅炉控制、锅炉汽轮机协调控制等。本文采用锅炉跟随 汽轮机控制。自动发电控制a g c 决定了单元机组出力以及通过控制汽轮机锅炉协调控制 或汽轮机速度调节来影响控制方式i 在电力系统动态仿真中，汽轮机模型采用汽轮机通 用模型，通过选取不同参数，可以模拟无再热器、串联组合单再热、双再热、交叉组合 单再热、双再热环节，另外还可以模拟有中间截止阀的各类汽轮机模型。水电厂模型包 括水轮机和水轮机控制系统动态模型。 a g c 模型可以实现联络线功率一频率控制和经济调度算法【1 2 】。a g c 的输入量有： 本区域的母线频率，联络线的交换功率、各调节机组的出力。联络线的功率偏差量与频 率偏差量乘以偏差因子后的值相加得到该区域的功率误差控制信号a c e 。a c e 信号在控 制过程中有以下两种功能：由区域频率的增量以及联络线的偏差量之和能判断功率增加 或减少发生的区域，即功率不平衡发生的区域；通过a g c 修改a c e 控制信号，调节受控 机组的出力，使发电量和负荷量重新恢复平衡，频率恢复到正常值，联络线功率恢复到 初始设定值。对于多个区域的互联，联络线的交换功率为该区域边界上所有联络线测量 大连理工大学硕士学位论文 功率的总和。a c e 信号乘以分配因子，分配到各受控机组，其中各调节机组的调节范围 受对称的调节限幅环节限制。 c p s 标准模型实现基于统计学理论的c p s 指标的计算。n e r c 曾先后提出过几个控 制性能的评价准则。为了客观地评价各控制区的控制行为对互联电网频率稳定的作用， 确保控制区的交换功率满足交换计划要求，并使互联电网的频率保持在规定值范围，着 手研究改进控制性能的评价标准。1 9 9 8 年开始正式实施c p s 标准( c p s l c p s 2 ) 。c p s 标 准( c p s l c p s 2 ) 控制目标为： rj 厂t f ( 1 h 晦一i 与蔷颈m 砰 ( 2 ) 爿嘲o “。c e ) 1 | 6 5 o 卜1 0 骂x _ l o b ) 其中，毛是距某个目标频率的频率偏差常数，通常取上一年基于一分钟的平均频率 与额定频率偏差的均方根值，通常时间段取小时、天、月和年。实际用于对控制区域的 评估评价时常采用一年的c p s l 作为评估依据事实。毛。是一年中基于1 0 分钟的平均频率 与额定频率的偏差的均方根值。b 。是整个互联系统的频率偏差系数。各控制区域取相同 的占l 和毛o 。 3 2 仿真系统的特点 本文的互联电网运行与控制仿真主要研究电力系统出现扰动后的功率频率控制的 动态过程及系统的性能指标，重点考察不同控制策略对各个控制区的控制性能以及c p s 指标的影响。本系统不仅能实现现有电力系统仿真软件的基本仿真功能，如各种性能的 机组调速、动力、发电以及各个控制区域的一二次调频。而且在基本的电力系统模型之 外，更加入了c p s 评价标准指标的计算及接口模块，实时跟踪区域自然频率特性系数模 块，控制策略及接口模块以及系统运行数据如频率，联络线功率等的数字特征的考察模 块等，能够实现更多方便研究评价体系的附加功能，且输出的数据能够涉及到频率、区 域控制误差a c e 、联络线交换功率、c p s 指标等若干评价体系所关心的量，可以为评价 体系各方面的研究提供充足的数据。 较之普遍的电力系统仿真软件，本文的互联电网运行控制仿真系统在准确实现系统 仿真的基础上，既为控制策略、评价标准的计算以及仿真数据输出提供了接口，又能够 根据仿真的不同要求灵活地修改系统参数，更换控制策略，并能通过图形和表格多种形 式观察仿真结果，有利于对互联电网运行控制评价体系的研究。 互联电网运行与控制仿真系统的研制 3 3 仿真系统设计的总体思路 本系统的总体设计以操作使用的方便性、输入数据的直观性、理论计算的收敛性和 输出方式的实用性为原则。在建立系统模型时，运用面向对象的编程思想，根据对系统 需求的详细分析，把系统分为几个功能模块，分别是系统状态模块、核心运算模块、数 据输出模块。各模块留有接口，模块之间可以很方便地进行信息交换。在下边的第4 、5 、 6 章中将对这几个模块分别加以介绍。、 大连理工大学硕士学位论文 4 系统状态模块的设计 对互联系统进行仿真时，首先要确定系统的基本状态，如系统内控制区域的数目， 不同控制区域之间的联接关系，各控制区域的机组的种类、数量、容量等状态信息。本 文的仿真系统把这些状态量反映在系统内如发电机一负荷、原动机、调速器、联络线等 子模块的参数上，通过输入系统内各控制区域及联络线的模块参数来确定互联系统的状 态信息【” 。系统的状态模块也包含箨区域的负荷波动输入子模块，可以作为运行仿真时 的数据来源。 电力系统单区域模型和联络线模型是电力系统控制区域模型的两个组成l l ”，本章先 介绍单区域模型，然后在此基础上，结合联络线模型推导出互联电网区域控制的模型， 从而组成完整的系统状态模块。 4 1 单区域摸型 电力系统单区域模型主要由以下几个方面构成：发电机模型、负荷模型、原动机模 型、调速器模型。 4 1 1 发电机一负荷模型 电力系统有功功率的平衡是频率恒定的前提，所以在稳定运行时，如忽略机组损耗， 有；机械功率= 发电功率= 负荷功率( 以下这一部分模型是假定汽轮机机械功率和发电机 功率相平衡而得到的) 【l ”。然而，负荷是不断交化的，如负荷功率增加a b ，发电机便 立即增加发电功率只来满足负荷变化，即c = 晶。 圈4 1 发电机转距示意图 f 培4 】s k e t c hm 印o f t o r q u eo f g 即啪t o r 而原动机由于机械惯性，输出的机械功率变化慢，所以导致区域内出现不平衡功率。 引入物理参数如下： ，：转动惯量 瓦。：机械转娟 匕。：机械功率 己。：机械功率 口：角加速度 t 。：电磁转矩 。：电磁功率 。：电磁功率 ：转速 z ：净转矩 只：净功率 只：净功率 一 互联电网运行与控制仿真系统的研制 口= y ： 只= 国l = l 。一疋。 = 圪。一只。 ：+ 耐j 国：国一：耐j 丛会坐：a 班胁删痂一协衍= 吉讲2 j 旦竽一 将( 4 3 ) 式代入( 4 1 ) 式得到： ，掣锻嘲+ 峨小( + ) 。l 。“o = t 。，掣：瓦扩死。 d f 由( 4 2 ) 式得到： ( 只。曲o + 只。曲) ( 船o + e k ) = ( c + 国) ( 乇。西o + 瓦。曲) 一( 7 k o + 7 k ) 兄。女o = b 。ol m o = 乙。o 己。曲一如。= ( 吐+ 国) ( l 。抽一t 如。) 忽略二次项简化得：只。一。= ( 已。“一t k ) 将( 4 5 ) 式代入上式得到巴。，。：砜皇! 掣 经过拉氏变换后有：已。c ( s ) 一只k 。( j ) = 铫弘国( j ) 设m = ，m 为惯性时间常数。 则有发电机模型框图如图4 2 所示( 标幺值表示时，厂和0 ) 值相等) ： 图4 2 发电机模型框图 f i g 4 2b 1 0 c kd i a g r 锄o f g e n e r a t o r m o d e l 1 0 一 ( 4 1 ) ( 4 2 ) ( 4 | 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) ( 4 6 ) ( 4 7 ) 大连理工大学硕士学位论文 普遍的电力系统仿真中的发电机模型都包含有发电机励磁系统的模型。励磁系统的 基本功能是给同步电机磁场绕组提供直流电流，此外，励磁系统通过控制磁场电压并随 之控制磁场电流，完成控制和保护功能。控制功能包括电压和无功潮流控制，以及系统 稳定性的提高。保护功能保证同步电机、励磁系统和其他设备不超过容量极限。但因为 本文的仿真系统关心的是与系统的频率控制关系较密切的电力系统元件，所以此处在发 电机模型中，忽略励磁系统的模型。 一般情况下，负荷有功功率的变化由两部分组成：一部分是与频率变化基本无关的 分量p ，如照明和电热之类的电阻型负荷；另一部分是与频率变化相关的分量r ， 包括与频率成正比的负荷( 如切削机床、压缩机等) ，与频率的二次方成正比的负荷( 如 变压器中的涡流损耗) ，与频率的三次方成正比的负荷( 如静水头阻力不大的循环水泵 等) ，与频率的更高次方成正比的负荷( 如静水头阻力很大的给水泵等) 。则有： ，f ， 昂= + 吼呼) + ( ) 2 + ( 9 3 + - + e ) ” jeje j 。j 。 其中，昂是频率为额定值时整个系统的有功负荷：，k 是频率为额定值时整个系统的有 功功率；口。是与频率的i 次方成正比的负荷占b 。的份额。 以，和五分别作为功率和频率的基准值，则有： p b 。= 毯q + 毡。 。斗l ：+ o i k ：斗斗伐。 ： 当频率下降时，负荷的功率将减少，当频率升高时，负荷的功率将增加，也就是说， 当系统中有功功率不平衡而引起频率变化时，系统的负荷也参与对频率的调节，这种特 性将有助于系统中有功功率在新的频率值下重新获得平衡，这种现象称为负荷的频率调 节特性。 定义负荷的单位频率调节特性系数为： d ：堡( m 州z ) 弩 当d 换算成标幺值时，表示频率变化1 所引起的负荷变化百分率，此时d 的典型值是 l 2 ，如d = 2 意味着l 的频率变化会引起负荷2 的变化。 因此负荷功率的变化可表示为( 用标幺值表示) ： 廿d = 心l 七d 鹫 又因为= 尸d ，将负荷和发电机模型合并，如图4 3 ( a ) j 多亍示。 互联电网运行与控制仿真系统的研制 图4 3 ( a ) 发电机负荷模型框图 f i 9 4 3 ( a ) b 1 0 c kd i a 掣mo f g e n e r a t o r l o a dm o d e l 化简如图4 3 ( b ) 所示。 图4 3 ( b ) 发电机- 负荷模型化简框图 f 培4 3 ( b ) b l o c kd i a g r a mo f g e n e r a t o r _ l o a dp r e d i g e s t e dm o d e l 4 1 2 原动机模型 模型系统中原动机分为汽轮机和水轮机两种，它们既具有相似的地方，又各有自己的 特点。由于实际精确模型比较复杂，所以在实用电力系统分析与计算中常常采用简化数学 模型。对于汽轮机，其动态特性主要考虑汽门和喷嘴间的蒸汽惯性引起的蒸汽容积效应 ( 即蒸汽压力不会立即发生变化，因而输入汽轮机的功率也不会立即变化) ，这通常可以采 用一阶惯性环节来模拟。汽轮机的数学模型描述的是汽轮机汽门开度同输出机械功率之 间的关系【l6 1 。对于水轮机，其动态特性主要考虑引水管道由于水流惯性引起的水锤效应 ( 即导水叶突然开大时，水轮机瞬时功率会突然减小一下，然后再增大，反之亦然) 。与汽轮 机类似，水轮机的数学模型描述的是导水叶开度与输出机械功率之间的关系。 ( 1 ) 汽轮机 1 7 ，1 8 】 汽轮机将高温高压蒸汽储存的能量转换成旋转机械能量，再由发电机把其转换成电 能。矿物燃机组一般由高压( h p ) 汽缸段、中压汽缸( 1 p ) 段及低压汽缸段( l p ) 组 成，它们可以是无再热型或再热型。在再热型汽轮机中，离开h p 级的蒸汽返回锅炉， 在那里经过再热器( r h ) ，再送到i p 级。通过再热提高了效率。某些机组既没有i p 级， 也没有再热器，此时蒸汽直接送到l p 级。另一方面，某些机组有两级再热器。根据机 组容量和蒸汽条件，已经建造了各种各样结构的汽轮机。它们通常包括两个以上串联的 大连理工大学硕士学位论文 涡轮级或汽缸。每个涡轮机包括一组附着在转子上的运动叶片和一组静止的导向叶片。 运动叶片称为涡轮叶片，静止叶片称为喷嘴段。它们形成了蒸汽在其中加速成高速汽流 的喷嘴或通道，这个高速蒸汽的动能通过叶片转换成轴转矩。蒸汽经控制阀和进汽管进 入h p 段，控制阀的壳体称为汽室。相当多的蒸汽储存在汽室和h p 级的进汽管中。 珀 排出的蒸汽通过再热器，再热器经再热截止阀( ) 和进汽管流入i p 涡轮级。交换器 给蒸汽提供了从i p 级排出到l p 级的路径。由于截止阀只是提供了一种截止汽流的备用 手段，因此在系统研究当中不需要模拟。在我们所关心的速度变化的范围内，汽轮机机 械功率基本上是阀门位置的函数并独立于频率。汽轮机的一般结构如图4 4 所示。 取龋垆采 图4 4 汽轮机一般结构 f i g 4 4g e n e r i cs n c t l l r eo fs t e a mt u r b i n e 无再热汽轮机 在正常运行期间，汽轮机中控制阀位置的改变使进汽量变化，导致汽轮机输出的机 械功率变化，因而使发电功率改变。由于汽室到h p 级的进汽管之间有一定的空间存在， 当阀门开启或关闭时，进入阀门的蒸汽量虽有改变，但这个空间的压力却不能立即改变， 这就形成了机械功率滞后于阀门开度变化的现象，称为汽容影响。在大容量的汽轮机中， 汽容对调节过程的影响很大。由于无再热汽轮机表现出的时间滞后情况比较简单，对于 控制阀开度变化的蒸汽流量的响应显示了一个时间常数b ，在数学上可以用个一阶惯 性环节来表示，这样无再热汽轮机可由图4 5 表示。 图4 5 无再热汽轮机模型框图 f 培4 5b l o c kd i a g r 啪o f s t e a i nm r b i n ew 曲o u tr e h e a 廿n g 其中，五是汽容时间常数，一般为o _ 2 o 3 s 。 互联电网运行与控制仿真系统的研制 再热汽轮机 在再热型汽轮机中，离开h p 段的蒸汽返回锅炉，经过一个再热器后才送到i p 段， 通过再热提高了汽轮机的效率。截止阀一般用于万一出现过速时迅速地控制汽轮机的机 械功率，它在再热器之前，控制了到i p 和l p 段的蒸汽流量，而这两级产生的功率占总 汽轮机功率的7 0 左右。这两级中的蒸汽流量只能随再热器容积内压力的建立过程而变 化。再热器持有相当可观的蒸汽，因而随之有一个范围在5 1 0 s 的时间常数l 。因此 再热汽轮机必须考虑进入再热器的蒸汽流时延，再热汽轮机的传递函数有下列形式： 垒墨! ：! ! ： +! = !：璺垡s ! a b ( j ) s r s + l( j r s + 1 ) ( 占r + 1 )( s r j + 1 ) ( s r p + 1 ) 其中，c 是蒸汽在h p 段里产生的功率占总功率的比例，一般为2 5 3 0 ，瓦是再热 器时间常数，一般为5 l o s 。 这样，再热汽轮机可由图4 6 表示。 p vp m s c t r + 1 ( 占l + 1 ) ( j 瓦+ 1 ) 图4 6 再热汽轮机模型框图 f i g 4 6 引o c kd i a g r a n lo fs t e a n lt u i - b i n ew 妯r e h e a 廿n g ( 2 ) 水轮机 水力机组运行比热力机组简单得多，水从某一高度落下，驱动水轮机以较低的转速 转动，水流爨及机械功率由阀门控制，有时还由水轮机叶片再控制【1 9 1 。 水轮机的过渡特性由水流在水力管道中的动态特性决定，所以要考虑水锤效应的影 响。水锤效应是由流动着的水的惯性所引起的，压力管道中的水在稳态情况下，水的流 速是一定的，但当迅速关小导向叶片的开度时，导管中的压力将急剧上升；而当迅速开 大导向叶片的开度时，导管中的压力将急剧下降。这种现象称为水锤现象，它使水轮机 功率不能追随开度的变化，而是有一个滞延。 图4 7 表示了水轮机的“经典”传递函数，它表明了理想的无损耗水轮机的输出功率 怎样随导叶开启的变化而变化。 - 酽 图4 7 水轮机模型框图 f i g 4 7b l o c kd i a g r a n lo f h y d r a u l i ct u r b i n e 大连理工大学硕士学位论文 其中，巧= 娑是水启动时间，它与水轮机入口至前池( 或调压井) 之间的水力管道中 且暑 水的加速时间有关，典型值是1 o s 。耳中的参数分别为： l 一水力管道长度，m h 一总水头，m v 一水流速度，幽g 一重力加速度，州j2 4 1 3 调速器模型 调速系统是原动机的一个重要组成部分，它的主要作用是自动维持机组转速和在机 组间分配负荷。汽轮机的调速系统主要有液压调速器和功频电液调速器两类，可以用相 同的数学模型进行描述；水轮机的调速系统主要有机械调速器和电气液压调速器两种， 它们也可以用相同的数学模型进行描述。两者的环节基本相同，主要区别在于汽轮机调 速器只有硬反馈环节而没有软反馈环节，而水轮机调速器两种反馈都有。 以机械液压控制的调速系统为例，调速器的基本元件是机械传感器，速度继动器和 液压伺服传动机构【2 0 】。调速器输出与由速度改变器位置确定的速度负荷参考值进行比 较，产生的误差信号来控制阀门。从功能上讲，调速器一般由测量、放大、执行等环节 组成。机械传感器的调速杆不能产生控制汽阀所必需的力，因此用一个速度继动器来放 大调速器信号。在很大的汽轮机中，用液压伺服传动机构来额外地放大到使汽阀动作所 必需的能量水平。不论是汽轮机还是水轮机，调速器的执行环节都是利用液压放大原理 控制汽门( 或导水叶) 的开度，从而控制进入原动机的动力。 ( 1 ) 汽轮机调速器 汽轮机的调速器有三个基本功能：正常速度负荷控制，过速控制和过速跳闸。速度 负荷控制类似于水轮机组，是任何发电机组的基本要求。过速控制和保护要求是汽轮机 所特有的 2 “。对于涉及速度( 频率) 小偏差的研究，只需要考虑正常的速度调节或基本 的速度控制。汽阀的特性是高度非线性的。因此，控制信号对蒸汽流量的线性化响应常 常进行补偿。作为近似，可以假设己完全地补偿了阀门的特性，并且忽略阀和凸轮的非 线性。汽轮机调速器的工作流程图如4 8 图所示。 图4 8 汽轮机调速器的工作流程图 f i 9 4 8f 1 0 wc h a no f s t e 姗t u r b i n e9 0 v e m o r 互联电网运行与控制仿真系统的研制 由图4 8 可得到汽轮机调速器的模型框图如下图所示。 图4 9 ( a ) 汽轮机调速器的模型框图 f i g 4 9 ( a ) b l o c kd i a g r a i no f s t e mt 岫岫g o v e m o r 将负荷整定值即控制功率尼提出反馈环节，得到下面的框图4 9 。 图4 9 ( b ) 汽轮机调速器的模型框图 f i g 4 9 ( b ) b 1 0 c kd i a g f mo f s 钯a n lt i l r b i n eg o v e m o r 反馈连接等效变换得到： ( s ) ：丝 曼一：上一：上 ! k 1 k 3 | s + 、s k 。十k 3k 3 、+ s k i k 3 反映到模型框图上即图4 9 ( c ) 。 图4 9 ( c ) 汽轮机调速器的模型框图 f i g 4 9 ( c ) b 1 0 c kd i a g r 锄o f s t e a mt u r b i n eg o v e m o r 上述结构图再经过综合点和引出点的变换后整理得到图4 9 ( d ) 。 图4 9 ( d ) 汽轮机调速器的模型框图 f i g 4 - 9 ( d ) b l o c kd i a g r 锄o f s 觚nt i l r b i n eg o v e m o r 大连理工大学硕士学位论文 设瓦= 去，五= 鲁， 则经过变换最终所得汽轮机调速器模型框图如图4 9 ( e ) 所示。 图4 9 ( e ) 汽轮机调速器的模型框图 f 培4 9 ( e ) b 1 0 c kd r a i l lo f s i e a n lt u r b h l eg o v e m o r 其中，l = 击是调速器时间常数，通常是零点几秒的数量级。置= 孚是机组的调差系 2 ja i 数，如r = 4 意味着4 的频率偏差引起主阀位置或功率输出1 0 0 的变化。 ( 2 ) 水轮机调速器 水轮机调节系统是一个包含有水流、机械、电气一体的复杂的闭环自动调节系统， 如果仅从控制的角度看，水轮机调节系统是一个具有非最小相位、非线性时变特性的复 杂系统，系统相对来说不易稳定，从而使其水轮机调速器的设计变得复杂【2 2 1 。 水轮机的调速器最基本的转速，负荷控制功能是反馈转速误差信号来控制导叶位置。 为了保证多台机组满意地和稳定地并联运行，调速器应具有下降特性。下降的目的是保 证各发电机组之间合理地分担负荷。但是对于水轮机，这样有一个简单的稳态下降特性 的调速是不会令人满意的。由于水的惯性水轮机有一个独特的响应：导叶位置的变化 引起初始的水轮机功率变化与我们所寻求的正好相反。因此水轮机调速器要求具有较大 的瞬态调差特性并且具有较长的恢复时间，以便获得稳定的速度控制性能。正因为如此， 水力机组对速度变化或者对速度调整器设定变化的响应是比较慢的。 瞬态调差意味着对于快的频率变化，调速器表现出高的调差率( 低增益) ；而对于 慢的频率变化和静态情况，调速器具有较低的调差率( 高增益) ，这通过一个速率反馈 或瞬态增益减少补偿来实现【2 3 】，如图4 1 0 所示。 互联电网运行与控制仿真系统的研制 ，口 一刚 图4 1 0 具有瞬态增益减少补偿的水轮机调速器模型 f i g 4 1 0 m o d e lo f h y d m - t u r b i n eg o v e m o r w 油订a i l s i e n td r 0 0 p 此图经过类似与汽轮机调速器的变换及化简，可得到下面图4 1 1 的传递函数。 图4 1 1 水轮机调速器模型框图 f i g | 4 1 1b l o c kd i a g r 鼬o f h y d r o _ m r b 址g o v e m o r 其中，f 是瞬态调差率，最佳值为譬。巧是机械起动时间，= m 。是复位时间， j 由水启动时间决定，最佳值为4 死。 4 14 单区域系统 综合以上与系统频率功率控制有关的元件模型，按照实际电力系统的工作流程把它 们组合起来，可以得到基本的具有一次调节的单区域单机组的综合模型如图4 1 2 。 鱼粕杖动 图4 1 2 单区域单机组具有一次调频的模型 f i g 4 1 2m o d e lo f o n ec o n 仃o la r e ac o n 僦n so n eu n nw 曲矗e q u e n c ym o d 山a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 在分析负荷频率控制时，我们对系统中所有发电机的整体性能感兴趣，因此并不 考虑机间振荡和输电系统性能。策略上假定所有发电机对系统负荷变化的同调响应，并 把它们等值于一台机。这台等值机具有一个等于所有机组惯性常数之和的惯性常数，并 且有多个原动机的机械功率总和所驱动。同样，系统负荷影响集中于一个阻尼常数d ， 等值机速度代表了系统的频率，当用标幺值表示时二者相等。 考虑到现有的多数仿真模型把一个控制区域的不同种类的发电机组简化为一台，与 真实的情况有很大差距，且不利于a g c 控制策略的制定，本文把一个区域内的模型最大 程度的细化。常见的，一个区域当中可能既有火电机组，也有水电机组，既有参加二次 调频的机组，也有只参加一次调频的机组，本文在单区域模型中对它们都有所体现。对 于某种机组，以火电为例，又分为有再热和无再热。各机组都主要由调速器，原动机， 和发电机及负载环节组成。同一区域内不同机组的发电机输出的频率虽然会略有差异， 但一个区域对外所表现出的频率应该有一个统一值，所以在构建单区域模型时，把各种 机组原动机输出的机械功率变化量合成后，再作为该区域发电机总的输入来确定该区域 的频率变化量。 以一个控制区域包含三种不同机组，只有一次调频的最简化的示意如图4 1 3 。 图4 1 3 单个区域多机组一次调频示意图 f 塘4 1 3m 0 d e lo f o n ec o n 廿0 1a r e a c o n 乜i n st l l r e eu n 旭w i m 舶q u e n c ym o d u l 撕0 n 此外，在实际的仿真系统中，因为控制系统及动力系统的非线性元件表现出非线性 特性如饱和特性和死区特性等，在本文的仿真系统中也由相应的子模块实现。机组的速 度限制、容量限制等饱和非线性用m a t l a b 中已有的模块实现，只需根据系统元件的 特性设定好饱和时的上下限。而对于死区环节，m a t l a b 中的死区环节与我们想要得 到的结果不完全一致。当信号在死区范围内时应当输出的信号为零，此时m a t l a b 中 的死区模块输出与我们想要的结果一致，而当输入信号超过死区的大小时，m a