（电机与电器专业论文）电厂一次调频性能评价新指标的研究.pdf

电厂一次调1 y 性能新指标的研究 7 1 1 1 er e s e a r c ho nt h ec r i t e r i ao ft h ep r i m a r yf r e q u e n c yp e r f o r m a n c e a b s t r a c t p o w e r 黟i df r e q u e n c yp e d i o 彻a n c ei s o n eo ft h em a j o ri n d e x e si nt h ep o w e r 鲥d ， s u s t a i n i n gt h ew h o l ep o w e r 黟i df r e q u e n c ys t a b l em a k e si m p o n a n ts e n s e w h e nm u t i n ew o r k ， t h ef r e q u e n c ys h o u l db es u s t a i ni nt h es t r e t c ho f5 0 0 2 h z i ft h ef t e q u e n c y0 ft h ep o w e r 黟i d b i a so u to ft h es c a l e ，t h ec l i e n t 锄dt h eh o s te q u i p m e n t sm a yb ed a m a g e d ，f o re x a m p l ei tm a y c a u s et h ee n 西n ee x c e e do rb e l o wi sn o m a lr o t a t i o ns p e e d p r e v i o u s l y ， c a u s ea d o p t i n gr e i a t i v e l yu n d e v e l o p e das t a n d a r da n dc o n t a c tl i n ec o n t r o l m o d e l ，t oc o m p l ya s t a n d a r da v o i d i n gp o w e ri n v e i s er e g u l a t i o na n da c c i d e n t a le x c h a n g ef i n e e v e r yc o n t r o la r e au s u a l l yi g n o r e st h ep l a n t s p r i m a r yf t e q u e n c yr e g u l a t i o n ，a n dt h e r ea r en 0 s t a n d a r da n ds t i p u l a t i o n 1 j ：v e n0 u to ft h e r eo w ni n t e r e s tl o c k i n gt h ef h n c t i o no ft h ep r i m a r y f r e q u e n c yf e g u l a t i o n a st h ei m p l e m e n to ft h ec p ss t a n d a r d ，t h ec o n t a c tl i n ec o n t m lm o d e l b e 百n st oa d o p tt h ea d v a n c e dt b cm o d e l t h ep e r f o 咖a n c eo ft h ep r i m a r yf r e q u e n c y r e g u l a t i o n e v e r yc o n t r o l a r e a sb e 酉nt oe m p h a s i so nt h ep r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n p e r f b 珊a n c eo ft h ep l a n ti ni t t h er e s e a r c ho ft h ei n d e x e so ft h ep l a n t s p r i m a r yf r e q u e n c y r e g u l a t i o np e r f o 册a n c eb e 舀n st oh o tp o t s 、 i nt h ep r e v i o u sw o r k ，an e wc r i t e r i o nh a sb e e nd e p i c t e d t h ec r i t e r i o nd e p e n d so nt h e r e l a t i v es c a l eo ft h ef i l n c t i o n so ft h ef r e q u e n c yo ft h ep o w e rg r i da n dt h ep o w e r g e n e r a t e db y t h es p e c i f i cp o w e r p l a n tt oj u d g ei ft h ea c to ft h ep l a n t sb e n e f i t st h er e c o v e ro ft h ef r e q u e n c y o ft h ep o w e rg r i d n e wc r i t e r i o nh a st w oc h a r a c t e r s f i r s t ，t h i sc r i t e r i o ni sai n d e xb a s i n go n t h el o n gt e n na c c u m u l a t e dp r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o np e 响n n a n c ed a t a ；s e c o n d ，i tc a n r e n e c ta c c u r a t e l yt h es t a t u so ft h ep o w e ru n i t sa n dt h ep o w e r u n i t s r e g u l a t i o nc a p a c i t y 7 1 1 l es i m u l a t i o nb ym a t l a bi n d i c a t e dt h a tt h en e wi n d e x e sc r e a t e db yt h ep a p e r 【1 】i s e f j f e c t i v e s t i l l ，t op u tt h ei n d e xi n t or e a l i t yn e e d st os o l v es e v e r a lp r o b l e m s w h i c hi sa a r d u o u sc a u s ei nt h ep r o c e d u r e0 fa na ( ；cu n i te x e c u t ea ns e c o n d a r yf e g u l a t i o na c t u a l l yt h e p r i m a r ya n dt h es e c o n d a r yr e g u l a t i o ne x e c u t ec o m b i n e da n dt h ef i n a le x e c u t e ro ft h ea c ti st h e t 印o f t h eg a st u r b i n e ( t h ef u e lp l a n t ) t 1 l e s ep a p e r b a s e so nt h ea i m e dc u e so ft h es e c o n d a r y r e g u l a t i o no ft h eu n i t s ，w i t hs o m er e g u l a t i o n ，p u r s u eam e t h o dt og e tt h ep o w e ro ft h ep r i m a r y r e g u l a t i o n o nt h ea s p e c to ft h ed e t e r m i n a t i o no ft h em e a nt i m e ，t h i sp a p e re m p h a s i z eo nt h e s a m p l et i m eo ft h ep o w e ra n dt h ef r e q u e n c y ，d e l a yo ft h ef r e q u e n c ya n dt h eb a dd a t e o f s c a s y s t e mf i n a l l yt od e t e n _ 1 1 i n eaa p p r o p r i a t ev a l u e 大连理工人学硕十学位论文 k e yw o r d s ：p r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n ； c p s ；c o n n e c t e dp o w e rg r i d ； n e wc r i t e r i o n i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。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。 作者签名：吼屹日期：竺二量! 鱼：曼 大连理i ：人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 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：胡哆 导师签名： 型兰年月日 人连理上人学硕士学位论文 己l吉 jl 口 当前，电能已成为我们同常生活不可或缺的能源，国民经济的各个部门、人民的文 化和物质生活都离不开电能。电能生产的最大特点在于电能不能大量储存，电能的生产、 输送、分配和使用是在同一时刻完成的。在任何时刻，电力系统中电源发出的功率都等 于该时刻电力系统负荷和电能输送、分配过程中所消耗的功率之和。同时电力系统中的 过渡过程非常迅速，由于电力系统中的电和磁是相互联系在一起的，任何一处发生的电 磁变化过程，都会以光速传播而影响整个电力系统，因此电力系统故障的发生和发展以 及运行方式改变所用的时间都是十分短暂的，这就要求系统具有进行快速控制和快速排 除故障的能力，否则将危及整个电力系统的安全稳定运行。 电力系统的上述特点以及电力工业在国民经济中的地位和作用，对电力系统控制提 出了很高的要求。电力系统运行的根本目的是在保证电能质量符合标准的条件下，持续 不断地供给用户所需要的功率，维持电力系统的功率平衡，保证系统运行的经济性。 电力系统频率是电能的重要质量指标之一。电力系统频率偏离额定值过多，对电能 用户和电力系统的设备运行都将带来不利的影响。我国规定，正常运行时电力系统的频 率应当保持在5 0 o 2 h z 范围之内。当采用现代自动装置时，频率的偏差可不超过 o 0 5 0 1 5 h z 【1 ，2 1 。 维持电力系统频率在额定值，是靠控制系统内所有发电机组输入的功率总和等于系 统内所有用电设备在额定频率时所消耗的有功功率总和实现的，其中后者包括机组和电 网损耗。这种平衡一旦遭到破坏，电力系统的频率就会偏离额定值。为了维持频率稳定 在额定值，首先必须对未来一段时间内的系统负荷需求进行预测，并在此基础上安排发 电计划。随着负荷预测模型和算法的不断改进，以及负荷预测的体系的完善( 超短期一 短期一中期一长期) ，制定的日发电计划准确率可以达到9 0 以上。但是由于电力系 统的负荷功率是随机变化的，提前制定的发电计划和实际用电负荷之间总会存在一定的 偏差，这种偏差反应在电网上，将会使频率偏离额定值。为了弥补这种偏差，需要实时 控制发电机组跟踪负荷变化，因此电力系统运行中发电机组一次调频功能必须投入，以 减少频率偏差。 运行实际表明，互联电网控制性能评价a 标准具有诸多问题( 如：忽视频率变化影 响、a g c 机组调节频繁、易出现反调及不利于事故下系统相互支援等) ，而各机组为了 自身利益往往闭锁机组一次调节能力。而c p s 标准下联络线控制模式采用先进的t b c 模式，一次调节性能成为影响各控制区域c p s 评价指标好坏的主要因素之一，一次调节 作用发挥得好对控制区域c p s 指标的提高大有裨益。 电厂一次诃。1 7 性能新指标的研究 目前对发电机组一次调节性能的评价，虽有研究并提出了若干方法，但存在着一些 问题，应用效果差强人意。现有评价方法的主要弊端为评价发电机组的一次调节效果的 本质是考察发电机所作出的调节动作是否对系统频率恢复有利，仅考察发电机组调节的 具体指标( 如：一次调频投运率、一次调频贡献电量、最大调节量或平均调节量等) 难 以更具针对性和更为合理地评价。而且评价方法更多地关注一次调节的量( 一次调节电 量) ，而忽略一次调节的质( 一次调节对频率恢复所起的作用) ，难以f 确地对机组的 调节行为作出准确的评价。即发电机组能针对频率的偏离及时作出响应是不够的，该响 应还要对系统频率恢复有利。现有指标较少考虑发电机组的行为与频差间的相互关系， 所以不一定能准确地反映发电机组的一次调频效果。 基于以上情况，文献【1 】提出了一种新的评价指标。该指标依据电网频率和电厂功率 这两个随机变量之间的相关系数来定量分析调节是否对频率的恢复有利。这个新的考核 指标有如下的特点：第一，这是一种基于概率的用长期的实时数据累计反映机组一次调 频能力的指标；第二，它能正确反映发电机组的一次调频投切状态及调节能力。 通过m a t l a b 仿真表明，文献【1 1 所提出的新指标对发电机组的各项指标是有效的，然 而文献【1 】所提出的新指标尚有数个问题需要解决。本文着重解决其中的均值时间长度问 题和机组一次功率的获取问题。其中关于机组一次功率的获取由于机组在执行二次调节 时是一二次联合动作的，而且最终的动作执行者同为汽轮机的进气阀门( 火电机组的情 况) ，故一直是一个较难解决的问题。本文主要从机组二次调解的目标曲线出发，并做 出适当调整，得到所需的一次功率。在指标的均值时间长度方面主要是针对功率和频率 采样时间、频率的传输延时和s q 如a 系统的坏数据这三方面的影响，综合设定一个较 为合理的时间长度。 本文的主要工作为：深入研究一、二次调频的机理；分析新标准的各要素；拆分a g c 机组一二次功率和确认均值时间长度；通过m a t l a b 进行仿真验证。 火：迕理t 大学硕十学位论文 1电力系统频率调整 1 1电力系统频率控制的必要性 频率是衡量电能质量的一个重要指标，保证电力系统的频率合乎标准也是系统运行 调整的一项基本任务。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动机，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，因而严重的影响到产品的质量。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。频率降低时，异步电机和变 压器的励磁电流增大，无功功率损耗增加，这些都会使电力系统无功平衡和电压调整增 加困难【3 1 。 总之，由于所有设备都是按系统额定频率设计的，系统频率质量的下降将影响各行 各业，而频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电。 1 2 电力系统频率特性 造成电力系统频率波动的原因是发电机输入功率和输出功率之间的不平衡。输出功 率即是发电机所带负荷的功率。在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，而现代控制 技术的发展使得对原动机和调速器的控制技术相对成熟，因而原动机出力相对容易控 制；而电力系统的负荷功率包含相当部分的随机成分，所以难以控制，而这正是引起电 力系统频率波动的主要因素。将电力系统分成发电机组和系统负荷分别讨论它们的频率 特性对电力系统的频率控制有很大的帮助。 1 2 1 电力系统负荷的频率特性 当频率变化时，负荷的功率一般是要随系统的运行参数( 主要是电压和频率) 的变 化而变化的，反映这种变化规律的曲线或数学表达式称为负荷特性。负荷特性包括动态 特性和静态特性。动态特性反映电压和频率急剧变化时负荷功率随时间的变化。静态特 性则代表稳态下负荷功率与电压和频率的关系。当频率维持额定值不变时，负荷功率与 电压的关系称为负荷的电压静态特性。当负荷端电压维持额定值不变时，负荷功率与频 电厂一次凋：常性能新指标的研究 率的关系称为负荷的频率静态特性。各类用户的负荷特性依其用电设备的组成情况而不 同，一般是通过实测确定。系统处于运行稳态时，系统中有功负荷随频率的变化特性称 为负荷的静态频率特性。由于负荷的种类不同，负荷与频率的关系也不同。负荷的综合 静止频率特性可以用图1 1 的曲线来表剥剞。 图1 1有功负荷的静态频率特性 f i g 1 1s t a t i cf r e q u e n c yc h a f a c t e r i s t i co fa c t i v el o a d 由图1 1 可知，在额定频率瓜时，系统负荷取用的功率为。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： 蠡岛= t a n 口= 撕， ( 1 1 ) 的大小取决于系统负荷的组成，是不能够整定的。 负荷动态模型的建立综合，无论是物理模型还是数学模型，都包含制订模型结构和 确定模型参数这两个问题。综合负荷所代表的用电设备数量很大，分布很广，种类繁多， 其工作状态又带有随机性和时变性( 甚至是跃变性) ，联接各类用电设备的配电网的 结构也可能发生变化，由于上述种种情况，怎样才能建立一个既准确又实用的负荷模型， 至今仍未很好解决。 大连理t 大学硕十学位论文 1 2 2 同步发电机的频率特性 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，可以用图1 2 的曲线来表示，近似表示为一条直线【5 1 。分析可知， 图1 2 发电机组的功率一频率调节特性 f i g 1 2p o w e 卜f r e q u e n c ya d j u s tc h a r a c t e r i s t i co fg e n e r a t o ru n “ 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， 当负荷频率减少时，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： 尺= 一厂蛾一( 扣一向) ( p g 一，) ( 1 2 ) 调差系数的倒数称为发电机组的单位调节功率，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。 1 2 3 电力系统的频率特性 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化，同步发电机的调速器会自动控制和调整汽轮机的进汽量 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是与发电机组频率特性和负荷的频 率特性密切相关的。 1 3电力系统频率调节 电力系统的负荷是由三种不同变化规律的负荷分量组成的： 电厂一次调1 了性能新指标的研究 第一种负荷分量是变化周期在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。 第二种负荷分量是变化周期在1 0 秒到数分钟之间的负荷分量【剐。属于这类负荷的主 要有电炉、压延机械、电气机车等。 第三种负荷分量是变化缓慢的持续变动负荷。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。 通过对电力系统各种负荷分量变化规律的分析，有利于针对不同类型的负荷波动采 取不同的措施，来控制原动机功率和发电机电磁功率之间的不平衡，达到控制系统频率 的目的。 1 3 1 电力系统频率一次调节 电力系统频率的一次调节是指利用系统固有的负荷频率特性，以及发电机组的调速 器的作用，来阻止系统频率偏离标准的调节方式。 当电力系统中原动机功率或负荷功率发生变化时，必然引起电力系统频率的变化， 此时，存储在系统负荷( 如电动机等) 的电磁场和旋转质量中的能量会发生变化，以阻 止系统频率的变化，即当系统频率下降时，系统负荷会减少；当系统频率上升时，系统 负荷会增加。这种现象称为系统负荷的惯性作用，一般用负荷的频率调节效应系数( 又 称系统负荷阻尼常数) d 来计算1 7 j ： d = p 厂( m w h z ) ( 1 3 ) 式中：一系统频率变化值； p 一为系统频率变化引起的系统负荷变化。 系统负荷阻尼常数d 常用标幺值来表示，其典型值为1 2 d = 2 意味着1 的系统 频率变化会引起系统负荷2 的变化。 当电力系统频率发生变化时，系统中所有的发电机组的转速即发生变化，如转速的 变化超过发电机组规定的不灵敏区，该发电机组的调速器就会动作，改变其原动机的阀 门位置，调整原动机的功率，力求改善原动机功率或负荷功率的不平衡状况。亦即当系 统频率上升时，汽轮机的进汽阀门或水轮机的进水阀门的开度就会减小，减少原动机的 功率。原动机调速器的这种特性被称为发电机组的调差特性，通常用调差率6 来表示。 6 的计算如下： 6 = f ( 行。一刀) ，l 。1 1 0 0 ( 1 4 ) 大连理1 j 人学硕十学位论文 式中：n o 空载静念转速； 咒满载静态转速； 砒额定转速。 调差率6 的实际含义是，如6 = 5 ，则当系统频率变化5 时，将引起原动机阀门位置 变化1 0 0 【8 1 。 电力系统综合的一次调节特性是系统内所有发电机和负荷的一次调节特性之总和， 具有一次调节作用的电力系统模型下图所示 图1 3 具有一次调节作用的电力系统传递函数方框图 f i g 1 3b l o c kd i a g r a mo fp o w e rs y s t e mw i t hp r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n 从上图可以看出，由于具有一次调节作用的电力系统中存在发电机的转速( 即系统 频率) 的负反馈调整环节，将起到稳定系统频率的作用。 用系统频率特性图来分析一次调频过程如下图所示 电厂一次调：制生能新指标的研究 p 乃 尹一 图1 4 频率的一次调整 f i g 1 4p r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n 发电机组原动机的频率特性和负荷频率特性的交点就是系统的原始运行点，如上图 中点现设在点口运行时负荷突然增加厶尼口，即负荷的频率特性突然向上移动厶忍口，则 由于负荷突增时发电机组功率不能及时随之变动，机组将减速，系统频率将下降。而在 系统频率下降的同时，发电机组的功率将因它的调速器的一次调整作用而增大，负荷的 功率将因它本身的调节效应而减少。前者沿原动机的频率特性向上移动，后者沿负荷的 频率特性向下减少，经过一个衰减的振荡过程，抵达一新的平衡点，即图中点。 除了系统负荷固有的频率调节特性外，发电机组参与系统频率的一次调节，具有以 下特点： ( 1 ) 系统频率一次调节由原动机的调速系统实施，对系统频率变化的响应快，电力 系统综合的一次调节特性时间常数一般在1 0 3 0 s 之间。由于火力发电机组的一次调节 仅作用于原动机的进汽阀门位置，而未作用于火力发电机组的燃烧系统。当阀门开度增 大时，使锅炉中的蓄热暂时改变了原动机的功率，由于燃烧系统中的化学能量没有发生 变化，随着蓄热量的减少，原动机的功率又会回到原来的水平。因而，火力发电机组参 与系统频率一次调节的作用时间是短暂的。不同类型的火力发电机组，由于蓄热量的不 同，一次调节的作用时间为o 5 2 m i n 不等。 ( 2 ) 发电机组参与系统频率一次调节采用的调整方法是有差特性，其优点是所有机 组的调整只与一个参变量即与系统频率有关，机组之间相互影响小。但是，它不能实现 对系统频率的无差调整。 从电力系统频率一次调节的特点可知，它在频率调节中的作用有以下几点： 大连理t 大学硕十。学位论文 ( 1 ) 自动平衡电力系统的第一种负荷分量，即那些快速的，幅值较小的负荷随机波 动。 ( 2 ) 频率一次调节是控制系统频率的一种重要方式，但由于它的调节作用的衰减性 和调整的有差性，因此不能单独依靠它来调节系统频率。要实现频率的无差调整，必须 依靠频率的二次调节。 ( 3 ) 对异常情况下的负荷突变，系统频率的一次调节可以起某种缓冲作用。 1 3 2 电力系统频率二次调节 由于发电机组一次调节实行的频率是有差调节，因此早期的频率二次调节，是通过 控制发电机组调速系统的同步电机，改变发电机组的调差特性曲线的位置，实现频率的 无差调节。但此时并未实现对火力发电机组的燃烧系统的控制，为使原动机的功率和负 荷功率保持平衡，需要依靠人工调整原动机功率的基准值，达到改变原动机功率的目的。 随着科学技术的进步，火力发电机组普遍采用了协调控制系统，由自动控制来代替人工 进行此类操作。在现代化的电力系统中，各控制区常采用集中的计算机控制。这就是电 力系统频率的二次调节。 在单一电力系统中，系统频率的二次调节的方法笼统可分为有差调节和无差调节两 大类【叭。 电力系统频率的有差调节就是根据频率偏差的大小增减参与调频的各发电机组的 有功功率，其特点是： ( 1 ) 各调频机组同时参加有功功率调节，无先后之分； ( 2 ) 系统增减的计划外负荷在调频机组之间按一定的比例进行分配； ( 3 ) 调节稳定后的系统频率偏差较大。 电力系统的无差调节主要是通过对系统中参与调频的发电机组分别设置不同的比 例调节器、积分调节器及微分调节器的方法，在系统出现计划外的负荷时，通过调节各 调频机组的有功功率来使系统频率恢复到额定值。一般可分为主导发电机法、假有差法 和积差调节法。 用电力系统频率特性图分析二次调节如下1 1 0 】： 电厂一次调1 y 性能新指标的研究 图1 5 频率的二次调整 f i g 1 5s e c o n d a r y f r e q u e n c yr e g u l a ti o n 如前所述，频率的二次调整就是手动或自动地操作调频器使发电机组的频率特性平 行地上下移动，从而使负荷变动引起的频率偏移可保持在允许范围内。在上图中，如不 进行二次调整，则在负荷增大瓦口后，运行点将转移到，即频率将下降加1 ，功率将 增加为p d 。在一次调整的基础上进行二次调整就是在负荷变动引起的频率下降4 尸越 出允许范围时，操作调频器，增加发电机组发出的功率，使频率特性向上移动。设发电 机组增发厶p g d ，则运行点又将从点转移到矿。点纩对应的频率疡”，功率”，即 频率下降由于进行了二次调整由仅有一次调整时的厶厂。减少为厶厂，可以供应负荷的功 率则由仅有一次调整时的r 增加为尸d ”。显然，由于进行了二次调整，系统的运行质 量有了改善。 根据系统频率二次调节的实现方法，不难看出它具有以下特点： ( 1 ) 频率的二次调节，不论是采用分散的还是集中的调整方式，其作用均是对系 统频率实现无差调整。 ( 2 ) 在具有协调控制的火力发电机组中，由于受能量转换过程的时间限制，频率 二次调节对系统负荷变化的响应比一次调节要慢，它的响应时问一般需要1 2 m i n 。 ( 3 ) 在频率的二次调节中，对机组功率往往采用简单的比例分配方式，某些情况 下使发电机组偏离经济运行点。 根据电力系统频率二次调节的这些特点可知，其调节作用在于以下几点： 人连理1 ：人产硕士学位论文 ( 1 ) 由于系统频率二次调节的响应时问较慢，因而不能调整那些快速变化的负荷随 机波动，但它能有效地调整分钟级和更长周期的负荷波动。 ( 2 ) 频率二次调节的作用可以实现电力系统频率的无差调整。 ( 3 ) 由于响应时问的不同，频率二次调节不能代替频率一次调节的作用；而频率二 次调节的作用开始发挥的时间，与频率一次调节作用开始逐步失去的时间基本相当，因 此两者若在时间上配合好，对系统发生较大扰动时快速恢复系统频率相当重要。 ( 4 ) 频率二次调节带来的使发电机组偏离经济运行点的问题，需要由频率的三次调 节( 功率经济分配) 来解决；同时，集中的计算机控制也为频率的三次调节提供了有效 的闭环控制手段。 1 3 3 电力系统频率三次调节 电力系统频率三次调节亦称发电机组有功功率经济分配，其主要任务是经济、高效 地实施功率和负荷的平衡。频率三次调节要解决的问题包括以下几点【l l j ： ( 1 ) 以最低的开、停机成本( 费用) 安排机组组合，以适应同负荷的大幅度变化。 ( 2 ) 在发电机组之间经济地分配有功功率，使得发电成本( 费用) 最低。在地域广 阔的电力系统中，则需考虑发电成本( 发电费用) 和网损( 输电费用) 之和最低。 ( 3 ) 为预防电力系统故障时对负荷的影响，在发电机组之间合理地分配备用容量。 ( 4 ) 在互联电力系统中，通过调整控制区域之间的交换功率，在控制区之间经济地 分配负荷。 电力系统频率三次调节与频率一、二次调节不同，不仅要对实际负荷的变化做出反 应，更主要的是根据预计的负荷变化，对发电机组有功功率事先做出安排，三次调节不 仅要解决功率和负荷的平衡问题，还要考虑成本或费用的问题，需控制的参变量更多， 需要的数据更多，算法也更复杂，因此其执行周期不可能很短。 电力系统三次调节主要是针对一天中变化缓慢的持续变动负荷安排发电计划，在发 电功率偏离经济运行点时，对功率重新进行经济分配。其在频率控制中的作用主要是提 高控制的经济性。但是，发电计划安排的优劣对频率二次调节的品质有重大的影响，如 果发电计划与实际负荷的偏差较大，则频率二次调节所需的调节容量就越大，承担的压 力越重。 电厂一次调节性能新指标的研究 1 4 一次调节参数 1 4 1 调节死区 系统频率一直处在变动中，在一定范围内的频率变化系统是可以接受的。因此，在 规定的频率变化范围内，发电机组的一次调频功能可以不投入，以避免机组频繁动作。 所规定的发电机组可以不动作的某一频率变化范围即为发电机组的一次调节死区。根据 发电机组类型的不同，调节死区的要求范围也不一样： 电液型汽轮机调节控制系统的火电机组和燃机死区控制在0 0 3 3 h z 内； 机械液压调节控制系统的火电机组和燃机死区控制在0 1 h z 内； 水电机组死区控制在0 0 5 h z 内。 发电机组的调节死区，一方面可以避开电力系统频率幅度较小而又具有一定周期的 随机波动，减少调速系统的动作，减少阀门位置的变化，提高发电机组运行的稳定性； 同时也可满足电力系统正常运行中某些频率偏离额定值的需要( 如调整电力系统时间偏 差的需要) ；另一方面，由于死区的存在，在系统扰动情况下，频率和联络线功率振荡 的幅值和时间都将增加，将加重二次调频的负担。因此，合理设定发电机组调速系统死 区非常重要。 死区的设置必须在合理的范围内，如果死区设置太大，则机组一次调频反应慢，效 果不明显，形同虚设；如果设置太小，机组动作频繁，不利于机组的稳定运行，且会减 少机组的使用寿命。很多电厂为了自己的利益，将调频死区设置得很大，或者不投入一 次调频功能，这都是对系统的稳定不利的，应该杜绝这种情况发生。每个大区电网对发 电机组的一次调节死区都作了要求。 1 4 2 调差系数 调差系数也称调差率，在火电机组中称为转速不等率，它反映了同步发电机组输出 功率变化时相应的频率( 转速) 偏移【1 2 1 。 调差系数用d 来表示，调差系数的倒数称为发电机组的单位调节功率，即 = 1 d = 一p g ，( m w h z ) ( 1 5 ) 或用标么值表示为： = 1 办= 一p g 户 ( 1 6 ) 人连理工大学硕十位论文 发电机单位调节功率表示当频率下降或者上升1 h z 时发电机增发功率或减发功 率的值。负号表示发电机输出功率的变化和频率的变化方向相反。调差系数或相应的单 位调节功率的大小是可以整定的。调差系数越小( 或发电机组的单位调节功率越大) ，则 在同一频率变化时的发电机组的输出功率变化越大。但是，因受发电机组调速机构的限 制，机组的调差系数( 或发电机组单位调节功率) 有一定的限制范围，一般为1 1 3 j ： 汽轮发电机小= o 0 4 0 0 6 ，肠。= 2 5 1 6 7 水轮发电机办= 0 0 2 0 0 4 ，k g 。= 5 0 2 5 对承担基本负荷的机组，一般取其调差率大些，以希望电网频率的变化对其功率的 影响要小，保证机组在经济工况下长期运行，对承担尖峰负荷的机组，则取其调差系数 小些，在电网频率变化后希望多分担一些变动负荷。为了减少系统的频率波动，通常希 望调差率小一些。 根据国外电力系统的运行经验，相同类型、相同容量的机组的调差系数宜取得一致。 否则，当系统中有负荷波动时，相同类型、相同容量机组之间的功率变化量不一样，造 成同类型、同容量机组之间的不平衡，对系统的稳定、经济运行不利。因此，国外某些 电力系统，如北美电力系统可靠性协会部分区域协会就要求，在同一个交流互联的电力 系统中采用统一的机组调差系数。 1 4 3 最大负荷限幅 设置机组的最大负荷限幅，是保证系统频率变化较大时，不会导致发电机组出力剧 增而导致m f t 动作。根据机组容量不同，一般设置为机组额定出力的6 一1 0 。设 置得太小则调频能力太弱，一般水电机组没有限幅。 1 4 4 投用范围 机组投入一次调频的负荷范围为机组正常运行的可调范围，即机组在核定的最低和 最高负荷范围内均应投入一次调频。 1 4 5 响应行为 当电网频率变化超过机组一次调频死区时，机组应在1 5 秒内根据机组响应目标完全 响应。在电网频率变化超过机组一次调频死区时开始的4 5 秒内，机组实际出力与机组 响应目标偏差的平均值应在机组额定有功出力的3 内【1 4 j 。 1 5 一次调节的重要性 一次调频是相对于二次调频而言的。二次调频是指电网从宏观控制、经济运行及电 网交换功率控制等方面，向发电机组调速系统下达相应机组的目标功率值，从而实现电 电厂一次凋1 ，性能新指标的研究 网范围内的功率频率控制，此时调速器的目标给定值是被控机组的功率设定值。一次调 频是指电网频率发生变化时通过发电机组调速系统自身的负荷频率静态和动态特性对 电网进行控制。发电机组调速系统的一次调频功能就是指，在并网发电的状态下，如果 频率超过5 0h z 时，调速系统在没有接受上级设备下发新的定值的情况下，按照负荷频 率曲线进行负荷调整，自动下调一定的负荷；当频率低于5 0h z 时，调速系统在没有接受 上级设备下发新的定值的情况下，按照负荷频率曲线进行负荷调整，自动上调一定的负 荷。机组的一次调频功能对电网和机组的安全稳定运行有着极其重要的作用。 在a 标准下机组的一次调频功能往往闭锁，而现在广泛被采用的c p s 标准则相对重 视考核控制区域的一次调频性能。这就要求控制区域尽量提高其一次性能。而在电网失 去对机组具体控制权的厂网分离的情况下对控制区域内各个机组的一次性能评价就显 得尤为重要。 大连理一1 j 人。产硕士学位论文 2 现有的发电机组一次调频性能评价方式 2 1 现有的发电机组一次调频性能评价指标 机组的一次调频性能，是指电网频率发生偏离额定值的变化时，机组功率与电网频 率的相关性【1 5 】，传统上用汽轮机调速系统的速度变动率( 调差系数) 及迟缓率( 死区) 来表示【1 6 】。当频率偏差或转速偏差超过死区值时，一次调频方才开始动作。速度变动率 ( 调差系数) 反映一次调频动作的幅度，其值愈大，一次调频的功率变化愈小，反之就 愈大。以上两个指标反映的是发电机组的固有特性。要反映发电机组的调节性能，目前 国内主要用以下几个指标：一次调频投运率、一次调频贡献电量、一次调频效果、机组 在测试期间的最大调节量或平均调节量。 2 1 1 一次调频投运率 机组一次调频投切信号必须实时采集，接入s c a d a e m s 系统。机组控制系统可以通 过组态，以软开关形式将机组一次调频投切信号通过远程终端( r t u ) 送至省调 s c a d a e m s ，电力调度机构调度人员实时监视机组一次调频状态，e m s 系统则自动记录机 组一次调频投切时间，计算一次调频投运率并作为考核机组一次调频的依据之一l l 。 机组一次调频投运率( 月) 统计： 一次调频月投运率= ( 一次调频月投运时间机组月并网时间) l o o 若要统计每天或每年的一次调频投运率可以用相似的公式计算，只需将上面公式中 的相关月统计量改为相关日或相关年统计量即可。若要计算某电厂全厂的一次调频投运 率，将该厂内各机组的一次调频投运率求平均值即可。 发电企业应确保发电机组具备达到上述规定要求的一次调频能力，确保一次调频在 机组正常运行时投入和一次调频运行信号正确上传至电力调度机构e m s 主站系统。发电 企业对一次调频装置应进行定期维护，提高一次调频的投运率，使机组一次调频的月度 投运率不低于规定值【1 8 j 。 2 1 2 一次调频贡献电量 一次调频贡献电量计算程序根据电网频率，机组一次调频动作死区及机组一次调频 状态自动累计机组一次调频贡献电量。目前，华东电网机组一次调频死区按2 r m i n ( 0 0 3 3 h z ) 设置。 当系统频率偏差超过规定的范围( 0 0 3 3 h z ) 时，统计程序自动启动，以机组一 次调频死区点( o 0 3 3 h z ) 实际发电量p d 为基点，向后积分发电变化量，直至系统频 电厂一次调：书性能新指标的研究 率恢复到机组动作死区内。严格讲，若期间a g c 指令或机组发电计划使机组发电变化， 变化量中应减去机组以正常爬坡率尺变化的部分【1 9 1 。 即机组i 的一次调频积分电量凰为： f 1 麒= 罗( p t p o s 次f ( f f o ) ) r ( 2 1 ) f o 式中：f 口_ 系统频率超过机组f 一次调频动作死区的时刻； f 厂一系统频率进入机组f 一次调频动作死区的时刻； 肿时刻机组f 的实际发电量； 咖时刻机组f 的实际发电量；为该时段机组状念( 0 表示机组a g c 或计划指 令不调整负荷，1 表示机组正受a g c 或计划指令作用进行负荷调整) ； 冠一机组f 的平均爬坡速率； 卜一积分间隔，应不小于r t u 时间，考虑r t u 实际刷新周期，丁一般取5 s 。 算法流程如下图所示： 大连理t 人学硕十学位论文 图2 1 一次调频贡献电量算法流程图 f i g 2 1 崩t h m e t i cn o wc h a to fm o u n to ft h ep r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n 对髓符号规定：高频少发或低频多发电量为正，高频多发或低频少发电量为负。 为防止机组一次调频假投情况，将凰为负的积分电量( 对系统频率恢复起反作用) 乘 以一个惩罚系数k ( 炒1 ) 。 该考核程序实时运行于e m s ，自动记录机组一次调频功能的投切状态，每5 s 记录 一次系统频率和机组实际发电量，每小时统计各台机组一次调频贡献电量【2 0 ，2 1 1 ，贡献电 量分时段送电力市场考核程序，作为考核补偿依据。 2 1 3 一次调频效果 机组一次调频效果的考评，以机组在电网高频或低频期间的一次调频响应行为作为 考评标准，即：当电网频率超出机组频率控制死区时，并持续时间超过2 0 秒，一次调频 机组在4 5 秒内的实际变化部分的积分电量( $ r ) 占相应时间的机组一次调频理论计算 积分电量( q y ) 的比例作为考评机组一次调频的效果，计算公式为【2 2 j ： 电厂一次凋1 7 性能新指标的研究 删= $ y q y 1 0 0 ( 若删 0 ，则：蹦= 0 ) 式中：d 妊- 4 5 秒内机组一次调频的效果 $ r - 4 5 秒内机组一次调频的实际变化部分的积分电量 q ，r 相应时间的机组一次调频理论计算的积分电量 机组一次调频理论计算的积分电量计算方法如下： 9 y = s 【( 邢r 一脚) 3 6 0 0 】，t = 1 ，2 ，3 4 5 ； 式中：船r 电网频率超出控制死区时刻的机组初始实际出力 船卜从电网频率超出控制死区时刻起4 5 秒内机组实际出力 注：积分间隔时间为1 秒。