开题报告-水电机组一次调频试验研究.doc

西安理工大学硕士研究生学位论文选题报告 学 号 050815040671姓 名 谢 辉 平学 科 水利水电工程导 师 张江滨 教授日 期 2007年1月西安理工大学研究生部2007年1月填 表 说 明1 研究生应根据本表所提出的要点，在学院作选题报告，听取意见作修改后填写此表。2 本表须经学院批准，在作完开题报告后交学院研究生秘书，由研究生秘书收齐后，统一报研究生部培养科。选题报告简要内容（包括：1.综述 2.课题的主要目的及内容 3.预期效果 4.论文中新见解 5.课题的主要难点及解决办法)水电机组一次调频试验研究1 综述1.1 课题研究背景和意义1.1.1 电力系统的任务电力系统运行的主要任务之一就是对频率进行监视和控制，使其维持在50Hz附近的一个允许范围内。我国电力系统规定：频率应保持在50Hz，其偏差不得超过0.5Hz；对大容量系统不得超过0.2Hz。电网频率偏离额定值50Hz的原因是能源侧(水电、火电、核电等)的供电功率与负荷侧的用电功率之间的平衡被打破。负荷侧的用电功率是经常变化的，存在着变化周期为几秒至几十分钟的负荷波动，其幅值可达电力系统总容量的2%3%（在小系统或孤立系统负荷变化可能大于此值），而且是不可预见的【1】。此外，一天之内系统负荷有上午、晚上两个高峰和中午、深夜两个低谷，这种负荷变化是可以预见的，但其变化的速度是不可预见的。电力系统负荷的不断变化必然导致系统频率变化，因此必须根据电网频率偏离50Hz的方向和数值，实时地、在线地通过发电机组的调速系统和电网AGC系统调节能源侧的供电功率，以适应负荷侧用电功率的变化，达到电网发电与用电功率的平衡，从而使电网频率保持在50Hz附近的一个允许范围内。1.1.2 调速系统的任务在单机带负荷时调速器的主要任务是根据偏离机组频率（转速）额定值的偏差，调节水轮机导叶机构（或火电机组进汽门），维持机组出力与用电功率平衡，使机组频率保持在额定值附近的允许范围之内。这时调速器主要是一个机组频率调节器。现代发电机组的主要运行方式是并入大的区域电网运行，因此对机组调速系统的性能及功能提出了新的更严格的要求。随着电厂AGC系统、电网能量管理系统（EMS）日趋成熟，区域电网容量迅速加大且区域电网间实现联网存在功率交换。因此，电网的负荷频率控制（LFC，Load Frequence Control）是通过电网AGC系统和电厂AGC系统控制发电机组调速系统来实现的，调速器（系统）实际上是机组的功率控制器。因而，现代调速系统除了完成发电机组频率调节任务之外，还可以具有电网一次调频、二次调频和区域电网负荷频率控制（TBC，Tie-Line Bias Control）等附加的控制功能【2】。1.1.3 发电机组的一次调频和二次调频通过发电机组调速系统的自身负荷/频率静态特性和动态特性对电网频率产生影响，通常称之为一次调频，调速器的输入量是电网频率。一次调频是由发电机组调速系统的电网频率和机组功率的静态特性以及调节特性来实现的；完成电网二次调频的电网AGC系统，则是从电网的宏观控制、经济运行及电网交换功率控制等方面，向有关机组调速系统下达相应机组的目标(计划)功率值，从而实现电网范围内的功率/频率控制，调速器的输入量是被控机组功率设定值【2】，如图1所示。图1 机组调速系统一次/二次调频功能框图电网的一次调频是针对偏离了系统额定频率的频率偏差，按功率永态差值系数（调差系数）对机组进行功率控制的。它是将电网（机组）频率信号送入机组调速系统的频率输入端口，频率给定值与其比较形成频率偏差，调速系统根据这个偏差信号进行调节。它将频差变换为与成反比的机组频差调节功率。由于机组调速系统是一个有差调节，因而各机组调速系统共同完成的一次调频不可能完全弥补电网的功率差值，也不可能使电网频率恢复到额定频率附近的一个允许的范围内。为了进行电网机组负荷频率控制，使电网的功率差值得以弥补，使电网频率得以恢复，就必须采用电网的二次调频。其主要作用是：控制参加电网负荷频率控制的机组的目标功率值，根据电网功率差值和频率偏差计算出机组的新的目标功率值，并送至机组调速系统的目标功率输入口，使机组调速系统实现对新目标功率值的调节。当二次调频使电网实现了新的功率平衡、电网频率恢复到正常值时，机组调速系统实际上就在新的目标功率值确定的静态工作点上运行。系统负荷可以看作由以下3种具有不同变化规律的变动负荷所组成：第1种是变化幅度较小，变化周期较短(一般为10s以内)的随机负荷分量；第2种是变化幅度较大，变化周期较长(一般为10s到3min)的负荷分量，属于这类负荷的主要有电炉，轧钢机械等；第3种是变化缓慢的持续变动负荷，引起负荷变化的主要原因是工厂的作息制度，人们的生活规律等。一次调频所调节的主要是叠加在长周期变化分量上的短周期随机分量，二次调频所调节的是那些可预知的长周期变化量，且原动机的负荷调节速度是有限的，这就决定了电网一次调频具有随机性并表现出动态特性【13】。1.1.4 一次调频的现状和必要性发电机组的一次调频功能对维持电网频率的稳定至关重要，特别是对于那些快速调节机组所占比重小的电网尤为关键。若机组一次调频功能不能发挥其应有的作用，不仅是对电网中保证频率稳定的宝贵资源的浪费，而且仅靠自动发电控制（AGC）很难将电网频率控制水平进一步提高【8】。机组的一次调频能力与调速器的运行方式、机组功率调节的控制模式等都密切相关，但从很多实际情况和统计数据来看，调速器的一次调频参数普遍存在着设置不当或一次调频功能退出等问题【37】，严重制约机组一次调频功能有效发挥。从发生在电力系统中发生的一些事故中可以看出一次调频功能投入且一次调频参数设置正确的机组在电网发生事故时能极大地抑制事故的扩大保证电力系统的稳定性，反之，若机组没有一次调频功能或一次调频功能切除或一次调频参数设置不当，当电网发生事故是不但不能抑制事故还有可能导致事故的扩大和机组的解裂【37】。机组一次调频功能不投的原因有两种：一种是不了解一次调频的作用；另一种是认识上存在误区，认为“一次调频投入”会引起机组出力随频率的频繁波动。实际上，投入一次调频回路后，只要频率变化在整定的死区范围内机组出力是不会变化的，即一次调频功能只会在频率变化超出整定范围才动作。很多电厂机组一次调频存在频率死区设置太大的问题，这也是导致该动作而机组不动作的原因【5】。近几年电网针对其电网或网内部分机组进行了一次调频试验，但还只是处于探索阶段且大部分是火电机组，对水电机组则进行的很少，也没用统一的试验方法和试验导则可供参考。对一次调频性能的要求只是各电网根据自己的情况所制定的一些指标，且不同的电网所要求的性能指标不尽相同，而且其大部分考核规定只是处于试行阶段。所以我们有必要开展一次调频试验，找出与机组一次调频性能有影响的调速系统的因素。1.2 一次调频的相关技术要求一次调频是指当电网频率偏离额定值时，发电机组调节控制系统自动控制机组有功功率的增加(频率下降时)或减少(频率升高时)，以限制电网频率变化的特性。在国家电力监管委员会下发的电监市场200323号关于发电厂并网运行管理的意见中指出：机组调节系统的频率偏差死区、转速不等率和一次调频投人的机组负荷范围、负荷调节限制、响应速度等应满足电网的规定要求。(1) 国家电力调度通信中心对于并入电网运行的机组调速系统一次调频特性有下列要求：(功率)永态转差率(火电机组调速系统称速度变动率)ep=3%4%；频率(转速)死区Ej=0.033 Hz；响应特性：电网频率变化超过一次调频频率死区时，机组应在15 s内响应机组目标功率，在45s内机组实际功率与目标功率的功率偏差的平均值应在其额定功率的3%内，稳定时间应小于1min。对水电机组参与一次调频的负荷变化幅度不加限制。(2)西北网调直调发电企业并网运行管理考核细则中规定：网调直调发电机组必须参与一次调频。机组一次调频的基本性能指标要求：水电机组死区控制在0.05Hz内；水电机组转速不等率不大于3%；一次调频的投运范围为机组的核定出力；当电网频率变化超过机组一次调频死区时，机组应在30s内根据机组响应目标完全响应【16】。(3)陕西电网发电机组一次调频技术管理规定中对水电机组调速系统的主要技术要求：所有并入陕西电网运行且容量大于40MW的水电机组都必须具备并投入一次调频功能；人工频率死区控制在0.05Hz内；永态转差率不大于3；调速系统的转速死区小于0.04%；当电网频率变化达到一次调频动作值到机组负荷开始变化所需的时间为一次调频负荷响应滞后时间，应小于3秒；当电网频率变化越过机组一次调频死区时，机组应在15秒内对目标出力完全响应；在电网频率变化超过机组一次调频死区时开始的45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。1.3 电力系统仿真1.3.1 仿真简介电力系统仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关技术为基础，以计算机系统或应用有关的物理效应设备及仿真器为根据，利用模型对电力系统进行研究的一门多学科的综合性技术。电力系统涉及到电机学、自动控制理论、电力拖动、微型计算机技术和电力电子技术等学科的广泛应用。电力系统仿真过程：首先建立模型，然后进行模拟试验或数学模拟方程的计算，最后还要进行模拟结论的分析和误差估计。 对水轮机调节系统建立数学模型进行仿真，可以对其静态和动态特性进行经济、方便、直观、迅速的研究，许多在现场无法进行或不宜多次重复进行的试验，都可以利用模型对其仿真。但是，水轮机调节系统是一个复杂的、非线性的非最小相位系统，加之在建立数学模型的过程中，不可避免地忽略一些次要因素和对模型进行简化，要想用仿真准确地反映水轮机调节系统的实际过程并得到定量的结论是十分困难的。我们只能从定性的、比较的意义上对其进行仿真，为实际工作提供定性分析及决策支持；对于一些新的控制规律，也可以开展仿真工作，但是应充分认识其局限性，不要根据其结果轻易下结论，而且一定要采取理沦与实际相结合的科研方法，在工程实际中加以验证。1.3.2 仿真软件简介目前，电力系统仿真软件有很多，主要有EMTP(Electromagnetic Transients Program)仿真程序，德国西门子公司开发的NETOMAC软件，美国电力公司( PTI)开发的PSS/E ( Power System Simulator for Engineering) ，以及中国电力科学院的电力系统潮流，暂态稳定和短路电流计算的仿真软件PSASP，由能源部电力科学研究院引进、消化、吸收、开发而成的中国版BPA程序【16】和Mathworks公司开发的MATLAB。在科学研究和工程应用的建模中，MATLAB以其强大的计算功能、友好的动态仿真环境和丰富的越来越成为从事包括电力网络、电力电子和控制系统等的重要仿真工具。而且具有用户程序接口的功能，可与另外编写的C或FORTRAN程序联合运行。MATLAB还具有开放性，用户不但可设计全新的元件(包括元件的图形显示、所需参数、内部算法等)，并将其加入到元件库中，还可通过“Edit Mask”对已有元件的所有方面进行查看和修改【17】。特别是其SimPowerSystem(原称Power System BlocksetPSB)工具箱，是专门的用于电力系统仿真的工具箱，有很多电力系统仿真常用模块【18】。MATLAB使用状态变量的计算方法，仿真速度比较慢，但同时这种计算方法也使仿真非常细致，可以反映出很细微的变化【19】,有利于增加仿真的真实性。2 课题的主要目的及内容 2.1 研究目的水电机组一次调频有着投资少、实现方便、动作迅速，便于一次调频的深度调节等优点。但由于受自然条件的限制，水电站常有较长的压力引水管道，导水机构开关时会在压力过水管道内引起水击，因此引起反调，为了限制压力引水管道中水压最大变化值，必须限制导水机构的运动速度。 现代水轮机组调速系统存在多种不同的结构模式，调速器可以有多种运行模式，且水轮发电机组在不同的运行状态下其调速系统有不同的整定参数。目前国内生产的电液调速系统校正装置一般有两组整定值，大多数电站上一组参数按单机空载工况整定，稳定性较好；另一组按大电网并列运行工况整定，牺牲一定的稳定性，提高响应速度，两组参数可以根据发电机主开关状态自动切换。 由于机组的一次调频性能对电力系统的稳定性有很大的影响，而现在已开展的水电机组的一次调频试验还较少，缺少相关的标准供参考，没有可行的、有效的试验方法。本课题的目的就是通过对安康等水电机组一次调频试验的研究，找出水电机组一次调频试验可行的、有效的试验方法，得出机组一次调频性能与其调速系统结构、运行模式和调节参数之间的关系，为水电机组设置合理的一次调频参数，为相关标准的制定提供一个有效的参考。2.2 课题主要研究内容2.2.1 发电机组调速系统一次调频静态特性2. 2.2.1 电网(负荷)频率特性电网负荷在额定频率下的值会随着电网频率的变化而变化，且其变化的方向是抑制频率的变化。例如，频率增大时，额定频率下的原负荷值会增加，从而阻止频率的进一步增大；频率减小时，额定频率下的原负荷值会减小，从而阻止频率的进一步减小。负荷的这种随频率变化而变化的特性，通常称为电网(负荷)静态频率特性，因其对频率变化的抑制作用，也可称为电网(负荷)静态自调节特性。负荷的不同性质(电动机负荷、照明负荷等)及其不同的组合，将使电网有与之对应的静态频率特性。因此，静态频率特性也是随时变化的。这种特性常用电网(负荷)静态频率特性系数或电网(负荷)静态频率自调节系数来描述： （1）式中：为频率偏差相对量，为下的负荷变化相对量。其中，=0.52.0【2】。2.2.2.2 发电机组调速系统开环静特性分析一次调频特性时，认为二次调频不起作用，即取功给恒定。发电机组调速系统开环静特性即机组功率对机组频率偏差的特性，用相对值表示为： （2） 式中：为对应于频率偏差相对量的机组功率相对增量；为电网频率； 为电网频率相对值；为调速系统频率（转速）死区（绝对量）；为调速系统频率(转速)死区(相对量)；为调速系统(功率)调差系数(速度变动率)。用绝对值表示为： （3）式中：为对应于频率偏差的机组功率增量；为机组额定功率。2.2.2.3 发电机组调速系统闭环静特性发电机组调速系统闭环静特性即机组带孤立负荷，机组调速系统构成闭环时，机组功率/机组频率对负荷扰动的特性。稳定静态时，机组调速系统PID输入端必须为零，其充要条件为: （4）机组输入功率与机组频率差的静态关系为: （5）式中：为负荷扰动相对值；为在负荷扰动下的机组功率变化值；为在负荷扰动下的机组频率变化值；为频率死区相对值；为(功率)调差系数(速度变动率)；为机组、负荷频率特性系数(自调节系数)。2.2.2 一次调频的相关参数调速系统是电厂的重要控制设备，承担着机组的开、停机，负荷调整，转速调整等诸多任务。机组的一次调频的调节控制也由其来完成，机组调节过程的动、静态特性和调节品质与调速器各参数的设置与整定密切相关。近十几年来，国内调速器方面的技术和制造水平发展很快，新的调速器结构形式、控制模式、调节规律不断涌现。调速器可设定的主要调节参数有如下几种：调速器的人工死区、永态转差率、比例增益、积分增益、微分增益(或暂态转差系数、缓冲时间常数、加速度时间常数)等。这些调节参数的设置情况，直接影响到发电机组的一次调频能力，参数的不当设置很难使机组的一次调频发挥其应有的作用。其中永态转差率的大小关系到各台机组对系统变动负荷的调整能力，也即对系统频率的调整能力。此值越小，对系统的频率调节能力越强。当电站机组容量在系统中所占比重较大时，这一参数的设置将对电网的频率影响较大，采用微机调速器的机组都可对该参数进行设置。由于水轮机组的出力与水头有很大关系，若水头不同即使永态转差率相同机组的一次调频性能也会存在较大差别，所以对于水轮机组还必须考虑水头的影响。调速器人工频率死区的设置，可以在机组的调节静特性上人为地造成一个频率死区，当系统频率在死区内变化时，机组不随频率的变化进行调节，从而起着固定负荷的作用，这有利于机组稳定地担负基本负荷。当没有频率死区时，机组将实时的跟踪电网频率变化，有利于机组的调频。所以必须综合考虑人工频率死区的设置，若设置过小不利于机组的稳定，设置过大不利于机组一次调频功能的发挥。运行方式参数是调速器在电网系统发生频率大波动时运行模式的切换参数，即系统频率上升或下降到多少时进行调速系统的模式切换。这一参数在调速系统出厂时由厂家给定一默认值，而这个默认值充分考虑了机组在频率波动过大或过小时对机组的保护，但这是在机组与系统进行联网的情况下对机组所作的保护。如系统发生故障，电站机组在该电网中承担主要负荷时，系统的频率波动的调节将主要靠系统中容量较大的电站，此参数的设置将会显得十分重要。一次调频参数的设置与机组的稳定性密切相关，人工频率死区越大，调差系数越大，机组越稳定，但是对电网一次调频的贡献也越小，一次调频参数的设置应兼顾机组稳定性和一次调频快速响应的指标。加强并网机组调速系统及其有关参数的设置和管理，使其满足并网运行要求，是十分必要和迫切的，否则将在事故时对电网和机组安全运行造成极大威胁【14】。2.2.3 一次调频系统试验及仿真2.2.3.1 开环系统一次调频开环系统结构见图2。机组并入大电网运行，试验或仿真过程中认为电网频率恒定(在电网中，实际上是不可能的)。在调速系统中，从频率输入端产生一阶跃扰动，记录机组功率和频率(供分析参考)的动态过程波形。在电站运行现场，可以在电网较稳定的条件下，测试调速系统的一次频率调节开环特性。图2 一次调频开环系统结构2.2.3.2 闭环系统一次调频闭环系统结构见图3。机组带负荷并入电网运行，当负荷阶跃扰动时，记录机组频率和功率的动态过程波形。这是一个闭环调节过程，国家电力调度通信中心关于一次调频时对机组调速系统的技术要求就是指的这种工况。图3 一次调频闭环结构在现场进行这种一次调频闭环系统试验存在一定困难，因为被试验机组一般均并人大电网运行，如要进行负荷闭环扰动就要求电网能源侧出力或负荷侧的负荷产生较大的变化，这样就会对电网、机组或用电设备产生较大冲击。但可以建立仿真模型，如其开环频率调节特性与真机并网运行的频率调节开环特性一致，则可以用闭环仿真的方法检验真机的闭环调节特性【2】。3 预期效果 通过对安康等水电机组一次调频试验的研究，得出水电机组一次调频试验可行的、有效的试验方法，找出机组一次调频性能与其调速系统结构、运行模式和调节参数之间的关系，为水电机组设置合理的一次调频参数，为相关标准的制定提供一个有效的参考。通过对试验过程中使用过设备及测试程序的整理，编写出一次调频试验程序。建立数学模型对一次调频进行闭环和开环仿真，通过仿真分析机组的一次调频性能，使以后的试验可通过仿真分析相应的减少真机试验。4 论文中新见解人为的在机组频率输入端制造一频率偏差，考察机组对电网频率变化的响应。通过仪器发频模拟电网频率在负荷扰动时的变化，观察机组动作过程，考察机组一次调频性能。通过建立仿真数学模型，对试验过程进行仿真对比，并通过仿真分析在现场不便进行的试验。5 课题的主要难点及解决办法机组一次调频的性能是近几年才提出来的，还没有形成统一的测试方法也没有试验导则可参考，且一次调频试验开展的也不多，特别是对于水电机组来说是少之又少缺少确实可行的试验、分析方法可供参考。因此，可以参考各电网对其机组一次调频性能参数要求和已开展的相关工作所取得的成果，按测试该参数所需的试验项目进行测试。水轮机组调速系统设置的一般都是永太转差率而一次调频性能指标要求的相应参数是调差率，其中与水头有很大关系。可以在一定水头下试验同时记录机组频率、接力器行程与机组出力得出其三者之间的相应关系。机组真实的一次调频过程是负荷的闭环扰动，试验时不便于进行，可通过建立正确的仿真模型对其仿真或可在机组频率输入端输入一模拟一次调频时电网频率变化的频率信号以分析机组的真实一次调频性能。参考文献【1】沈祖诒.水轮机调节M.北京：中国水利水电出版社，1998【2】魏守平.水轮机控制工程M.武汉：华中科技大学出版社，2005【3】云南电力试验研究院自动化所.云南电业. J.2004，11：4041【4】高翔，高伏英，杨增辉. 华东电网因直流故障的频率事故分析. 电力系统自动化J.2006， vol.30(12)：102107【5】张毅明，罗承廉，孟远景，何南强. 河南电网频率响应及机组一次调频问题的分