汽轮发电机组一次调频性能的分析.pdf

汽轮发电机组一次调频性能的分析 竺 炜1 2 谭喜意2 唐颖杰2 周有庆1 1 湖南大学电气与信息工程学院 湖南省长沙市410082 2 长沙理工大学电气与信息工程学院 湖南省长沙市410076 摘要 数字电液调速系统投运后 一次调频效果不理想 主要问题是出现振荡和一次调频能力不 足 通过对功频调速控制机理分析 发现在电网侧发生突变扰动时 功率输出控制环节的动态调节 过程表现为前馈开环控制特点 而静态调节或以给定值主导调节时 则为闭环反馈控制特点 前馈 开环控制特性使一次调频初期出现 反调 并引发过程振荡 闭环控制特性则使一次调频静态调节 能力下降 仿真结果证明了定性和定量分析结果的正确性 分析结果为改进功频调速控制方法提 供了重要的借鉴和依据 关键词 功频调节 一次调频 前馈开环 反调 增益 中图分类号 TM764 收稿日期 2008207201 修回日期 2008209225 湖南省教育厅资助科研项目 04C092 0 引言 随着频率稳定问题的突出 美国电气与电子工 程师学会 IEEE 在2004年8月发表的电力系统稳 定性定义及分类 1 中增加了频率稳定性 充分发挥 发电机组一次调频功能 是维持电网频率稳定至关 重要的措施 近年来 国内虽然广泛采用数字式功频电液调 节系统 但某些机组一次调频效果并没有达到期望 要求 甚至不如老式机械液压式调速的机组 226 例 如 2005年10月25日托克托电厂机组全停事故发 生后 华北电网系统频率最低达到49 846 Hz 事 后发现 当时能够发挥一次调频功能的机组不超过 10台 其中只有2台电调机组一次调频功能正常发 挥了作用 当时网内机组一次调频总的贡献量不到 80 MW 不到理论动作值的1 10 一次调频作用远 没有发挥出来 3 当系统发生较大功率不平衡时 频率会迅速变化 引起低频减载动作 4 甚至引发系 统频率振荡 5 文献 226 认为 未能有效进行一次调频的原因 主要有2类 一类是机组数字液压调速系统中的一 次调频回路未投入 另一类是频率反馈校正回路中 的频率死区和幅度设置不合理 建议建立机组参与 一次调频的考核机制 合理修正频率死区 不等率和 幅度设置等参数 文献 728 研究了一次调频考核 体系中的测量及贡献补偿方法 以考核和激励电厂 参与一次调频 文献 9 研究了电网一次调频能力 的在线估计方法 但是 经修正频率死区 不等率和幅度设置等参 数后 一次调频功能投运或试验过程中仍然存在以 下代表性问题 主蒸汽参数波动 电液控制系统油管 路振动 汽轮机轴向位移大幅度变化和一次调频能 力不足等 10211 对这些问题的担心 使发电厂不愿 参与系统一次调频 更不愿让大型机组充分发挥一 次调频的作用 所以 分析这些问题的根本原因 对 改进数字液压调速系统设计 试验和运行方法 提高 电网频率稳定具有重大的现实意义 从热工角度 汽轮机控制的主要目的是控制汽 轮机输出功率和转子频率 使其跟随给定值 但从电 力系统角度 调频控制要求汽轮机功率须及时跟随 电网侧负荷的变化 因此 应从功频调速控制机理 方面仔细分析 找出一次调频问题的原因 1 功频调速控制和一次调频特性机理分析 1 1 功频调速控制的机理分析 汽轮机功频调速系统包括电调和液动放大2部 分 其中 电调部分包括测功 测频 给定和PID单 元 液动放大部分包括滑阀和油动机 它们之间由电 液转换器相连 12 近代高参数大容量机组普遍采用单元制中间再 热 蒸汽储备能力下降使汽压容易波动 另外 随着 中 低压缸功率在迟滞较长时间 4 s 11 s 内发生 变化 总机械功率也发生变化 因此 为使汽轮机输 出功率能准确快速地跟随给定值 功频调速控制增 加了输出功率负反馈 结合前馈PID校正 实现功 率闭环控制 13 系统结构如图1所示 14 25 第32卷 第24期 2008年12月25日 Vol 32 No 24 Dec 25 2008 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图1 功频调速控制系统 机械功率反馈 Fig 1 Power2frequency speed regulating control system mechanical power feedback 可将汽轮机调速控制系统分为功率给定 PVS 环节和功率输出控制 POC 环节 相对POC环节 一次调频和二次调频仅仅是功率偏差的给定方式不 同 而功率跟随控制是相同的 但是 由于现实中汽轮机机械功率测量困难 一 般采用Pe信号代替Pm信号 所以 实际POC环 节见图2 图2 功频调速控制系统 有功功率前馈 Fig 2 Power2frequency speed regulating control system active power feedforw ard Pe和Pm只在静态时才可认为是相等的 而在 电网侧负荷扰动初期和转速 频率 调节过程中是不 等的 Pe受Pm和电网负荷的影响 跟随变化较快 而Pm因受锅炉汽机的安全性限制变化较缓慢 当 转速稳定或变化率很小时 Pe和Pm相等或近似相 等 功率输出控制方式近似负反馈闭环控制 当转速 不稳定时 Pe和Pm不相等 POC环节变成了开环 前馈控制 并增加前馈输入量 Pe 所以 二次调 频时 实际POC环节主要呈功率负反馈闭环控制特 点 一次调频初期和过程中 呈开环前馈控制特点 一次调频结束或转速接近稳定时 呈闭环控制特点 1 2 一次调频 反调 及振荡的机理分析 在电网侧发生负荷波动 使Pe立即改变 POC 环节变成了开环前馈控制 图2中 转子运动方程为 2H 0 d m dt Tm Te 1 式中 H为转子惯量 0为初始转速 m为转速增 量 Tm为机械力矩 Te为电磁力矩 令Pm0 Pe0 Pm Pm0 Pm Pe Pe0 Pe 当转速变化不大时 近似为 m t 0 Pm Pe 2H dt 2 m 1 2H t 0 Pm Pe d t 3 设 P 为开环前馈控制的功率给定值总偏差 则有 P Pe 1 2H t 0 Pm Pe d t 4 当 P Pe 0时 汽门就恢复 正调 而在扰 动瞬间 因 m 0 P Pe 所以汽门一定会 出现 反调 假设 Pe为阶跃函数 在扰动初期 Pm 值远 小于 Pe 近似有 m 1 2H t 0 P edt 5 P Pe 1 2H t 0 P edt 6 令 P 0 则扰动初期的反调时间近似为 t 2H 7 在电网侧负荷扰动初期 汽门 反调 使 Pm 与 Pe反向 对机械功率输出控制有启振作用 进 而使转速迅速变化并开始振荡 1 3 一次调频能力的机理分析 图2中 当一次调频稳定或接近稳定时 Pe Pm 或近似相等 功频调节的POC环节又恢复功 率闭环控制 而如果只有单纯的频率反馈调节 则 POC环节是开环方式 其开环传递函数为 GO KP KI TIs KDs TDs 1 GeGsGT 8 式中 KP KI KD分别为比例 积分 微分环节的增 益 TI TD分别为积分和微分时间常数 因为实际系统的开环限幅作用 积分环节可用 一阶惯性环节代替 故有 GO KP KI TIs 1 KDs TDs 1 GeGsGT 9 闭环传递函数为 GC KP KI TIs 1 KDs TDs 1 GeGsGT 1 KP Kf TIs 1 KDs TDs 1 GeGsGT 10 由终值定理可求得稳态增益为 KO lim s 0 s GO 1 s KP KI K eKsKT 11 KC lim s 0 s GC 1 s K P KI K eKsKT 1 KP KI K eKsKT 12 式中 KO KC分别为开环和闭环增益 Ke Ks KT 分别为Ge Gs GT的增益 一般都为1 KP KI是比 35 研制与开发 竺 炜 等 汽轮发电机组一次调频性能的分析 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 例 积分环节的增益 一般KP KI 所以 KC KO 1 1 KP 13 可见 闭环增益远小于开环增益 所以 当不等 率和频差相等时 功频调节控制相比频率调节控制 输出的机械功率增量要小很多 这就是功频调速控 制静态一次调频能力不足的主要原因 2 仿真结果及分析 功频调速器模型 13 如图3所示 汽轮机采用3 阶模型 13 Pm 1 1 TCHs f1 1 1 TRHs f2 f3 1 TCOs 14 式中 TCH 0 2 s TRH 8 s TCO 0 5 s f1 f2 f3 0 3 0 4 0 3 图3 功频调速器模型 Fig 3 Model of power2frequency governor 2 1 反调现象及对一次调频动态特性的影响 假设机端有功负荷在50 s时发生 10 的阶 跃 仿真比较图1和图2 结果见图4 图6 图4 汽门开度特性 Fig 4 Characteristics of steam valve 图5 汽轮机机械功率输出特性 Fig 5 Characteristics of steam turbine mechanical power 图6 转子频率特性 Fig 6 Characteristics of rotor frequency 可见 当机端电网侧负荷突变 在 Pe的前馈 作用下 汽门出现 反调 并由此产生振荡 见图4 引起Pm 反调 和振荡 见图5 使机组转子频率迅 速下跌和振荡 见图 6 文献 10 描述的现象分析 汽门开度的振荡 表 明油动机频繁动作 可使电液控制系统油管路振动 汽门的 反调 和开度振荡 使主蒸汽压力产生脉动 和波动 汽门的 反调 使开度的最大脉动幅度达到 稳态增幅的10倍以上 实际因幅度和变化率限制会 小一些 最大脉动蒸汽增量产生的巨大轴向力会使 汽轮机轴向位移大幅度变化 文献 11 描述的现象分析 产生的最大脉动蒸 汽增量在高压汽缸内 沿转子圆周方向产生巨大的 脉动力矩 引起高压汽缸转子轴承1号 2号瓦振动 突然增大 现场测定振荡持续时间约2 s 与图4 图5的曲线十分吻合 2 2 一次调频静态调节能力的仿真分析 假设机端有功负荷在20 s时发生 10 的阶 跃 采用功频调节 包括有功功率反馈方式和机械 功率反馈方式 和频率调节的一次调频静态调节能 力见图7 图7 一次调频静态调节能力 Fig 7 Static ability primary frequency regulation 由图7可见 采用有功功率反馈和机械功率反 馈的功频调节 静态一次调频能力是一致的 在不等率和开环增益都相同的情况下 功频调 节方式和频率调节方式的静态频率偏差比为 0 03 0 28 约等于1 1 KP 表明功频调节方式 45 2008 32 24 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 的一次调频能力严重不足 这符合文献 226 及文 献 10 描述的现象 并与文献 3 所述的理论动作值 的1 10相吻合 3 改进建议 3 1 一次调频控制方式的改进 功率反馈对二次调频或功率跟随控制的稳定性 和准确性有良好作用 只是由于Pm测量困难 才 引入Pe信号 且不改变一次调频的静态特性 但是 在一次调频动作的最初瞬间 引入Pe信 号的调节 会造成汽门 反调 虽然实际数字电液 调速系统不尽相同 但 反调 现象是原理性的 与 PID参数基本无关 反调 会加速机组转速变化 并引发振荡 对系统频率稳定非常不利 为此 可通 过电功率和转速的变化关系判断 施加附加控制 以 抵消 反调 作用 3 2 一次调频试验方式的改进 目前 功频调节的汽轮机组一次调频特性的试 验 仍借鉴机械液压式机组的试验方式 一般是给 定转差信号后 检测机组功率调节情况 而这种试 验从原理上与功频调节是不符的 由于系统扰动先 造成发电机有功功率的变化 然后因机电功率不平 衡才引起转速变化 而且 转子较大的惯性 不平衡 功率经过一定时间积分后 才会使转速差超过死区 而被反馈 所以 该试验无法检测功率调节对一次 调频特性的影响 进而无法真正检测功频调节的一 次调频动态特性 所以 应增加发电机机端有功功率扰动试验 给定电功率偏差信号后 检测机组实际电功率调节 的情况 4 结论 功频调速控制回路可分为2个环节 PVS环节 和POC环节 通过机理分析和仿真分析 得到如下 结论 1 静态调节 汽轮机POC环节相当于闭环跟随 控制 动态调节则是开环前馈控制 2 二次调频时 汽轮机功率输出控制效果呈闭 环跟随控制特点 3 一次调频动态过程中 POC环节呈开环前馈 特性 且会造成汽门 机械功率初期的 反调 和过程 振荡 由此引起主蒸汽参数波动 电液控制系统油 管路振动 汽轮机轴向位移大幅度变化和圆周方向 的突振 4 一次调频稳定或接近稳定时 POC环节又恢 复闭环控制 由于闭环增益远小于开环增益 功频 调速控制的静态一次调频能力不足 参 考 文 献 1 KUNDUR P PASERBA J AJJARAPU V et al Definition and classification of power system stability IEEE Trans on Power Systems 2004 19 3 138721401 2 魏路平 浙江电网机组一次调频问题的分析研究 浙江电力 2004 23 1 26228 WEI Luping Analysisandstudyonthegenerators performance of primary frequency modulation in Zhejiang power pool Zhejiang Power 2004 23 1 26228 3 王玉山 雷为民 李胜 京津唐电网一次调频投入现状及存在问 题分析 华北电力技术 2006 9 3 1210 WANG Yushan LEI Weimin LI Sheng Actuality and problem analyse on primary frequency modulation of Jingjintang power network Northern China Electric Technology 2006 9 3 1210 4 宋军英 周勇 黄良刚 等 湖南电网发电机组一次调频功能投入 的研究 湖南电力 2006 26 4 123 SONG Junying ZHOUYong HUANG Lianggang et al Primary frequency regulation of generating units inHunan power grid Hunan Power 2006 26 4 123 5 黄宗君 李兴源 晁剑 等 贵阳南部电网 7 7 事故的仿真反演 和分析 电力系统自动化 2007 31 9 952100 HUANG Zongjun LI Xingyuan CHAO Jian et al Guiyang south grid 7 7 faults simulation and analysis Automation of Electric Power Systems 2007 31 9 952100 6 张毅明 罗承廉 孟远景 等 河南电网频率响应及机组一次调频 问题的分析研究 中国电力 2002 35 7 35238 ZHANG Yiming LUO Chenglian MENG Yuanjing et al Analysisonfrequencyresponseandprimaryfrequency regulation of generator units in Henan power system China Power 2002 35 7 35238 7 李端超 陈实 陈中元 等 发电机组一次调频调节效能实时测定 及补偿方法 电力系统自动化 2004 28 2 70272 LI Duanchao CHEN Shi CHEN Zhongyuan et al Real2time measurement and reward method of the efficiency of generator unitprimary frequencyregulation Automation ofElectric Power Systems 2004 28 2 70272 8 杨建华 华中电网一次调频考核系统的研究与开发 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Hubei Province Wuhan 430077 China Abstract A platform is designed that combines CoroCAM with the virtual instrument programming environment Labview 8 0 for evaluating and analyzing the development of corona discharges With an appropriate algorithm and flowchart for digital image processing the area percentage of the UV image within the discharging region is defined as the characterizing parameter of quantifying the intensity of corona discharge by processing the UV video of corona discharge recorded in real time Under the approximate standard atmospheric ambient a study is made on corona discharge under the power frequency voltage of the rod2 plane gap based on the UV digital image processing The results show that the flowchart of the digital image processing proposed can reproduce the images observed by the UV camera so as to guarantee the validity of the quantifying parameter of corona discharge the characterizing parameter can distinctly reflect the corona discharge developing stages the law of the UV imaging of corona discharge attenuating with the observation distance is obtained the standard conversion method the criterion for the UV imaging detection of corona discharge is proposed This work is supported by State Grid Corporation of China and Electric Power Company of Hubei Province Key words UV imaging technology digital image processing rod2plane gap power frequency voltage corona discharge 上接第55页 continued from page 55 11 高峰 孔明 徐晓峰 一次调频引发的机组振动分析处理 华东 电力 2005 33 2 63265 GAO Feng KONG Ming XU Xiaofeng Analysis of turbo2 generatorunitvibrationcausedbyprimaryfrequency modulation and the treatment Eastern China Power 2005 33 2 63265 12 朱北恒 火电厂热工自动化系统试验 北京 中国电力出版社 2006 13 倪以信 陈寿孙 张宝霖 动态电力系统的理论和分析 北京 清 华大学出版社 2002 14 王剑 毛宗源 许敬涛 发电机励磁及调速综合控制可行性分 析 中国电机工程学报 2006 26 13 74278 WANG Jian MAO Zongyuan XU Jingtao A feasibility analysis ofintegratedgeneratorexcitationandgoverning control Proceedings of the CSEE 2006 26 13 74278 竺 炜 1968 男 通信作者 博士研究生 副教授 主 要研究方向 电力系统稳定控制 E2mail zhu8911 yahoo com cn 谭喜意 1981 男 硕士研究生 主要研究方向 电力 系统稳定控制 唐颖杰 1982 男 硕士研究生 主要研究方向 电力 系统稳定控制 周有庆 1944 男 教授 博士生导师 主要研究方向 电力系统继电保护与自动化 Analysis and Research on Primary Frequency Modulation of the Turbine Generation Unit Z HU Wei1 2 TA N Xiyi2 TA N G Yingjie2 Z HOU Youqing1 1 Hunan University Changsha 410082 China 2 Changsha University of Science and Technology Changsha 410076 China Abstract After implementation of a digital electro2hydraulic DEH cont