CN105743107A - 一种电力孤网***频率调节的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力孤网***频率调节的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、根据电网要求，设置永态转差系数bp、PID参数、调频死区0.05Hz和调取调频模块的频率范围±0.05Hz?±θHz，θ为大于0.05的正数；步骤2、调速器检测当前机组频率；步骤3、求取检测到的当前机组频率与额定频率50Hz之间的差值Δf；步骤4、根据频差Δf的数值范围进行调节。解决电力***尤其是孤网***的频率控制误差大、精度差和不稳定问题，从而达到电网频率的精准、稳定控制，保障了电力***的电能质量，防止电网事故扩大化，实现事故电网快速恢复。

Description

一种电力孤网***频率调节的控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力孤网***频率调节的控制方法。

背景技术

国内电力***，无论大网、小网或孤网，电网调频的常规手段通常有两点：一是通过检测频率的波动，借助大数据量的功率负荷统计，通过专用调频模型，电力调度对各电厂进行负荷设定，各电厂根据设定的负荷曲线(数据)进行调整有功，从而进行***的频率调整，但仅依据该调整方法不能满足频率的控制要求；二是针对频率的小波动调节，在发电机组调速器中，控制环节采用调差公式进行调频，该公式是频率和机组开度(有功)的变动关系，但该公式无法克服固有静态频差，无法达到频率的精准控制，且会引起***频率的震荡。

对于孤网***，电压和频率的波动范围较大，受负荷运行的影响较为明显。由于其容量较小，其中旋转惯量储存的动能小，故要求机组的调速***具有更高的灵敏度、更小的迟缓率和更快的动态响应。

目前电力***频率调节方式采用的都是调差公式，简化如下：公式中，分子Δf/50为频差的百分比(％)，分母bp为永态转差系数。Δy为导叶开度(％)，其决定着水轮机(或汽轮机)的输入能量。

业内，调速器bp设定在3％-8％之间，一般设定为4％或6％。由公式可见：bp设置的越大，导叶开度对频率变化的调节量就越小，调频效果越不明显，静态误差越大；bp设置的过小，导叶开度对频率变化的调节量就越大，但容易引起频率振荡。bp设置的准确性、正确性很难确定，且不易得到验证。

该调差公式，对水轮机(或汽轮机)调节器控制装置而言，是检测频率偏差，然后对频差进行一个简单的线性计算，高频时产生一个负向开度，以降低原动机(水轮机或汽轮机)能量，减低频率；低频产生一个正向开度，增加能量，提高转速。机频在死区以内时，导叶开度又复归到原给定数值，频率会产生二次波动，调节器再次循环如上调整。其存在下述不足：

第一、国内采用调差公式进行调频，该公式仅仅是频率和导叶开度的一个简单的比例关系，频率和导叶之间的内联系没有体现，无法达到频率的精准控制；

第二、国内bp一般设定为4％或6％，该数值没有经过严密的数学推导，而是经验参数，只是借鉴前苏联，有失科学性，而且该参数没有根据不同的电网结构进行相应变动，采用该参数无法实现***的频率最优控制；

第三、业内采用调差公式进行调节，频率回到死区内，电力***稳定后，由于bp的负反馈作用，导叶开度会返回到动作前的开度，这种复归会引起频率的二次震荡和调节器的二次调节，若无人为干涉，会循环周期性调节，***频率稳定性差。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种电力孤网***频率调节的控制方法，解决电力***尤其是孤网***的频率控制误差大、精度差和不稳定问题，从而达到电网频率的精准、稳定控制，保障了电力***的电能质量，防止电网事故扩大化，实现事故电网快速恢复。

名称解释：

孤网***：即孤立运行的小网，一个本地电力***或若干个本地电力***经公共连接点联结，且和其余电力***在电气上分离的一种电网运行状态，亦包括特例：几台机组并列运行、单机带负荷和甩负荷带厂用电。

水轮机调节器：检测水轮机转速，产生与转速偏差成比例的信号，并向水轮机主接力器产生相应的液压控制输出。

空载开度：机组达到额定转速后投入电网的瞬间，导叶所达到的开度。

永态转差系数bp：缓冲装置衰减后，在稳态时的转差系数。而转差系数即为调速***静态特性曲线上，某一规定运行点处斜率的负数。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种电力孤网***频率调节的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据电网要求，设置永态转差系数bp、PID参数、调频死区0.05Hz和调取调频模块的频率范围±0.05Hz-±θHz，θ为大于0.05的正数；

步骤2、调速器检测当前机组频率；

步骤3、求取检测到的当前机组频率与额定频率50Hz之间的差值Δf；

步骤4、根据频差Δf的数值范围进行调节，具体如下：

A、若频差Δf的绝对值大于调频死区0.05Hz且小于θHz，则调速器调取调频模块，采用调频公式对机组出力进行调节；

式中，Δa为导叶开度变化量，a为导叶空载开度，f₀为导叶空载开度a下对应的***频率，f₁为变动后的频率；

B、若频差Δf的绝对值大于θHz，则调速器采用PID控制和调差公式对机组出力进行调节；

式中，Δy为导叶开度，Δf/50为频差的百分比；

C、若频差Δf的绝对值小于调频死区0.05Hz，则调速器退出调频模式。

优选，θ＝0.1，在实际应用中，根据不同电站的实际运行条件，θ是可调的，不一定是0.1Hz。

其中，若频差Δf的绝对值大于0.1Hz，则调速器采用PID控制和调差公式对机组出力进行调节，当频差Δf的绝对值逐渐变小到0.05Hz-0.1Hz时，则调速器调取调频模块，采用调频公式对机组出力进行调节。

依据发电机组出力特性结合定轴转动能量原理，发明了一种适应于孤网***的频率调节方法，主要核心是通过水轮机(或汽轮机)调节器，内部调取一种新的调频公式从而达到频率的精准控制，该公式揭示了频率和机组导叶开度的关系，并在现场水电厂发电机组运行中得到了验证。

本发明的有益效果是：

1、本发明的新调频公式表征了频率和导叶开度的内在联系；

2、此公式简单、清晰，容易通过编程手段嵌入到原动机调节器控制模型内，理论转换成应用的难度很小。

3、具有该公式的原动机调节器，可以通过检测频率波动，然后根据该公式计算，得出对应的导叶开度(或喷嘴)变化量，该变量通过执行机构再去作用到发电机组的输入能量，从而达到精准控制***频率的目的。

4、实现了电网频率的精准、稳定控制，保障了电力***的电能质量，防止电网事故扩大化，实现事故电网快速恢复。

附图说明

图1是本发明调速器频率控制策略的示意图；

图2是本发明发电机组转动体的转矩平衡的示意图；

图3是本发明小湾水电站2#机组50Hz-52Hz调节扰动曲线图；

图4是本发明小湾水电站2#机组52Hz-50Hz调节扰动曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种电力孤网***频率调节的控制方法，包括如下步骤：

步骤1、根据电网要求，设置永态转差系数bp、PID参数、调频死区0.05Hz和调取调频模块的频率范围±0.05Hz-±θHz，θ为大于0.05的正数；

步骤2、调速器检测当前机组频率，孤网***发电态模式下机组频率数值等于电网频率数值；

步骤3、求取检测到的当前机组频率与额定频率50Hz之间的差值Δf；

步骤4、根据频差Δf的数值范围进行调节，具体如下：

A、若频差Δf的绝对值大于调频死区0.05Hz且小于θHz，则调速器调取调频模块，采用调频公式对机组出力进行调节，平衡***有功和负载，进而调节电网频率，使其稳定到额定频率50Hz；

式中，Δa为导叶开度变化量，a为导叶空载开度，f₀为导叶空载开度a下对应的***频率，f₁为变动后的频率；

B、若频差Δf的绝对值大于θHz，则调速器采用PID控制和调差公式对机组出力进行调节；

式中，Δy为导叶开度，Δf/50为频差的百分比；

C、若频差Δf的绝对值小于调频死区0.05Hz，则调速器退出调频模式。

优选，θ＝0.1。其中，若频差Δf的绝对值大于0.1Hz，则调速器采用PID控制和调差公式对机组出力进行调节，当频差Δf的绝对值逐渐变小到0.05Hz-0.1Hz时，则调速器调取调频模块，采用调频公式对机组出力进行调节。在实际应用中，根据不同电站的实际运行条件，θ是可调的，不一定是0.1Hz。

如图1所示，调速器是电力***频率控制的核心设备，调速***由三个部分组成，电气控制部分、液压执行部分和发电机组频率反馈单元。该模型具备常规频率PID控制的功能，通过检测频率给定(50Hz)和频率反馈的偏差，然后对偏差进行PID计算，输出导叶开度给定，然后对导叶开度进行控制，进而改变机组出力，这样就会调节电力***中发出的有功和用电负载之间的平衡关系，使得***频率维持在合理范围内。

为了达到频率的精准控制，增加了新的调频模块，该模块以新调频公式为手段，摒弃了常规的PID闭环计算，而是采用直接对频率本身计算的方法，从理论上，精准推算出需要调节的导叶开度量，从而去有的放矢地动作导叶，由于该导叶开度和频率存在必然的内在联系，所以可以达到频率的精准、快速控制。该模型在±0.05Hz-±0.1Hz频率范围调取，在±0.1Hz之外，采用常规的调差方式。

调频公式的推导过程如下：

水轮发电机组的发电运转可认为在惯性系下的是刚体定轴转动，其转动动能可表示为：

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{J\ω}}^2---\left(1\right)$

式中，J是机组的转动惯量，其数值取决于机组的结构和质量，为定值；ω为机组角速度，ω＝2πn，n为转速。

根据能量守恒原理分析，如果整个电力***频率降低，意味着机组发出有功不够，若***中原动机调节器不调节，***的自平衡能力会使得机组转速降低，节省出能量来弥补功率负荷缺口。如果每台机组及时将机组降低的旋转动能，通过各自的调节器输入能量(与导叶开度成正比，等效驱动力矩TP)及时给予准确补偿，就能达到***频率的迅速恢复。下面计算推导也是基于这个根本思想。

根据戴维南定理，将电网所有发电机组等效为一台机组，此时可以将电力***看作单机带负荷这种形式进行考虑，机组转动动能和输入能量呈现一种孤立平衡，意即一个稳定的能量输入对应一个稳定的机组转速。如图2所示，该台机组出力大小直接影响***频率。可知，每台机组有一个“空载开度”a，忽略机组间的电磁联系和机组电磁有功，也就是说该开度使得机组维持着50Hz转速。若考虑发电机组的电磁力矩(电磁有功，等效阻力矩TE)，可以用调速器“负荷开度”b(空载开度a以上的开度，该开度用来做功)等效进行抵消，下面具体分析：

由功率相等的原则可知，等效转速力矩T_K＝原动机力矩T_P-电磁力矩T_E；

其中T_P∝(a+b)，T_E∝(b)，由此可得T_K∝(a)，即T_K＝f(a)。等效力矩这样就可以简化为导叶开度(a)的一个比例函数，根据水轮机运转特性可知，等效力矩和水轮机输入水流量成正比，输入水流量与导叶开度成正比，所以可得T_K∝Q＝ka，k为固定值，Q为水轮机输入水流量。根据基础物理学，功率乘以时间t等于能量，即平衡关系式:

Pt＝E (2)

又可知水轮机出力公式：

P＝9.8QHη (3)

式中，H为工作水头，单位为米，η为水轮机效率；

将公式(1)和(3)带入上式(2)可得：

$9.8QH\mathrm{\η}t=\frac{1}{2}{\mathrm{J\ω}}^2---\left(4\right)$

已知，ω＝2πn；n＝60f/p，p为机组极对数，可得ω＝120πf/p，带入公式(4)可得：

$Q=ka=\frac{7243J}{p^{2}H\mathrm{\η}t}{f_0}^2$

将上公式中固定参数简化为K得：

$a={\mathrm{Kf}}_0^2;$

同理，可知第2个导叶开度位置与频率的关系为，a₁＝Kf₁ ²；

两公式相比得：

转换为：即

$\mathrm{\Δ}a=a(\frac{f_1^2}{f_0^2}-1)---\left(5\right)$

f₀为导叶空载开度a下对应的***频率，f₁为变动后的频率，Δa为需要动作的导叶开度变化量。由公式(5)可知，如果这个等效的孤立***频率发生波动，开度变化量Δa与动作时刻的空载开度a有关，也与前后的频率的平方有关系。

假设维持***50Hz(f₀＝50Hz)时候的空载开度是a＝20％，频率如果要调整到51Hz(f₁＝51Hz)，则导叶要开启的开度量同样，逆向分析，我国电力***的稳额定频率为50Hz，如果网频波动到51Hz，水轮机机调节器要将导叶开度减少0.81％。所以，该公式如果要来稳定电力***频率，保持额定频率f₀不变，则需在公式(5)增加一个负号。即如果将***频率抬高到某一频率，则用公式(5)，实质是一样的。

上述是对电力***简化进行的分析，如果真实电力***中每台机皆如此调节将机组转速拉到额定转速，理论上是可以达到频率的精准控制。从整体角度思考，此种***频率稳定是一种靠水轮机(或汽轮机)调节器不断调节(具有位置保持特点)形成的动态稳定。

大网***中由于水轮机调节器供货厂家较多，控制模型各不相同，故该发明公式若广泛应用需要一定的认知和时间。在孤网***中，机组少，调节器相对单一，更便于采用该公式原理。

正确性验证：

为了验证本发明，技术人员曾在云南梨园水电站和小湾水电厂进行了孤网运行模式下的频率扰动试验，通过记录频率扰动前后的导叶开度变化数据，分析发现，实测结果和理论数值吻合的非常贴切。

表1和表2分别为梨园水电站和小湾水电站在孤网运行模式下的频率扰动试验数据。方法是：通过手动缓慢增、减频率的方式，让机组分别维持在50Hz、52Hz、48Hz运行，并分别记录对应的导叶开度测值。(手动控制条件下，导叶开度测值可能有微小的误差。)同时，采用本发明公式带入频率值计算理论导叶开度变化。通过导叶开度变化的理论值和实测值对比发现，两者数值比较接近。

表1

表2

图3和图4是小湾空载态频率扰动试验的录波曲线，该试验采用的是频率PID控制常规方法。改变频率目标值，经过一段时间的调节，机组稳定在频率目标值运行，曲线记录了整个过程中机组频率和导叶开度的实测值。读取曲线中机组稳定态的机组频率和导叶开度，带入本发明公式发现其变化规律基本与公式相吻合，由此可证明该公式的正确性。

从应用方面看，我们可以将要求调节的频率目标值带入该公式，直接计算出导叶变动量，就可以完成频率的快速、精准调节。

该发明，在频率的精准控制环节，采用了新的公式。该公式清晰揭示了控制对象频率和执行机构导叶开度两者的内在联系，频率的稳定、精准控制是依靠改变导叶开度完成的，通过该公式事先理论计算，然后进行直接输出，就可以达到频率的精准控制，能够快速抑制频率波动，达到精准、稳定控制。摒弃了常规***频率控制采用的永态转差系数方式并结合PID调节方式的做法。

采用分频控制原则，新调频公式和常规调差方式相结合，对机组出力进行控制，平衡***中有功和负载的关系，从而调节孤网***频率。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种电力孤网***频率调节的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据电网要求，设置永态转差系数bp、PID参数、调频死区0.05Hz和调取调频模块的频率范围±0.05Hz-±θHz，θ为大于0.05的正数；

步骤2、调速器检测当前机组频率；

步骤3、求取检测到的当前机组频率与额定频率50Hz之间的差值Δf；

步骤4、根据频差Δf的数值范围进行调节，具体如下：

A、若频差Δf的绝对值大于调频死区0.05Hz且小于θHz，则调速器调取调频模块，采用调频公式对机组出力进行调节；

式中，Δa为导叶开度变化量，a为导叶空载开度，f₀为导叶空载开度a下对应的***频率，f₁为变动后的频率；

B、若频差Δf的绝对值大于θHz，则调速器采用PID控制和调差公式对机组出力进行调节；

式中，Δy为导叶开度，Δf/50为频差的百分比；

C、若频差Δf的绝对值小于调频死区0.05Hz，则调速器退出调频模式。

2.根据权利要求1所述的一种电力孤网***频率调节的控制方法，其特征在于，θ＝0.1。

3.根据权利要求2所述的一种电力孤网***频率调节的控制方法，其特征在于，若频差Δf的绝对值大于0.1Hz，则调速器采用PID控制和调差公式对机组出力进行调节，当频差Δf的绝对值逐渐变小到0.05Hz-0.1Hz时，则调速器调取调频模块，采用调频公式对机组出力进行调节。