張海麗，胡挜喆，徐廣文

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610；2.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

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增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)對一次調(diào)頻響應(yīng)的影響分析

張海麗1，胡挜喆2，徐廣文3

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610；2.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

針對一次調(diào)頻人工頻率死區(qū)設(shè)置不當(dāng)可能影響機(jī)組正常運(yùn)行的情況，依據(jù)普通型與增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)的數(shù)學(xué)模型，分析了采用不同類型人工頻率死區(qū)時(shí)機(jī)組的一次調(diào)頻特性，并利用PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序提供的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)不會消減機(jī)組一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)深度，能夠提升機(jī)組一次調(diào)頻的響應(yīng)速動性，但是當(dāng)一次調(diào)頻的增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)設(shè)值較大，且遇到系統(tǒng)頻率在人工頻率死區(qū)邊界頻繁波動時(shí)，機(jī)組負(fù)荷會受迫出現(xiàn)明顯波動。

增強(qiáng)型；人工頻率死區(qū)；一次調(diào)頻；響應(yīng)

一次調(diào)頻是指并網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組通過其調(diào)節(jié)系統(tǒng)感知電網(wǎng)頻率的變動，調(diào)整其所帶負(fù)荷，使之與外界負(fù)荷相平衡，減小電網(wǎng)頻率變化的過程。一次調(diào)頻在頻率變動的動態(tài)過程中起調(diào)節(jié)作用，較二次調(diào)頻響應(yīng)速度快[1]，是保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的重要手段。

機(jī)組的一次調(diào)頻能力與調(diào)速器的運(yùn)行方式、調(diào)節(jié)參數(shù)的設(shè)置密切相關(guān)，當(dāng)前仍然存在因調(diào)速器調(diào)節(jié)參數(shù)的不當(dāng)設(shè)置而嚴(yán)重制約機(jī)組一次調(diào)頻功能有效發(fā)揮的現(xiàn)象[2]。2016年1月24日16時(shí)28分，南方電網(wǎng)主通道茂蝶、羅馬等多回線路發(fā)生功率波動。經(jīng)分析，系統(tǒng)功率波動主要原因是某電廠為提高一次調(diào)頻響應(yīng)特性，將機(jī)組一次調(diào)頻的人工頻率死區(qū)由普通型改為增強(qiáng)型，導(dǎo)致調(diào)速器在一次調(diào)頻死區(qū)附近頻繁動作，機(jī)組功率脈沖階躍造成強(qiáng)迫振蕩[3]。鑒于此，本文基于人工頻率死區(qū)數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值模擬分析了其對一次調(diào)頻響應(yīng)的影響，以期為增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)的應(yīng)用與分析提供參考。

1　增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)

由于機(jī)械傳遞機(jī)構(gòu)相互之間存在的摩擦和局部間隙，調(diào)速器存在一定的轉(zhuǎn)速死區(qū)，使得調(diào)速器對一定的轉(zhuǎn)速偏差不敏感。為了避免一次調(diào)頻頻繁動作，調(diào)速器設(shè)有人工頻率死區(qū)，只有系統(tǒng)頻率超出其范圍才會發(fā)揮一次調(diào)頻作用，根據(jù)頻率變化調(diào)節(jié)機(jī)組出力。

由調(diào)速器原理可知，影響一次調(diào)頻動作輸出的是一次調(diào)頻頻差。通常情況下，一次調(diào)頻頻差與人工頻率死區(qū)存在數(shù)學(xué)關(guān)系[4]：

(1)

式中：Δf為一次調(diào)頻頻差，Hz；fn為系統(tǒng)頻率，Hz；f0為額定頻率，Hz；ef為人工轉(zhuǎn)速頻率，數(shù)值為人工頻率死區(qū)范圍的一半，Hz。

但有些機(jī)組調(diào)速器的一次調(diào)頻頻差計(jì)算方法與前述不同，如下：

假設(shè)f0=50Hz，ef=0.05Hz，fn=50.051Hz，依照式(1)、式(2)算出的Δf分別為0.001Hz和0.051Hz。很顯然，若系統(tǒng)頻率超出一次調(diào)頻死區(qū)的頻率范圍，相同系統(tǒng)頻率時(shí)依照式(2)獲得的一次調(diào)頻頻差較式(1)的計(jì)算結(jié)果大了與ef相等的數(shù)值。為了區(qū)別，通常將采用式(2)計(jì)算一次調(diào)頻頻差的方法稱為增強(qiáng)型一次調(diào)頻頻差計(jì)算方法，對應(yīng)的人工頻率死區(qū)稱為增強(qiáng)型人工調(diào)頻死區(qū)[3]。

很顯然，若調(diào)速器采用增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)頻率剛剛超出人工頻率死區(qū)的范圍時(shí)，輸入調(diào)速器的一次調(diào)頻頻差會有一個(gè)數(shù)值等于ef的突變。為此，在下一章分析增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)對機(jī)組的一次調(diào)頻造成的影響。

2　采用增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)的一次調(diào)頻特性分析

先簡單說明機(jī)組并網(wǎng)后的負(fù)荷頻率特性，以及普通型一次調(diào)頻死區(qū)的一次調(diào)頻過程。

根據(jù)電力系統(tǒng)的負(fù)荷頻率特性可知，為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，機(jī)組并網(wǎng)后的負(fù)荷頻率特性是有差且下降的，即負(fù)荷隨系統(tǒng)頻率增加而減小。機(jī)組并網(wǎng)后，調(diào)速器運(yùn)行模式不同，其靜特性的表示方法不一樣。調(diào)速器為功率模式，則其靜特性曲線為功率隨系統(tǒng)頻率下降的曲線；調(diào)速器為機(jī)組導(dǎo)葉開度模式，則其靜特性曲線為開度隨系統(tǒng)頻率下降的曲線[5]。

當(dāng)投入人工頻率死區(qū)且ef≠0時(shí)，機(jī)組的靜特性曲線會發(fā)生變化，且變化會隨人工頻率死區(qū)類型而變，如圖1所示。

(a)普通型人工頻率死區(qū)

(b)增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)Y—導(dǎo)葉開度；Y0—給定的導(dǎo)葉開度。圖1　調(diào)速器為導(dǎo)葉開度模式時(shí)的靜特性曲線

圖1中，直線AB為未設(shè)置人工頻率死區(qū)且不考慮調(diào)速器本身的轉(zhuǎn)速死區(qū)時(shí)的靜特性線。圖1(a)展示了普通型人工頻率死區(qū)對調(diào)速器開度模式靜特性曲線的影響，靜特性曲線由直線AB變?yōu)檎劬€1-2-3-4；圖1(b)展示的則是增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)對調(diào)速器開度模式靜特性曲線的影響，靜特性曲線由直線AB變?yōu)檎劬€A-1′-2′-3′-4′-B。

對比可知，不管人工頻率死區(qū)是否增強(qiáng)型，只要系統(tǒng)頻率在f0±ef內(nèi)波動，機(jī)組功率將一直維持在其開度給定值Y0附近，機(jī)組的一次調(diào)頻功能完全喪失。但是，系統(tǒng)頻率波動一旦超過人工頻率死區(qū)的范圍，情況則不一樣。

由圖1可知，采用普通型人工頻率死區(qū)時(shí)，剛超出人工頻率死區(qū)范圍的頻率對應(yīng)的Y值接近Y0，偏離了無人工頻率死區(qū)時(shí)靜特性直線AB上相應(yīng)頻率對應(yīng)的Y值，且偏離程度與人工頻率死區(qū)設(shè)置相關(guān)。采用增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)時(shí)，超出人工頻率死區(qū)范圍的頻率所對應(yīng)的開度起點(diǎn)，依舊為無人工頻率死區(qū)時(shí)靜特性直線AB上相應(yīng)頻率對應(yīng)的值。采用普通型人工頻率死區(qū)時(shí)，機(jī)組的一次調(diào)頻深度(機(jī)組導(dǎo)葉開度變化量)會隨著人工頻率死區(qū)設(shè)置的大小而不同程度地被削弱，但是采用增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)的機(jī)組一次調(diào)頻深度不受此影響。

綜上所述，增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)同普通型人工頻率死區(qū)一樣，為機(jī)組提供一次調(diào)頻不靈敏區(qū)，同時(shí)避免普通型人工頻率死區(qū)對機(jī)組一次調(diào)頻深度的削弱作用，使系統(tǒng)頻率超出一次調(diào)頻死區(qū)范圍后的機(jī)組靜特性與未設(shè)置人工頻率死區(qū)的情況一致。其原因是系統(tǒng)頻率超出人工頻率死區(qū)范圍時(shí)，采用增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)得出的一次調(diào)頻頻差未剔除人工頻率死區(qū)，等于給一次調(diào)頻頻差疊加了方向一致且大小等于ef的頻率階躍信號。

3　采用增強(qiáng)人工頻率死區(qū)的一次調(diào)頻響應(yīng)仿真

由前述分析可知，在一次調(diào)頻初始動作時(shí)刻，增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)有增強(qiáng)一次調(diào)頻頻差的作用，這勢必影響其后的一次調(diào)頻響應(yīng)過程。借助數(shù)值仿真技術(shù)，可以清晰地觀察并分析增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)對一次調(diào)頻響應(yīng)過程的影響。

根據(jù)PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序，采用其提供的電調(diào)類調(diào)速器模型中調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型4(GM卡)、電液伺服系統(tǒng)模型(GA卡)和水輪機(jī)模型(TW卡)，可搭建用于分析增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)對一次調(diào)頻響應(yīng)影響的模型，這也是一種電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析常用的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型[6]，如圖2所示。

KP—調(diào)節(jié)器比例增益；KI—調(diào)節(jié)器積分增益；KD—調(diào)節(jié)器微分增益；T1V—調(diào)節(jié)器微分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；①—YPID,max，調(diào)節(jié)器輸出上限；②—YPID,min，調(diào)節(jié)器輸出下限；YPID—調(diào)節(jié)器控制輸出；P0—功率給定；bp—永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)；SITYP—模式選擇開關(guān)的狀態(tài)(取1為功率模式，取2為開度模式)；SITYP2—開度模式選擇開關(guān)(此開關(guān)在SITYP=2時(shí)有效，取0輸入信號為導(dǎo)葉開度，取1輸入信號為YPID)；Kp—副環(huán)PID控制比例增益；Ki—副環(huán)PID控制積分增益；Kd—副環(huán)PID控制微分增益；③—Ypid,max，副環(huán)PID控制輸出上限；④—Ypid,min，副環(huán)PID控制輸出下限；Ty—接力器反應(yīng)時(shí)間常數(shù)；⑤—Ymax，導(dǎo)葉開度上限；⑥—Ymin，導(dǎo)葉開度下限；Tw—水流慣性時(shí)間常數(shù)；P—功率輸出；s—拉普拉斯算子。圖2　水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型

對照該模型，查閱實(shí)際設(shè)備資料，或依據(jù)相關(guān)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)，可獲得該模型仿真時(shí)所需的各項(xiàng)參數(shù)，見表1。

將表1數(shù)據(jù)填入圖2所示的模型，即可對采用不同類型人工頻率死區(qū)的一次調(diào)頻響應(yīng)過程進(jìn)行仿真。實(shí)際系統(tǒng)頻率是隨機(jī)變動的且不會突變，進(jìn)、出人工頻率死區(qū)范圍的過程是緩慢變化的。為便于仿真分析，實(shí)際系統(tǒng)頻率的這種緩慢變化過程可采用斜率固定的頻率斜坡擾動代替。保持人工頻率死區(qū)設(shè)值不變，選擇不同類型的人工頻率死區(qū)，并給水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型注入相同的頻率斜坡擾動進(jìn)行仿真，可獲得圖3所示的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對相同系統(tǒng)頻率斜坡擾動的響應(yīng)過程比對。其中，圖3的(a)、(b)、(c)分別展示了采用不同類型人工頻率死區(qū)的調(diào)節(jié)器輸出、導(dǎo)葉開度和機(jī)組負(fù)荷對相同系統(tǒng)頻率斜坡擾動的響應(yīng)過程。

表1某水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型參數(shù)

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值bp0.040ef/Hz0.001004KP3.3333KI1.8KD0T1V/s0.1YPID,max1YPID,min0SITYP2SITYP21Kp6Ki0Kd0Ty/s0.784Ypid,max0.17Ypid,min-0.71Ymax1Ymin0Tw/s2.213

(a) 調(diào)節(jié)器輸出

(b) 導(dǎo)葉開度

(c) 機(jī)組負(fù)荷圖3　水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對相同系統(tǒng)頻率斜坡擾動的響應(yīng)

依據(jù)調(diào)速器原理，開度模式下的永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)等于靜特性曲線斜率的負(fù)值，即

(3)

式中ΔY為導(dǎo)葉開度變化量。

圖3中，系統(tǒng)頻率斜坡擾動的終值約為50.098 Hz，由式(1)、式(2)得到的一次調(diào)頻頻差分別為0.048 Hz和0.098 Hz。根據(jù)式(3)，計(jì)算得到的一次調(diào)頻調(diào)節(jié)深度(導(dǎo)葉開度變化量)分別為2.4%和4.9%。對照圖3(b)，可知理論計(jì)算與仿真結(jié)果一致。結(jié)合前述分析，這印證了采用增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)的一次調(diào)頻深度不會被削弱，而采用普通型人工頻率死區(qū)的一次調(diào)頻深度會被削弱。

觀察初始時(shí)刻的一次調(diào)頻響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)采用增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)時(shí)，一次調(diào)頻響應(yīng)初始時(shí)刻的調(diào)節(jié)器輸出與導(dǎo)葉開度均較采用普通型人工頻率死區(qū)時(shí)有較快的變化，且機(jī)組負(fù)荷有較大的反調(diào)。這都是一次調(diào)頻動作初始時(shí)刻增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)給頻差疊加的方向一致、大小等于ef的頻率階躍信號所致。

4　結(jié)論與建議

綜上所述，與采用普通型人工頻率死區(qū)的情況相反，采用增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)不會削弱一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)深度，而且會因?yàn)樵谝淮握{(diào)頻動作初始時(shí)刻增強(qiáng)了頻差，從而提升一次調(diào)頻響應(yīng)的速動性。但是，增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)對一次調(diào)頻動作初始時(shí)刻的速動性提升作用，會隨著人工頻率死區(qū)設(shè)值的變大而增強(qiáng)。若遇到系統(tǒng)頻率在人工頻率死區(qū)附近頻繁穿越，這種增強(qiáng)作用則會導(dǎo)致負(fù)荷頻繁波動，而且功率波動幅度與人工頻率死區(qū)設(shè)值大小成正例。所以，需謹(jǐn)慎設(shè)置增強(qiáng)型人工頻率死區(qū)，并考慮好應(yīng)對負(fù)荷波動的措施。

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(編輯霍鵬)

Analysis on Influence of Enhanced Artificial Frequency DeadZoneonPrimaryFrequencyModulationResponse

ZHANG Haili1, HU Yazhe2, XU Guangwen3

(1.ChinaWaterResourcesPearlRiverPlanningSurveying&DesignCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510610; 2.SchoolofInformationandElectricalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116,China; 3.ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510080,China)

Inallusiontothecasethatimproperconfigurationofartificialfrequencydeadzoneoftheprimaryfrequencymodulation(FM)mayinfluencenormaloperationoftheunit,thispaperanalyzescharacteristicsoftheprimaryFMofunitwhenadoptingdifferenttypesofartificialfrequencydeadzonesrespectivelyaccordingtoordinarymathematicalmodelandenhancedmathematicalmodel.ItalsousesregulatingsystemmodelofthewaterturbineprovidedbyPSD-BPAtransientstabilityprogramforsimulation.TheresultsindicatethattheenhancedartificialfrequencydeadzonewillnotweakenregulatingdepthoftheprimaryFMandisabletopromoteresponsequick-actionofFM,butifthesettingvalueofenhancedartificialfrequencydeadzoneislargerandwhensystemfrequencyfrequentlyfluctuatesattheedgeofartificialfrequencydeadzone,loadoftheunitwillfluctuateobviously.

enhanced;artificialfrequencydeadzone;primaryfrequencymodulation;response

2016-04-19

2016-07-19

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.011

TK730.2

A

1007-290X(2016)08-0056-04

張海麗(1984)，女，江蘇泗陽人。工程師，工學(xué)碩士，從事水電站機(jī)電設(shè)計(jì)與測試工作。

胡挜喆(1995)，男，江蘇鹽城人。在讀本科生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動化。

徐廣文(1980)，男，江蘇鹽城人。高級工程師，工學(xué)碩士，從事發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻性能測試與整定、原動機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測與建模等工作。