焦春雷， 祁曉笑， 朱建華

(國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830011)

電網(wǎng)解列下調(diào)速系統(tǒng)功率反調(diào)抑制策略及建模仿真研究

焦春雷， 祁曉笑， 朱建華

(國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830011)

新疆作為重要的送端電網(wǎng)，頻率穩(wěn)定問題尤為突出，對(duì)推動(dòng)“疆電外送”能源戰(zhàn)略造成重大影響，送端電網(wǎng)特別是弱系統(tǒng)送端電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問題值得深入研究。首先從理論上分析了反調(diào)現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理以及反調(diào)對(duì)解列區(qū)域電網(wǎng)的影響，提出了發(fā)電機(jī)負(fù)荷突變開始時(shí)刻屏蔽干擾抑制功率反調(diào)策略，并搭建了仿真模型，最后以新疆區(qū)域電網(wǎng)解列為例，仿真驗(yàn)證了施加抑制策略后的效果,所論述的抑制措施在調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)整定中值得借鑒。

電網(wǎng)解列;反調(diào);頻率穩(wěn)定;負(fù)荷突變;轉(zhuǎn)速微分

0 引 言

發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的一次調(diào)頻是孤島電網(wǎng)頻率控制的主要手段，目前新疆地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列后，孤網(wǎng)主要依靠內(nèi)部機(jī)組進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，因此調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)頻能力直接影響電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。通過理論分析及國內(nèi)多次事故分析表明，大多數(shù)機(jī)組均存在不同程度的反調(diào)，它不僅對(duì)系統(tǒng)甩負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速飛升帶來不良的影響，而且對(duì)電網(wǎng)發(fā)生事故時(shí)的穩(wěn)定性也是不利的。文獻(xiàn)[1]分析了前饋開環(huán)控制特性使一次調(diào)頻初期出現(xiàn)“反調(diào)”，并引發(fā)過程振蕩，閉環(huán)控制特性則使一次調(diào)頻靜態(tài)調(diào)節(jié)能力下降，但未給出合適的參數(shù)調(diào)整方法。文獻(xiàn)[2] 研究了原動(dòng)機(jī)與調(diào)速器建模在云南電網(wǎng)穩(wěn)定分析中應(yīng)用研究，主要研究調(diào)速系統(tǒng)建模方法但未考慮系統(tǒng)的反調(diào)特性。文獻(xiàn)[3] 將反饋微分博弈應(yīng)用于電力系統(tǒng)頻率控制中，較好解決了一二次調(diào)頻沖突的問題。文獻(xiàn)[4]證實(shí)了有功型PSS的反調(diào)特性，并提出對(duì)應(yīng)的對(duì)策，但沒有涉及調(diào)速系統(tǒng)的反調(diào)特性分析。文獻(xiàn)[5] 基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)對(duì)PSS1A，PSS2B，PSS4B電力系統(tǒng)穩(wěn)定器模型抑制反調(diào)的效果進(jìn)行了驗(yàn)證和比較，指出合理的參數(shù)配置可以減小反調(diào)的發(fā)生。文獻(xiàn)[6]闡述了加入轉(zhuǎn)速微分校正環(huán)節(jié)和加入負(fù)的功率微分校正環(huán)節(jié)兩種方法來抑制調(diào)速系統(tǒng)反調(diào)，由于引入轉(zhuǎn)速或功率微分信號(hào)，就需要對(duì)微分信號(hào)的放大倍數(shù)進(jìn)行整定，這個(gè)參數(shù)不太好整定。文獻(xiàn)[7-8]均研究了直流孤島系統(tǒng)下調(diào)速器的頻率控制特性，但未對(duì)交流電網(wǎng)孤網(wǎng)下調(diào)速器穩(wěn)定問題進(jìn)行分析。

綜合上述文獻(xiàn)，本文重點(diǎn)分析調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生反調(diào)的機(jī)理，闡述了發(fā)電機(jī)負(fù)荷突變開始時(shí)刻屏蔽干擾抑制功率反調(diào)的方法，并利用建模仿真的方法研究了反調(diào)對(duì)交流孤網(wǎng)頻率的影響以及所提方法對(duì)反調(diào)的抑制效果。

1 電網(wǎng)解列下調(diào)速系統(tǒng)的反調(diào)現(xiàn)象

目前國內(nèi)主流的汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為功頻電液調(diào)速器。功頻系統(tǒng)有兩種：一種是以測(cè)量汽輪機(jī)功率作為功率信號(hào)，另一種是以測(cè)量發(fā)電機(jī)功率作為功率信號(hào)。圖1為典型的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制圖。

圖1 電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制圖

汽輪發(fā)電機(jī)突然甩去全負(fù)荷，則汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升，關(guān)小調(diào)節(jié)閥，減少汽輪機(jī)功率，最后建立起新的平衡。甩負(fù)荷時(shí)發(fā)電機(jī)負(fù)荷信號(hào)PE、轉(zhuǎn)速信號(hào)ω、和汽輪機(jī)功率信號(hào)PT的變化曲線如圖2所示。由圖2可以看到，由于轉(zhuǎn)速的變化是發(fā)電機(jī)負(fù)荷變化所引起的，所以轉(zhuǎn)速信號(hào)的變化ω落后于發(fā)電機(jī)負(fù)荷信號(hào)PE；而汽輪機(jī)功率的變化又是由于轉(zhuǎn)速的變化引起的，所以汽輪機(jī)功率信號(hào)PT變化又落后于轉(zhuǎn)速ω的變化。

對(duì)于以汽輪機(jī)功率作為功率信號(hào)的系統(tǒng)，由于汽輪機(jī)功率信號(hào)始終落后于轉(zhuǎn)速信號(hào)，甩負(fù)荷后二者之差始終為正，所以不可能出現(xiàn)反調(diào)，而對(duì)于以發(fā)電機(jī)功率作為功率信號(hào)的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速信號(hào)落后于發(fā)電機(jī)功率信號(hào)，甩負(fù)荷后初始階段二者之差為負(fù)值，它將使調(diào)節(jié)汽閥開大而不是關(guān)小，因此會(huì)出現(xiàn)反調(diào)現(xiàn)象，反調(diào)效應(yīng)示意圖如圖3中a處所示。

圖2 甩負(fù)荷時(shí)狀態(tài)量變化

圖3 反調(diào)效應(yīng)的示意圖

由于汽輪機(jī)功率難以測(cè)量，實(shí)際應(yīng)用中常采用發(fā)電機(jī)功率信號(hào)代替汽輪機(jī)功率信號(hào)，兩者在穩(wěn)態(tài)時(shí)無差異，但在動(dòng)態(tài)差異較大。應(yīng)用發(fā)電機(jī)功率代替汽輪機(jī)功率，即外擾負(fù)信號(hào)參與汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)，在發(fā)電機(jī)突增、突減負(fù)荷時(shí)將出現(xiàn)功率反調(diào)。反調(diào)現(xiàn)象的出現(xiàn)對(duì)機(jī)組及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來很大的危害。

2 抑制功率反調(diào)策略研究

2.1 負(fù)荷突變開始時(shí)刻屏蔽干擾抑制反調(diào)策略

調(diào)速系統(tǒng)負(fù)荷控制器的偏差e輸入由以下方程式：

e=Pref+kΔω-PE

(1)

式中Pref為汽輪機(jī)功率給定指令；kΔω為調(diào)頻控制器輸出。

當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷PE發(fā)生突變時(shí)，汽輪機(jī)功率給定指令Pref沒有發(fā)生改變，調(diào)頻控制器的輸出kΔω小于發(fā)電機(jī)負(fù)荷突變量ΔPE，由于二者符號(hào)相反，所以負(fù)荷控制器的偏差輸入e與發(fā)電機(jī)負(fù)荷突變量ΔPE符號(hào)相同，發(fā)電機(jī)負(fù)荷突變量ΔPE在一開始就引導(dǎo)負(fù)荷控制PID向錯(cuò)誤的方向調(diào)節(jié)，這也就是引起汽輪機(jī)功率反調(diào)的原因。經(jīng)過一段時(shí)間后調(diào)頻控制器的輸出kΔω大于發(fā)電機(jī)負(fù)荷突變量ΔPE，負(fù)荷控制器的偏差輸入e與調(diào)頻控制器的輸出kΔω符號(hào)相同，引導(dǎo)負(fù)荷控制器PID向正確的方向調(diào)節(jié)。

當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷PE剛發(fā)生突變時(shí)，偏差輸入e為反方向最大的時(shí)刻，如果從此時(shí)刻開始強(qiáng)制偏差輸入e=0，那么負(fù)荷控制器PID就會(huì)保持輸出不變，就能抑制功率反調(diào)，并且此時(shí)的抑制效果最明顯。隨著時(shí)間推移，偏差輸入e從反方向最大向0逼近，只要在偏差輸入e為反方向的這段時(shí)間里面，強(qiáng)制偏差輸入e=0，就能抑制功率反調(diào)。

當(dāng)偏差輸入e變?yōu)檎较驎r(shí)，取消強(qiáng)制效果，使負(fù)荷控制器PID按照偏差輸入e正確調(diào)節(jié)。

在對(duì)偏差輸入e進(jìn)行強(qiáng)制的這段時(shí)間里，由于調(diào)頻控制器輸出作用于負(fù)荷控制器PID之后，所以在這段時(shí)間里，調(diào)速系統(tǒng)本身沒有靜止不動(dòng)，并且調(diào)節(jié)的作用方向還是正確的。這樣就很好的解決了反調(diào)問題。

圖2中e=Uω-UPE，在T0時(shí)刻，Uω-UPE<0且|Uω-UPE|為負(fù)數(shù)時(shí)的最大值，此時(shí)，如果強(qiáng)制e=0，則抑制反調(diào)效果最明顯；在T0到T1這段時(shí)間，e=Uω-UPE<0但逐漸減少到0，抑制反調(diào)效果逐漸減弱，如果這段時(shí)間保持e=0，則徹底的消除了反調(diào)干擾；在T1時(shí)刻之后，e=Uω-UPE<0，取消強(qiáng)制作用，使e作用于負(fù)荷控制器PID。

由此可見，采用本方法整定參數(shù)時(shí)，主要是確定T0到T1這段時(shí)間長度，由于在前期T0抑制反調(diào)效果最明顯，所以在工程實(shí)踐中只要時(shí)間整定參數(shù)能覆蓋大部分T0到T1的時(shí)間長度就可以。

2.2 發(fā)電機(jī)負(fù)荷突變開始時(shí)刻屏蔽干擾抑制功率反調(diào)策略實(shí)現(xiàn)

本文所提的策略主要整定參數(shù)是從T0到T1的時(shí)間長度，而在T0時(shí)刻抑制反調(diào)效果最明顯，所以即使這個(gè)時(shí)間參數(shù)整定的不太精確，只要調(diào)速系統(tǒng)能夠從T0時(shí)刻開始抑制反調(diào)，在T1時(shí)刻附近結(jié)束，那么就能達(dá)到很好的效果。該方法只在發(fā)電機(jī)負(fù)荷發(fā)生突變時(shí)短時(shí)生效，在其他時(shí)間段中對(duì)原有調(diào)速系統(tǒng)控制策略沒有影響，整定后的時(shí)間參數(shù)可以在其他工程實(shí)施中借鑒，通用性強(qiáng)。

本方法主要分三個(gè)步驟進(jìn)行：

①識(shí)別由發(fā)電機(jī)外部負(fù)荷變化引起的負(fù)荷突變量；

②判斷發(fā)電機(jī)負(fù)荷突變量是否超出設(shè)定值；

③當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷突變量第一次超出設(shè)定值時(shí)，負(fù)荷控制器在設(shè)定時(shí)間內(nèi)輸出保持不變，在設(shè)定時(shí)間外根據(jù)負(fù)荷控制器輸入進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷突變量沒有超出設(shè)定值或者在規(guī)定時(shí)間內(nèi)非第一次超出設(shè)定值時(shí)，負(fù)荷控制器根據(jù)負(fù)荷控制器輸入進(jìn)行調(diào)節(jié)。

電力系統(tǒng)分析綜合程序[9](PSASP)設(shè)計(jì)了功能強(qiáng)大的用戶自定義(UD)建模方法，提供了自行建模來研究電力系統(tǒng)新裝備、新裝置的得力工具[10-12]。在調(diào)速器數(shù)學(xué)仿真模型[13-14]的基礎(chǔ)上疊加如圖4所示邏輯框圖來實(shí)現(xiàn)通過發(fā)電機(jī)負(fù)荷突變開始時(shí)刻屏蔽干擾抑制功率反調(diào)。其中邏輯圖中PG代表發(fā)電機(jī)功率信號(hào)，e代表負(fù)荷控制器偏差輸入，PID代表負(fù)荷控制器，該方法在PSASP中的實(shí)現(xiàn)主要是在e和PID之間加入了附加控制。

圖4 增加緊急汽門控制后的調(diào)速器

3 解列電網(wǎng)下反調(diào)抑制控制策略仿真

圖5為新疆地區(qū)電網(wǎng)的網(wǎng)架圖。以伊犁地區(qū)電網(wǎng)解列為例，進(jìn)行反調(diào)抑制策略仿真，仿真中機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)模型、調(diào)速器模型均采用實(shí)測(cè)參數(shù)，其中在自定義調(diào)速器模型的基礎(chǔ)上疊加反調(diào)抑制控制策略進(jìn)行仿真，得到系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)曲線對(duì)比如圖6和圖7，采用反調(diào)措施后，暫態(tài)過程中發(fā)電機(jī)功率突變減小、頻率穩(wěn)定性提高。

圖5 新疆地區(qū)電網(wǎng)的網(wǎng)架圖

圖6 加入抑制反調(diào)措施前后的發(fā)電機(jī)功率曲線

圖7 加入抑制反調(diào)措施前后的孤網(wǎng)頻率

4 結(jié)束語

本文針對(duì)當(dāng)前功頻電液調(diào)速器控制系統(tǒng)普遍存在的反調(diào)問題，從理論上分析了反調(diào)現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理以及反調(diào)對(duì)解列區(qū)域電網(wǎng)的影響，提出了發(fā)電機(jī)負(fù)荷突變開始時(shí)刻屏蔽干擾抑制功率反調(diào)策略，最后以新疆區(qū)域電網(wǎng)解列為例仿真驗(yàn)證了發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用反調(diào)抑制措施后，孤網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機(jī)的暫態(tài)過程中功率突變減小、頻率穩(wěn)定性提高。本文得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)調(diào)速器控制系統(tǒng)中采用發(fā)電機(jī)功率信號(hào)代替汽輪機(jī)功率信號(hào)是發(fā)電機(jī)產(chǎn)生反調(diào)的根本原因，本文所論述的方法僅僅是抑制反調(diào)，從根本上解決反調(diào)的方法是機(jī)械功率實(shí)測(cè)。

(2)通過區(qū)域電網(wǎng)解列后頻率穩(wěn)定性仿真研究，發(fā)電機(jī)負(fù)荷突變開始時(shí)刻屏蔽干擾抑制功率反調(diào)的方法具有較好的抑制效果。

(3)對(duì)于易發(fā)生電網(wǎng)解列的區(qū)域電網(wǎng)，調(diào)速器反調(diào)現(xiàn)象更容易誘發(fā)嚴(yán)重的頻率穩(wěn)定問題，本文所論述的抑制措施在調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)整定中值得借鑒，尤其適應(yīng)于新疆弱送端電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組。

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A Research on the Power Anti-regulation Suppression Strategy for the Speed Regulation System in Case of Grid Splitting

Jiao Chunlei, Qi Xiaoxiao, Zhu Jianhua

(Electric Power Research Institute, State Grid Xinjiang Electric Power Co., Urumqi Xinjiang Uyaur Zizhiqu 830011, China)

Frequency stability is a prominent issue for Xinjiang, an important supplying-end power grid, and it exerts major influence upon promotion of the energy strategy of “power transmission from Xinjiang”. Frequency stability of the supplying-end grid, especially the supplying-end grid of the weak system deserves a deep study. First, this paper makes a theoretical analysis of the mechanism of anti-regulation as well as its affection upon the power grid of the split area. Furthermore, it proposes a strategy to shield interference and suppress power anti-regulation at the moment when the sudden change of the generator load starts, and establishes a simulation model. Finally, with grid splitting in Xinjiang area taken as an example, simulation is made to verify the effect of the suppression strategy. The proposed suppression measure is worth learning from in the parameter setting of the speed regulation system.

grid splitting; anti-regulation; frequency stability; sudden load change; differential of speed

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.023

TM711

A

1000-3886(2017)04-0078-03

定稿日期: 2016-11-25

焦春雷 (1983-)，男，河南唐河人，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)建模仿真及分析計(jì)算、網(wǎng)源協(xié)調(diào)方面的研究工作。 祁曉笑(1980)，女，新疆烏魯木齊人，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)控制理論及分析計(jì)算研究工作。 朱建華 (1986)，男，河南洛陽人，工學(xué)碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)建模仿真及分析計(jì)算、網(wǎng)源協(xié)調(diào)方面的研究工作。