地区电网火电机组孤网运行频率控制策略研究.pdf

第4 O 卷 第7期 2 0 1 2 年 4月 1日 电 力 系统 保 护 与 控制 P o we r S y s t e m P r o t e c t i o n a n d Co n t r o l Vb 1 ． 4 0 No ． 7 Ap r ． 1 ． 2 0 1 2 地 区电网火 电机组孤网运行频率控制策略研究 叶健忠，邹俊雄 ，龙 霏，蔡泽祥 华南理工大学电力学院，广东 广州 5 1 0 6 4 0 摘要地区电网在面对孤网工况时，机组如何进行频率调节以保证 系统的稳定运行一直缺乏系统的指导。针对这一问题，在 深入研究孤 网 运行形成时频率动态响应的基础上， 提出了一种考虑孤网运行频率特性的控制策略。 首先根据孤 网 运行的频率 特性建立了适应孤 网 运行的仿真模型， 并仿真分析了影响机组孤 网 运行频率响应的主要因素；然后提出机组孤 网 运行的一次 调频和二次调频策略；最后以频率控制策略为指导进行了实际孤网试验， 试验结果表明了该控制策略是正确有效的。 所提出 的频率控制策略适应性强，可作为各类型火电机组面对孤网工况时的控制指导。 关键词孤网运行；一次调频；二次调频；孤网试验 Re s e a r c h o n f r e q u e n c y c o n t r o l s t r a t e g y f o r i s o l a t e d g r i d o p e r a t i o n o f t h e r ma l po we r u ni t i n r e g i o na l p o we r ne t wor k YE J i a n z h o n g ， Z OU J u n - x i o n g ， L ONG F e i ， CAI Ze - x i a n g S c h o o l o f E l e c t r i c P o w e r , S o u t h C h i n a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 ， C h i n a Ab s t r a c t F o r a r e g i o n a l p o we r n e t wo r k ,wh e n u n d e r the i s o l a t e d n e tw o r k o p e r a t i o n c o n d i t i o n ,h o w t o r e g u l a t e t h e fr e q u e n c y t o e n s u r e t h e s t a b l e o p e r a t i o n o f t h e s y s t e m h a s a l wa y s b e e n l a c k o f s y s t e ma t i c g u i d a n c e ． Ai mi n g a t s o l v i n g t h e p r o b l e m，b ase d o n a f u r t h e r s t u d y o f t h e fre q u e n c y d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s wh e n t h e i s o l a t e d n e tw o r k Was f o r me d ， a c o n tro l s t r a t e gy wh i c h t a k e s i s l a n d i n g fre q u e n c y c h ara c t e r i s t i c s i n t o c o n s i d e r a t i o n i s p r o p o s e d ． F i r s t l y ，a c c o r d i n g t o the fre q u e n c y c h ara c t e r i s t i c s o f i s o l a t e d n e tw o r k ，a s i mu l a t i o n mo d e l wh i c h i s a d a p t e d t o i s l an d i n g o p e r a t i o n i s e s t a b l i s h e d ， a l s o the ma i n f a c t o r s wh i c h i n flu e n c e i s l a n d i n g fre q u e n c y r e s p o n s e i s an a l y z e d u s i n g s i mu l a t i o n , t h e n t h e s t r a t e gy o f p r i ma r y a n d s e c o n d a r y f r e q u e n c y r e g u l a t i o n o f i s l and i n g i s r a i s e d ， fi n a l l y , wi t h the c o n tro l s tra t e gy as a g u i d an c e ， a n i s l an d i n g e x a mi n a t i o n i s c o n d u c t e d ．T h e res u l t s d e mo n s t r a t e the c o n t r o l s tra t e g y to b e c o r r e c t a n d e ffe c t i v e ．T he fre q u e n c y c o n tro l s t r a t e gy p r e s e n t e d h as s tro n g a d a p tab i l i ty,and c a n b e u s e d a s a c o n tro l g u i d a n c e o f v ari o u s typ e s o f t h e r ma l p o we r un i t f a c e d wi t h the i s o l a t e d o p e r a t i o n c o n d i t i o n ． Ke y wo r d s i s o l a t e d g r i d o p e r a t i o n ； p r i ma r ye q u e n c y r e g ul ati o n ； s e c o n d a ry fre q u e n c y r e g u l a t i o n ； i s l a n d i n g e x a mi n a t i o n 中图分类号 T M7 6 文献标识码A 文章编号 1 6 7 4 - 3 4 1 5 2 0 1 2 0 7 ． 0 1 2 3 ． 0 6 0 引言 当电网发生大规模故障时，如果能对拥有地方 电厂的地区电网采取预定和合理的解列措施，维持 孤网稳定运行 ，则不仅能够保证城市重要负荷的供 电，而且有助于协助全局 电网的逐步恢复。然而， 孤网运行是一种特定条件下的特殊运行方式L l 】 ，大 部分 电厂的运行特性及其控制策略均未考虑此功 能。并且， 在地区电网中火 电机组所 占的比重较大， 其控制技术复杂、 试验难度大 ， 当出现孤网运行时， 机组通常难以发挥有效的电源支撑作用。 相关研究[ 1 - 1 2 ] 表 明，孤网运行研究最主要 的问 题是如何控制频率的稳定 。孤网 自平衡能力差，负 荷扰动会使频率发生较大变化，扰动过大甚至会导 致孤网频率崩溃 。这要求发 电机组调速系统需具有 快速、充足的调节能力 ，以保持孤 网频率的稳定。 因此，研究地区电网火 电机组孤网运行的频率控制 策略对保障电力系统安全可靠运行具有重要意义。 目前孤网运行的研究主要集中在现场人员对实 际孤网运行的经验总 卜 5 J 以及孤网试验[ 1 1 - 1 2 l 。 前者 依赖运行人员的操作经验进行控制，缺乏深层次的 理论和技术分析，后者只能验证在特定情况下孤 网 能否稳定运行 ， 而且孤网试验本身就存在失电风险。 本文在理论分析基础上，研究了孤网运行的频 率特性，建立适应孤网运行的仿真模型，并仿真分 析 了影响机组孤网运行频率响应的主要因素，提 出 电力 系统保护 与控制 孤网运行时的一次调频和二次调频策略。然后以频 率控制策略为指导，进行 了孤网运行试验，孤网在 严重不平衡功率条件下形成后频率快速稳定，试验 结果表明仿真模型能反映机组在孤网运行条件下的 频率响应特性 以及频率控制策略是正确有效的。 1 面向孤网运行分析的火电机组建模 1 ． 1孤网运行的主要特点 孤网运行和并网运行有明显 的差别。孤 网运行 时，孤网内发 电机组较少 ，有时只有一台或者两台 机组，而且有些小机组不具备一次调频功能，或者 具备一次调频功能的机组有限幅环节，不能充分发 挥其调频能力。孤网的 自平衡能力差 ，负荷的扰动 对孤网的影响较并网运行 明显，频率会发生较大变 化 ，容易导致发电机组保护动作而使孤网崩溃。这 就要求发电机组调速系统具有快速、充足的调节能 力 ，以保证在负荷不断变化的情况下，机组出力能 够 自动跟随负荷的变化 ，保持 电网频率的稳定。 1 ． 2孤 网运行时机组的控制方式 机组调速系统 的转速／ 负荷控制环节有三种控 制方式 包括功率控制、调节级压力控制和转速控 制，分别对应图 1中控制方式选择的 0 、1 、2 。图 中∞为发电机转速 ， 为发电机电磁功率，P 】 为 汽轮机调节级压力。其中负载控制回路包括功率控 制和调节级压力控制两种方式。每个调速器只能选 择两种方式中的一种，或者两种负载控制方式都不 采用，此时只有转速控制 孓 J 。如果机组在孤网运 行时处于功率控制方式，在较大的功率不平衡的情 况下 ，功率控制会发生反调现象【 2 j 。要实现对孤 网 频率的稳定控制 ，机组控制方式选择 2切换到转速 控制方式。此时，调速系统具有 一次调频功能，但 一 次调频为有差调节，需同时投入转速 P I D功能对 一 次调频后产生的频率偏差进行调节，实现频率的 无差 调节 。 图 1机组控 制方 式模型 F i g ．1 M o d e l o f u n i t c o n t r o l mo d e 1 ． 3孤网运行时转速控制模型 根据孤网运行时机组 的控制方式和考虑对频率 稳定控制有重要影响的环节，机组的仿真模型主要 包 括 调速 系统模 型 、执行 机 构模 型 、超 速保 护 O v e r s p e e d P r o t e c t i o n C o n t r o l l e r ，OP C模 型和汽 轮机模型。当数字电液调速系统处于阀位控制时， 负荷控制回路将不起作用，此时投入一次调频和转 速 P I D控制回路进行频率控制 ， 其模型如图 2所示 ， 模型输入为转速偏差 ，一次调频回路和转速 P I D回 路并联与功率设定值叠加输 出调 门指令 ，调门指令 与 O P C指令通过一个低通选择器输出到执行机构， 执行机构控制调门开度调节汽轮机的出力。地 区电 网中小容量机组较多，而这类机组汽轮机为无再热 式的，汽轮机模型可用一阶惯性环节表示 。 注 为转速变送器时间常数 ；T c H 为蒸汽容积时间常数； T s 为执行 机构时间常数； 、K o 、K f 分别为比例放大、微分、积分环节倍数。 图 2机组转速控制模型 Fi g ． 2 S p e e d c o n t r o l mo d e l o f u n i t 孤网频率波动较大，容易导致 OP C动作，O P C 其动作特性如下 当 OP C转速升至 3 0 9 0 r ／ mi n时， 由 DE H 系统信号传递时延 ，并由油动机执行 时延 约 0 ． 2 5 s ， 汽 门全部关闭； 当 O P C 转速降至 3 0 0 0 r ／ mi n时，由 D E H系统信号传递时延，并 由油动机 执行时延 约 0 ． 2 5 s ，阀门全部打开， O P C退 出，调 速系统重新控制阀门 J 。O P C的定值设置限定了机 组的调频范围，当孤 网运行不平衡功率较大时，如 果O P C控制策略选择不当， 不但无法实现保护功能， 而且会使汽门频繁开关，严重影响机组安全，并且 会引发频率振荡或失稳事故，导致孤网崩溃 。 2 孤网运行时的火电机组一次调频策略 孤 网运行面临的风险主要来 自孤 网内不平衡功 率， 通常 ， 在孤网形成初期的不平衡功率最为严重， 对于机组，要能够对形成的任何孤网都起到调节作 用，就需要机组具备能够适应最恶劣工况的能力。 因此本文主要研究在较大的不平衡功率下形成孤网 时，单台孤 网的频率动态响应，并分析其相应的频 率控制策略。 2 ． 1 孤网运行时一次调频的主要影响因素分析 机组的一次调频能力反映了机组对负荷变化引 起的转速变化的控制能力。在衡量孤网运行时机组 一 次调频性能时，以下参数对机组的一次调频性能 有很重要的影响调差系数、调频限幅、调频死区 叶健忠，等 地区电网火电机组孤网运行频率控制策略研究 一1 2 5- 以及 OP C动作定值。O P C动作定值限制了一次调 频的范围。 1 调差系数的影响 通常参与并网一次调频 的火 电机组的调差系数 范围为 0 ． 0 4 ～ 0 ． 0 5 ，一般机组按照 0 ． 0 5设置。为分 析一次调频调差系数的影响，取消一次调频限幅环 节，不考虑 O P C保护的影响，形成孤网时，调差系 数为0 ． 0 4 与调差系数为0 ． 0 5 时的频率变化的仿真曲 线如图 3所示。孤网形成后 ，通过一次调频功能， 能够使孤 网稳定，但是一次调频是有差调节，不能 够使频率返回额定值。调差系数较小时，机组 的调 频能力强，频率超调量和稳态偏差较小 ，但频率的 稳定时间较长。 图 3不同调差系数时频率变化曲线 F i g ． 3 F r e q u e n c y c u r v e i n d i ffe r e n t s p e e d g o v e mi n g d r o o p 2 调频限幅的影响 一 般火电机组均设置 6 ％- - x 1 0 ％的调频限幅 。 为了分析一次调频限幅环节的影响，将前面所述调 差系数为 0 ． 0 4的火电机组一次调频功能添加 限幅环 节，限制幅度为土 1 0 ％。在调频限幅的作用下，机组 出力超过限幅环节后就不再进行调节，频率继续上 升会触发 O P C动作 ， 导致频率和功率反复振荡，孤 网不能稳定运行 。 调频限幅影响下触发 O P C动作 的 仿真 曲线见 图 4 。 3 调频死区的影响 一 般要求参与并 网一次调频机组的调频死区设 为士 O ． 0 3 4 H z 土 2 r ／ mi n 。调频死区的设置对机组一 次调频会产生较大的影响，它是为了防止电网频率 在小范围内波动时汽轮机调门不必要的频繁动作而 引起的设备不安全运行。当形成孤网时，调差系数 为 0 ． 0 4 ，取消调频限幅和 O P C，不同调频死区时的 仿真 曲线如 图 5所示 。从图 5可 以看到调频死区会 恶化频率调节的动态过程，调频死区越大，频率动 超调量和稳态偏差越大。 4 OP C定值设置的影响 O P C动作定值限定了一次调频的范围， 使机组 不能充分发挥一次调频的作用。 为了分析 OP C定值 的影响，取消一次调频 限幅环节 ，调差系数设置为 0 ． 0 4 ，取消调频限幅，死区设为零，设置不同 O P C 动作定值的仿真 曲线如图 4所示，O P C动作定值较 小时，当发生较大功率扰动 的情况下，会导致 O P C 动作，造成频率的反复振荡，同时当 O P C返回时， 调门重新开启时间延时较长的情况下，还会引起低 频问题 ，严重时会导致低频减载装置动作，使孤 网 更加难以稳定。 图 4不同0 p c动作定值时频率变化曲线 F i g ． 4 F r e q u e n c y c u r v e i n d i ffe r e n t s e t t i n g v a l u e o f OP C 图 5不同调频死区时的频率变化曲线 F i g ． 5 F r e q u e n c y c u r v e i n d i ff e r e n t d e a d b a n d 2 ． 2孤网运行时一次调频策略 孤网运行时，负荷的大幅波动引起的频率变化 需要靠机组一次调频的快速 ，大幅度调节来保持稳 定。孤 网运行时机组的一次调频策略如下 。 1 减小调差系数 ，增强机组一次调频能力。 较小 的调差 系数 能有 效地减 少频率 的超 调量 和稳定时的频率偏差，有利于避免频率变化过大引 起 O P C动作而导致频率大幅振荡。 虽较小的调差系 数下，频率的稳定时间会增加，但机组一次调频的 主要的主要任务是对频率进行快速调节，防止频率 超调量过大导致 OP C动作。 所以应设置较小的调差 系数。建议调差系数设定范围为 O ． 0 4 ～ 0 ． 0 4 5 。 2 增大调频限幅，充分发挥一次调频功能。 一 1 2 6一 电力 系统保护 与控制 当孤网发生较大的功率扰动时，较小的一次调 频范围不能抑制频率的变化 。当一次调频负荷下限 绝对值 小于不平衡功率，会触发 O P C动作，出 现调节系统周期性摆动现象 ，机组和电网不能稳定 运行。当一次调频上限小于不平衡功率 绝对值 ， 转速将持续下降。调频限幅主要考虑的是故障导致 负荷较大幅度减少时，调频下限设置的问题 ，需增 大调频下限来抑制频率上升 ，必要 时可采用下限不 限幅方式。 3 减小调频死区，改善频率的动态响应。 孤网运行时，调频死区使一次调频动作相对较 晚，更易导致 O P C动作，因此 ， 在形成孤网时考虑 对频率响应特性，应将调频死区设置为零。但当孤 网运行稳定后，为了避免频率波动而导致调节系统 的反复动作 ，可适当增加系统的一次调频死区，如 恢复到与并网运行相当的数值士 0 ． 0 3 4 Hz 。 4 适当提高 OP C动作定值，防止频率大幅振 荡。 孤 网运行时 O P C动作会导致频率大幅振荡， 孤 网失稳 ，应提高 O P C 动作设定值设置使一次调频 充分发挥作用。 如将 OP C动作定值设置为额定转速 的 1 0 6 ％ 3 1 8 0 r ／ mi n ， 这样可以提高一次调频的调 节范围，防止 O P C 动作导致频率振荡 。O P C动作 定值的设置与频率超调量有密切关系，需根据调差 系数 ，调频限幅的设定情况进行配合调整 。 3 孤 网运行时的火 电机组二次调频策略 3 。 1孤网运行时二次调频实现方式 孤网形成后 ，通过一次调频调节 ，频率稳定后 偏离额定值。二次调频的实质是调整机组出力与负 荷平衡，实现二次调频的方式主要有两种一是人 工改变功率设定，此方式只有在有计划主动建立孤 网，预先确定孤网容量的情况下，对孤网初期的频 率调节起到重要作用。但此方式对负荷变动的适应 性较差，要求 电厂需具有一定的孤网运行预案；二 是投入转速 P I D控制， 转速 P I D功能一般在机组启 动到并网的过程中投入，并网后退出。转速 P I D控 制在孤网运行时对负荷扰动具有 良好的适应性 ，能 自动根据不平衡功率来调节机组出力，在机组调节 范围内实现无差调频。孤网运行时，转速 P I D控制 投入与否的频率变化对 比曲线如图 6所示。 3 ． 2孤网运行时转速 P I D调节特性分析 不同机组转速 P I D控制器的参数设置差异 比较 大 ，一组较典型的参数为 5 、K D 0 、KI 1 0 。 图 6转速 P I D控制作用下的频率变化曲线 F i g ． 6 Fr e q u e n c y c u r v e a t s p e e d P I D c o n t r o l 比例作 用控制输 出的大小与误 差的大小成 正 比。在孤网运行控制方式下，P I D 控制器与一次调 频回路并联， 的作用效果与一次调频回路叠加， 实际改变了机组的调差系数。 的影响可参照图 2 ， 设置过大会引起频率振荡不稳定。 积分作用 目的是为了消除静差，达到无差调节 的效果。设设置 --- - 0 、KD 0不同的 仿真波形如 从图 7所示 ， 设置越大 ，消除频率偏差的时间越 短，但引起 的频率振荡越大。 图 7不同 值时的频率变化曲线 F i g ． 7 F r e q u e n c y c u r v e i n s e t t i n g o f 微分作用可以在发现有产生误差的趋势就开始 调节，是提前控制，能改善动态 响应 。设置 0 、 KI 5不同的K D仿真波形如从图 8所示 ，KD 越大 ， 微分作用越强，在微分作用下，频率的超调量和波 动范围都减少，使机组有更好 的频率响应。 ∥s 图 8不同KD 值时的频率变化曲线 F i g ． 8 F r e q u e n c y c u r v e i n s e t t i n g O f KD 叶健忠，等 地区电网火电机组孤网运行频率控制策略研究 3 ． 3孤网运行时转速 P I D调节策略 会影响到调差系数，频率的快速调节主要在 一 次调频中实现，因此孤 网运行 时设置较小的 值，建议设定范为 0 。 孤网运行时一次调频为主要调节，二次调频为 辅助调节 ，二次调频作用效果不应太强， 是实现 二次调频最重要的参数。为避免积分作用过强引起 频率振荡不稳定。孤 网运行时，适当减小 值 ，建 议 的设置范围为 3 - 8 。 微分作用只能作为 比例和积分控制 的一种补 充，其作用不太强会引起孤网频率振荡。机组在启 动过程中通常设置 KD为零，但孤网运行时，为改 善频率的动态 响应，应当合理设置 KD值，如设置 为 1 ，建议 K D的设定范围为 0 - 2 。 4 实际孤网运行试验 4 ． 1试验情况 2 0 1 0年 6月， 在广州某电厂进行了广东省首次 孤 网运行试验 。试验以本文提 出的频率控制策略为 指导。试验机组额定功率为 2 5 MW，汽轮机为无再 热式， 蒸汽容积 时间常数为 0 - 3 S 机组控制方式为转 速控制方式， 调差系数为 0 ． 0 4 5 ， 调频死区为 0 r ／ mi n ， 调频限幅上下限不限幅 ， O P C设置为 1 0 6 ％，二次 调频方式采用改变功率设定。孤网试验前，机组并 网时出力为 1 6 Mw， 主变变高开关解列后带其厂用 电及系统扩容站负荷 8 MW ，形成孤网运行的状 态 ，孤 网形成瞬间功率差额为 5 O ％。 4 ． 2孤网试验频率响应 孤 网形成瞬间， 机组出力 l 6 Mw， 负荷 8 Mw， 按调差系数 0 ． 0 4 5计算 ，一次调频后的频率稳定在 5 1 ． 1 2 5 Hz ，但通过改变功率设定，机组出力调整为 8 Mw，与负荷平衡，频率能稳定在额定值。根据 试验的实际情况，应用本文所提出的控制策略，以 断开主变变高开关前 1 0 s 为起始时间，孤网形成时 频率响应的仿真曲线和实际录波 曲线的对比见图 9。 仿真曲线频率最大值为 5 1 ． 7 5 Hz ，周期振荡减 幅下降，约 8 0 S 频率基本稳定于额定值。试验的频 率在孤 网形成瞬间迅速上升，1 2 S上升到最大值 5 1 ． 9 6 H z ，在调速系统的快速调节下，频率 以周期 约 4 ． 6 S 的周期减幅振荡下降， 8 0 S 后频率基本稳定 在 5 0 H z ，之后孤 网稳定在额定频率运行 。从 图 9 可看出，实际录波比仿真结果频率超调量大，频率 振荡时间较长，但仿真波形与实际录波的频率稳定 时间基本相同，整体趋势非常一致。 图9仿真与实际录波频率响应曲线对比 F i g ． 9 Co mp a r i s o n o f f r e q u e n c y r e s p o n s e c u r v e b e t we e n t h e s i mu l a t i o n a n d me a s u r e d r e s u l t s 受电厂调速系统功能的限制，试验中二次调频 采用 了本文提出二次调频实现方式的第一种 ，改变 功率设定。由于试验 已预先确定孤网的容量 ，试验 初期通过人工调节机组出力与负荷平衡，加快调节 速度 ，减小频率超调量 。此方法与采用转速 P I D控 制进行二次调频的 目标是一致的。转速 P I D二次调 频策略具有更好的孤 网运行适应性，能 自动根据功 率不平衡来调节机组出力，在机组调节范围内实现 无差调频 。 试验结果表明仿真模型能反映机组在孤网运行 条件下的响应特性，以及频率控制策略是正确有效 的。 调频策略可增强机组对孤网运行工况的适应性， 具有 良好 的实践指导意义。 5 结论 机组 的控制方式和系统参数 的设置是影 响机 组孤 网运行频率控制 能力的最主要因素。本文根据 孤网运行的频率特性 ，在对影响机组孤网运行频率 响应 的主要影响因素 的仿真分析的基础上 ，提出了 一 种考虑孤网运行特性的频率控制策略。该控制策 略适应性强，可作为各类型火 电机组面对孤 网工况 时的控制指导，对于保证 电网和机组本身安全具有 很强的实践价值和参考意义。 实际上，孤网能否稳定运行，一方面取决于机 组对负荷和频率的调节能力，另一方面也与机组所 在的地区电网的电网运行方式、安 自装置、负荷情 况有着密切的联系。为进一步完善孤网运行的控制 策略，使其更有效的投入生产实际，孤网运行的机 网协调控制策略将是下一步研究的重点。 ． 1 2 8 一 电力 系统保护与控制 参考文献 [ 1 ] 林火华，王文，韦元养，等．2 2 0 k V桂林电网孤网稳 定运行控制技术[ J 】 ． 南方电网技术， 2 0 0 8 ， 2 3 4 9 ． 5 3 ． L1 N Hu o h u a ， WANG We n， W EI Y u a n - 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