CN103840476A - 一种基于单机等值模型的高周切机整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高周切机整定方法，具体涉及一种基于单机等值模型的高周切机整定方法。该方法包括下述步骤：（1）基于单机等值模型的频率动态响应分析；（2）确定基于频率响应轨迹的频率稳定性评价指标；（3）送端高周切机方案整定优化。该方法适用于送端频率稳定控制的高周切机策略配置和优化，为区域性大规模的水电、火电、风电能源基地，特别是同一地区大装机、小负荷、高送出模式的电网提供频率稳定的保障。

Description

一种基于单机等值模型的高周切机整定方法

技术领域

本发明涉及一种高周切机整定方法，具体涉及一种基于单机等值模型的高周切机整定方法。

背景技术

高周切机是送端频率稳定控制的有效手段，当送端电网由于连锁跳闸等严重故障导致与主网解列，出现严重的有功不平衡时，合理的高周切机控制策略可以在频率升高到达一定定值时，经过一定的延时，逐轮切除发电机，最终达到有功功率平衡，使系统频率恢复到可接受范围内。目前高周切机方案的配置多采用试配加仿真验证的方法，依赖运行经验和大量的离线仿真计算，缺少快速且系统的整定和优化方法。

频率稳定性是电力系统发生突然的有功功率扰动后，系统频率能够保持或恢复到允许的范围内不发生频率崩溃的能力。根据时间尺度的不同可以分为短期频率稳定和长期频率稳定。目前评价频率稳定性的方法主要包括两类：一类方法主要关注是否引起频率崩溃作为评价指标，该方法认为发电机低频保护动作是频率失稳的必要条件，由此根据频率引起发电机低频保护动作的裕度来衡量频率稳定性，该方法不适用于频率未崩溃却偏离允许运行范围较大的情况，而且对于送端频率异常升高不能有效衡量；另一类方法通过计算频率响应轨迹的最大最小和稳态值来评价频率稳定性，这类方法未考虑频率偏差持续时间的影响，得到的指标不能全面反映频率特性。

分析系统频率稳定性的数学模型可以采用详细的线性微分方程组或者等值简化模型。对于送端频率响应特性而言，由于送端相对于主网地域范围不大，通常是局部区域，频率的时间空间分布特性不明显，因此若采用详细的线性微分方程组通过数值积分求解并不具有明显的优势，但需要更多的计算时间和计算量的代价。现有的单机等值模型对发电机、负荷的有功-频率特性在额定频率点进行线性化，得到的是由比例系数表达的线性化有功-频率模型。高周切机的轮次动作有先后之分，当频率到达不同轮次的阈值时，系统的频率偏离额定频率的程度不同，若仍采用传统线性化模型，对于系统的有功-频率特性的描述会存在较大偏差。因此需要更准确的数学模型。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于单机等值模型的高周切机整定方法，该方法适用于送端频率稳定控制的高周切机策略配置和优化，为区域性大规模的水电、火电、风电能源基地，特别是同一地区大装机、小负荷、高送出模式的电网提供频率稳定的保障。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于单机等值模型的高周切机整定方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

（1）基于分段线性化单机等值频率响应分析模型的频率动态响应分析；

（2）确定基于频率响应轨迹的频率稳定性评价指标；

（3）送端高周切机方案整定优化。

进一步地，所述步骤（1）中，考虑送端系统发电机、负荷的有功-频率特性和调速系统和原动机的调节特性，引入初始运行点对有功-频率特性的影响，得到有功特性随当前运行点频率变化的分段线性化单机等值频率响应分析模型，分段线性化单机等值频率响应分析模型包括调速器-原动机调节特性环节、发电机转子频率响应环节、负荷频率调节特性环节和高周切机及低频减载环节；

在单机等值频率响应分析模型中考虑频率紧急控制策略，包括高周切机和低频减载对频率动态响应的影响；描述高周切机、低频减载各轮次整定值和延时对频率动态特性的影响单机等值频率响应分析模型在系统出现不平衡功率扰动时的频率响应，如式①：

$\mathrm{\ΔF}\left(s\right)=\frac{G_T\left(s\right)}{1+G_T\left(s\right)\·G_P\left(s\right)}\mathrm{\ΔP}\left(s\right)$     ①；

其中：

G_P(s)表示调速器-原动机调节特性环节的传递函数；

为表征发电机惯量和负荷有功-频率特性的传递函数；

T_J表示折算到系统基准容量下等值发电机惯性时间常数；

f₀是某一分段初始时刻系统频率；

K_L是标幺化的负荷频率调节效应系数；

P_L0为频率为f₀时负荷的有功功率。

进一步地，所述步骤（2）中，根据系统运行对频率响应的要求将系统的频率范围划分成不同频带，给每个频带分配权重K_j，根据频率响应轨迹，对进入频带的响应轨迹与频带围成的面积进行积分，对每个频带都同样处理然后加权求和，即得到基于频率响应轨迹的频率稳定性评价指标F；其中F的表达式如下：

$F=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{K}_j\·\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|\left(f\right[t_i]-f_i),0|\×{\mathrm{\Δt}}_i$     ②；

其中：f[t_i]表示频率响应曲线上时刻t_i对应的频率标幺值；f_j表示高于额定频率的频带j的下限频率，或低于额定频率的频带j的上限频率；Δt_i表示频率响应计算采取的时间步长；K_j表示频带j的权重因子；

频带权重K_j的整定根据高周切机的控制策略与频率稳定控制措施的协调配合确定；频率稳定控制措施包括发电机超速保护和低频减载，高周切机的控制策略避免稳定控制措施的误动作，频率动态响应满足以下要求，在特定频带权重K_j下，临界满足要求的频率轨迹的指标F等于1，判断频率响应轨迹是否满足频率稳定性要求；

若F≥1则不满足要求，若F＜1则满足要求，意味着高周切机方案有效，同时F的大小表征系统频率响应的动态特性，F越小说明系统频率波动越小，频率动态响应越好。

进一步地，所述步骤（3）中，送端高周切机方案整定优化包括：

对于已有的高周切机方案，根据各轮次切机量、延时、机组选择相对于评价指标的灵敏度，得出高周切机方案优化方向；

对于需要新配置的高周切机方案，结合高周切机整定原则，在计算得到总切机量、主要切机量、首末轮频率定值的情况下，采用栅格法，得到高周切机基础方案，在此基础方案上根据步骤（1）和（2）进行优化得到合理的高周切机方案，实现送端高周切机方案整定优化。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

（1）本发明提供的高周切机整定方法，避免大量离线仿真计算，计算量小，计算速度快。该方法只需要输入系统参数和高周切机方案就可以快速分析高周切机方案控制效果，由于采用分段线性化模型和稳定性指标，只需要求解j次二阶系统的阶跃响应（j为高周切机的轮次）和一次加权求和，避免了用数值积分法求解微分方程组，计算量小计算速度快，从求解系统频率响应到计算稳定性指标所需时间在几十至几百毫秒。因此可以大大减轻高周切机方案整定的工作量。

（2）本发明提供的高周切机整定方法，在简化计算的同时，分段线性化的单机等值模型能得到正确的频率响应曲线，通过与BPA仿真结果的对比可以得出，简化等值模型的频率响应计算结果在最高频率、最低频率、稳态频率偏差方面都与BPA计算结果相符，误差在允许范围内。虽然最低频率的出现时刻与BPA计算的结果有接近1s的差别，但是在高周切机动作的频率上升段频率响应能与BPA的计算结果相符，因此能正确计算高周切机控制效果。

（3）本发明提供的高周切机整定方法，频率稳定性指标通过比较控制变量相对于指标的灵敏度，合理的给出高周切机的优化的方向，与传统依赖经验和大量尝试反复验证的优化方法相比有明显的优势。减少了优化整定计算的工作量。

附图说明

图1是本发明提供的基于单机等值模型的高周切机整定方法的流程图；

图2是本发明提供的基于参数聚合的分段线性化单机等值频率响应分析模型图；

图3是本发明提供的单机等值模型和BPA详细模型的频率动态响应分析结果对比图；

图4是本发明提供的不同级差方案下系统频率响应曲线图；

图5是本发明提供的不同安控动作情况下高周切机方案控制效果比对图；

图6是本发明提供的高周切机方案在不同运行方式下适应性分析曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的适用于送端频率稳定控制的高周切机整定方法，为区域性大规模的水电、火电、风电能源基地，特别是同一地区大装机、小负荷、高送出模式的电网提供频率稳定的保障。

本发明提供的基于单机等值模型的高周切机整定方法的流程图如图1所示，包括下述步骤：

（1）基于分段线性化单机等值频率响应分析模型的频率动态响应分析：

当系统发生大的扰动，出现有功功率不平衡时，在紧急控制的过程中，系统频率动态响应主要由发电机惯量、有功不平衡量、调速器和汽轮机特性、负荷的频率特性决定。由于频率在送端的空间分布性较小，采用单机带集中负荷的模型计算系统频率的动态变化过程。基于参数聚合的分段线性化单机等值频率响应分析模型图如图2所示，分段线性化单机等值频率响应分析模型包括调速器-原动机调节特性环节、发电机转子频率响应环节、负荷频率调节特性环节和高周切机及低频减载环节；

在单机等值频率响应分析模型中考虑频率紧急控制策略，包括高周切机和低频减载对频率动态响应的影响；描述高周切机、低频减载各轮次整定值和延时对频率动态特性的影响单机等值频率响应分析模型在系统出现不平衡功率扰动时的频率响应，如式①：

$\mathrm{\ΔF}\left(s\right)=\frac{G_T\left(s\right)}{1+G_T\left(s\right)\·G_P\left(s\right)}\mathrm{\ΔP}\left(s\right)$     ①；

其中：

G_P(s)表示调速器-原动机调节特性环节的传递函数；

为表征发电机惯量和负荷有功-频率特性的传递函数；

T_J表示折算到系统基准容量下等值发电机惯性时间常数；

f₀是某一分段初始时刻系统频率；

K_L是标幺化的负荷频率调节效应系数；

P_L0为频率为f₀时负荷的有功功率。

当高周切机策略某一轮次执行时，模型反应高周切机或低频减载策略对不平衡功率的调节作用，当不平衡功率发生变化时，计算得到新的运行点下负荷的频率调节效应系数和等值发电机惯性时间常数，进而计算出新的频率响应曲线，因此在高周切机不同轮次先后动作时，频率响应曲线表现为分段模型。

对于发电机转子运动方程、负荷的有功-频率特性曲线在当前频率点进行线性化可以得到分段线性化的数学模型，克服了传统线性化模型在频率偏差较大时误差较大的问题，加入了频率紧急控制策略，包括高周切机和低频减载对频率动态响应的影响。可以详细描述高周切机和低频减载各轮次整定值和延时对频率动态特性的影响。从而可以正确分析系统在不同高周切机方案作用下频率动态响应，又避免了大量仿真计算。本发明提供的单机等值模型和BPA详细模型的频率动态响应分析结果对比图如图3所示。

（2）确定基于频率响应轨迹的频率稳定性评价指标：

根据系统运行对频率响应的要求将系统的频率范围划分成不同频带，例如51Hz至51.5Hz的部分为一个频带，给每一个频带分配一个权重K_j，根据频率响应轨迹，对进入频带的轨迹与频带围成的面积进行积分，对每个频带都同样处理然后加权求和，即得到基于频率响应轨迹的频率稳定性评估指标F；频率稳定性评估指标F的表达式如下：

$F=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{K}_j\·\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\max \{\left(f\right[t_i]-f_i),0\}\×{\text{\Δt}}_i$     ②；

f[t_i]：频率响应曲线上时刻t_i对应的频率标幺值；f_j：高于额定频率的频带j的下限频率，或低于额定频率的频带j的上限频率；Δt_i：频率响应计算采取的时间步长；K_j:频带j的权重因子；

频带权重K_j的整定应根据高周切机方案与其他频率稳定控制措施的协调配合确定。其他的频率稳定控制措施包括发电机超速保护（Over-Frequency Protection Control，OPC）低频减载（Under Frequency Load Shedding，UFLS）等，高周切机的控制策略应避免其他控制策略的误动作，因此对频率动态响应提出了要求，根据此要求可以合理设置频带，另在特定权重下，临界满足要求的频率轨迹的指标F等于1，从而可以判断频率响应轨迹是否满足频率稳定性要求。若F≥1则不满足要求，若F＜1则满足要求，意味着高周切机方案有效，同时F的大小表征了系统频率响应的动态特性，F越小说明系统频率波动越小，频率动态响应越好。

（3）送端高周切机方案快速整定优化：

对于已有高周切机方案的情况，采用步骤（1）和（2）所述方法，计算得到指标F的数值，计算指标F相对于各轮次切机延时和不同机组切机选择的灵敏度，选取能使F减小的、具有最高灵敏度的参变量，以此优化高周切机方案。

对于需要新配置高周切机方案的情况，可以通过单机等值模型得出的稳态频率偏差计算典型故障下总切机量，主要切机量，通过计算最大瞬时频率上升，比较不同首末轮次对最高频率的影响确定首末轮次频率整定值，采用各轮次等切机量相同延时得到高周切机基础方案，在基础方案的基础上采用上述优化方法，得到优化的高周切机方案。

实施例

下面结合某地区高周切机方案的配置与优化说明所述高周切机整定优化方法的具体实施过程。

（1）某地区装机9000MW，峰值负荷2000MW，外送功率根据开机方式的不同在4000～6000MW不等，该地区若发生引起连锁跳闸的严重故障，会导致送端地区孤网，功率不平衡严重。以某季节大方式作为研究的典型方式，将运行机组惯性时间常数折算到基准容量下再求和可得单机等值系统惯性时间常数，将运行机组调速器、原动机分别简化为一阶惯性环节，将时间常数按机组容量占总运行机组容量的比例加权求和得到等值系统调速器、原动机时间常数。将负荷频率调节效应系数作为等值系统的负荷调节效应。

（2）根据等值模型稳态频率偏差表达式，在典型开机方式下，不考虑安控装置的动作，得到总切机量。考虑安控装置的动作，得到主要切机量。考察保持系统稳定的N-1、N-2故障下系统瞬时频率上升的最大值，留有一定的裕度得到首轮定值，根据有功不平衡消除后频率短时上升的情况确定末轮定值。通常设置3～5轮高周切机，均匀设置切机量，根据高周切机各轮次延时整定的原则确定各轮次延时，得到一个或多个高周切机基础方案。如表下①所示：

表①高周切机基础方案

（3）采用等值计算模型计算高周切机方案控制下系统频率响应曲线，根据频率响应曲线计算频率稳定性评价指标，若F≥1，方案不可行，更改延时整定值再做计算，若F＜1，计算不同级差设置，不同切机量配置，不同切机顺序选择时的频率稳定性指标F，选取能使F最小的方案作为优化方案。以级差为例，选定三种级差方案分别如表②方案1、方案2、方案3所示：

表②不同级差方案指标F对比

根据三种方案得到的频率响应曲线，如图4所示，计算不同方案的控制下系统频率响应的稳定性评价指标F的数值，结果如表②所示，由此得出方案2的级差设置更有利于系统频率稳定。

同理对切机量配置，切机顺序等因素分别优化可以得到高周切机优化方案。如表③所示：

表③高周切机优化方案

（4）根据得到的方案，采用实际电网的数据基于仿真平台校核高周切机方案在不同运行方式下的适应性。若适应性满足要求，即可确定最终方案。例如针对得到的高周切机优化方案，分别考虑安控装置正确动作，安控策略拒动，高周切机一台机拒动情况下，系统频率响应。如图5所示，为不同安控动作情况下高周切机方案控制效果图。

考虑电网大运行方式、中运行方式、小运行方式下高周切机方案的适应性，仿真计算得到不同方式下，高周切机控制效果如图6所示，为不同开机方式下高周切机方案控制效果。

根据适应性的分析确定所得到的高周切机方案具有良好的适应性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于单机等值模型的高周切机整定方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

（1）基于分段线性化单机等值频率响应分析模型的频率动态响应分析；

（2）确定基于频率响应轨迹的频率稳定性评价指标；

（3）送端高周切机方案整定优化。

2.如权利要求1所述的高周切机整定方法，其特征在于，所述步骤（1）中，考虑送端系统发电机、负荷的有功-频率特性和调速系统和原动机的调节特性，引入初始运行点对有功-频率特性的影响，得到有功特性随当前运行点频率变化的分段线性化单机等值频率响应分析模型，分段线性化单机等值频率响应分析模型包括调速器-原动机调节特性环节、发电机转子频率响应环节、负荷频率调节特性环节和高周切机及低频减载环节；

在单机等值频率响应分析模型中考虑频率紧急控制策略，包括高周切机和低频减载对频率动态响应的影响；描述高周切机、低频减载各轮次整定值和延时对频率动态特性的影响单机等值频率响应分析模型在系统出现不平衡功率扰动时的频率响应，如式①：

$\mathrm{\ΔF}\left(s\right)=\frac{G_T\left(s\right)}{1+G_T\left(s\right)\·G_P\left(s\right)}\mathrm{\ΔP}\left(s\right)$     ①；

其中：

G_P(s)表示调速器-原动机调节特性环节的传递函数；

为表征发电机惯量和负荷有功-频率特性的传递函数；

T_J表示折算到系统基准容量下等值发电机惯性时间常数；

f₀是某一分段初始时刻系统频率；

K_L是标幺化的负荷频率调节效应系数；

P_L0为频率为f₀时负荷的有功功率。

3.如权利要求1所述的高周切机整定方法，其特征在于，所述步骤（2）中，根据系统运行对频率响应的要求将系统的频率范围划分成不同频带，给每个频带分配权重K_j，根据频率响应轨迹，对进入频带的响应轨迹与频带围成的面积进行积分，对每个频带都同样处理然后加权求和，即得到基于频率响应轨迹的频率稳定性评价指标F；其中F的表达式如下：

$F=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{K}_j\·\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|\left(f\right[t_i]-f_i),0|\×{\mathrm{\Δt}}_i$     ②；

其中：f[t_i]表示频率响应曲线上时刻t_i对应的频率标幺值；f_j表示高于额定频率的频带j的下限频率，或低于额定频率的频带j的上限频率；Δt_i表示频率响应计算采取的时间步长；K_j表示频带j的权重因子；

频带权重K_j的整定根据高周切机的控制策略与频率稳定控制措施的协调配合确定；频率稳定控制措施包括发电机超速保护和低频减载，高周切机的控制策略避免稳定控制措施的误动作，频率动态响应满足以下要求，在特定频带权重K_j下，临界满足要求的频率轨迹的指标F等于1，判断频率响应轨迹是否满足频率稳定性要求；

若F≥1则不满足要求，若F＜1则满足要求，意味着高周切机方案有效，同时F的大小表征系统频率响应的动态特性，F越小说明系统频率波动越小，频率动态响应越好。

4.如权利要求1所述的高周切机整定方法，其特征在于，所述步骤（3）中，送端高周切机方案整定优化包括：

对于已有的高周切机方案，根据各轮次切机量、延时、机组选择相对于评价指标的灵敏度，得出高周切机方案优化方向；

对于需要新配置的高周切机方案，结合高周切机整定原则，在计算得到总切机量、主要切机量、首末轮频率定值的情况下，采用栅格法，得到高周切机基础方案，在此基础方案上根据步骤（1）和（2）进行优化得到合理的高周切机方案，实现送端高周切机方案整定优化。

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