CN104638650B - 一种利用原动机输出转矩控制发电机频率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用原动机输出转矩控制发电机频率的方法，步骤如下：A：计算各个机组的额定功率P_Gi的数值，设定各个机组的功率调节范围，并确定电网负荷的负荷调节效应系数K_LD的数值；B：计算各个机组的扰动量ΔP_i；C：计算各个机组单位调节功率K_Gi；D：根据系统的实时频率f与额定频率f_N的差值Δf对各个机组分别进行PI运算得到各个机组的功率调整量ΔP_Gi，考虑电力负荷的调节效应，得到(ΔP_Gi‑ΔP_i)÷K_LD＝Δf(5)；E：根据各个机组的转子运动方程式，结合步骤D中得到的式(5)得到各个机组的原动机的实时输出转矩T_Mi，将计算得到T_Mi作为各个机组的输入来控制系统的输出频率。本发明的调频控制方法简单可靠，能够实现电力系统调频的自动化，快速跟踪系统的频率变化，节约了人力成本，提高了电力系统的可靠性。

Description

一种利用原动机输出转矩控制发电机频率的方法

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化领域，具体涉及的是一种利用原动机输出转矩控制发电机频率的方法。

背景技术

频率是电力系统最重要的运行参数之一，频率变化对系统的安全稳定运行具有重要的影响。电网发生有功不平衡时，将系统频率快速调节到额定频率极其重要，一次调频和二次调频可以有效地解决这一问题。一次调频是发电机组根据系统频率偏差调整功率输出，可以迅速消除扰动作用下电网的频率波动。二次调频是对发电机的功频特性曲线进行调整，使电网频率偏差趋向于零。

当前的火电机组一次调频是靠机组的调速器自动调节，并且发电机组单位调节功率参数一般为固定值，不能动态的跟踪电网的变化。二次调频则是靠部分机组的同步器完成，对于没有安装自动发电控制的二次调频机组，则需要人工操作，容易引起误操作。

当电力系统突然发生有功不平衡时，系统频率短时间内会迅速发生变化。基于上述一次调频和二次调频的缺点，提出本发明，可以快速自动的调节发电机的输出功率，使系统频率快速收敛到额定值。

发明内容

本发明要解决的是当前一次调频调不能动态的跟踪电网的变化，二次调频要依靠同步器，若不安装同步器则需要人工操作，易引起误操作等调频技术不足的技术问题。从而提供一种利用原动机输出转矩控制发电机频率的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种利用原动机输出转矩控制发电机频率的方法，步骤如下：

A：计算各个机组的额定功率P_Gi的数值，设定各个机组的功率调节范围，并确定电网负荷的负荷调节效应系数K_LD的数值；

B：计算各个机组的扰动量ΔP_i；

C：计算各个机组单位调节功率K_Gi；

D：根据系统的实时频率f与额定频率f_N的差值Δf对各个机组分别进行PI运算得到各个机组的功率调整量ΔP_Gi，考虑电力负荷的调节效应，得到

(ΔP_Gi-ΔP_i)÷K_LD＝Δf (5)；

E：根据各个机组的转子运动方程式，结合步骤D中得到的式(5)得到各个机组的原动机的实时输出转矩T_Mi，将计算得到T_Mi作为各个机组的输入来控制系统的输出频率。

所述步骤B具体如下：先计算出各个机组的实时输出功率P_Gi'；再结合各个机组的额定输出功率P_Gi计算出机组输出功率总和的变化量ΔP，

$\mathrm{\ΔP}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P_{\mathrm{Gi}}}^{\′}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Gi}}---\left(1\right);$

然后根据各个机组的额定输出功率P_Gi和机组输出功率总和的变化量ΔP，得到各个机组的扰动量ΔP_i，

${\mathrm{\ΔP}}_i=\frac{P_{\mathrm{Gi}}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Gi}}}\×\mathrm{\ΔP}---\left(2\right);$

其中，n为机组的总数量，P_Gi'为第i台机组的实时输出功率，P_Gi为第i台机组的额定功率，ΔP_i为第i台机组的扰动量。

所述步骤C具体如下：根据各个机组的实时输出功率P_Gi'和系统的额定频率f_N，计算出各个机组的单位调节功率K_Gi，

$K_{\mathrm{Gi}}=\frac{{P_{\mathrm{Gi}}}^{\′}}{f_N}\×{K_{\mathrm{Gi}}}^{*}---\left(3\right);$

其中，K_Gi为第i台机组的单位调节功率值，K_Gi ^*为K_Gi的标幺值，

一般取16.7-25；为了满足实际机组的出力能力，对K_Gi做出限定，

K_Gi(min)≤K_Gi≤K_Gi(max) (4)；

其中，K_Gi(min)和K_Gi(max)分别为第i台机组的单位调节功率的下限和上限；当K_Gi小于K_Gi(min)时，取K_Gi＝K_Gi(min)；当K_Gi大于K_Gi(max)时，取K_Gi＝K_Gi(max)。

在步骤D中，比例运算P相当于电力系统一次调频，各个机组的比例系数分别取为K_Gi；积分运算I相当于电力系统二次调频，所有机组的积分系数统均为0.01。

在步骤E中，所述各个机组的转子运动方程式如下：

$\left.\begin{array}{c}\frac{1}{{\mathrm{\ΔT}}_i\left(S\right)}=\frac{1}{T_{\mathrm{Ji}}S+D_i}\×\frac{1}{\mathrm{\Δf}\left(S\right)}\×\frac{1}{2\mathrm{\π}}\\ {\mathrm{\ΔT}}_i={\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Mi}}-{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Ei}}\\ {\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Mi}}=T_{\mathrm{Mi}}-T_{\mathrm{MNi}}\\ {\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Ei}}=\frac{P_{\mathrm{Ei}}}{{\mathrm{\ω}}_i}-\frac{P_{\mathrm{ENi}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Ni}}}\end{array}\right\}---\left(6\right);$

其中，T_Ji为第i台机组的惯性时间常数；D_i为第i台机组的阻尼系数；ω_i为第i台机组的实时角速度，ω_Ni为第i台机组的额定角速度；T_Mi为第i台机组的原动机实时输出机械转矩，T_MNi为第i台机组的原动机额定输出机械转矩；P_Ei为第i台机组的实时电磁功率，P_ENi为第i台机组的额定电磁功率；ΔT_Ei为第i台机组的电磁转矩的变化量；ΔT_Mi为第i台机组的原动机机械转矩的变化量；ΔT_i为第i台机组的原动机机械转矩的变化量与第i台机组的电磁转矩的变化量的差值。

结合工程实际，忽略阻尼摩擦等损耗，所述第i台机组的实时电磁功率P_Ei取为第i台机组的实时输出功率P_Gi'，第i台机组的额定电磁功率P_ENi取为第i台机组的额定输出功率P_Gi，第i台机组的原动机额定输出机械转矩T_MNi取为第i台机组的额定输出转矩。

本发明以电力系统一次调频和二次调频为基础理论，将一次调频和二次调频作为比例积分(PI)环节引入控制部分，结合发电机转子运动方程，利用原动机输出的机械转矩直接对发电机进行控制，可以快速自动的调节频率，使之稳定在额定值，大大提高了电力系统的安全问题运行。

本发明的调频控制方法简单可靠，可运用于电力系统在线控制以及离线仿真分析。利用PI控制实现电力系统调频，其中，对比例参数进行了优化，能够实现系统频率的快速收敛，使系统的频率波动很小。将系统突变作为扰动量引入控制环节，并对扰动量进行合理量化，只需获取少量的参数，即可以进行实时计算，能够实现电力系统调频的自动化，快速跟踪系统的频率变化，节约了人力成本，提高了电力系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的仿真的系统输出频率图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的控制方法做进一步详细的描述。

实施例：一种利用原动机输出转矩控制发电机频率的方法，以IEEE的3机9节点为仿真案例，要求系统在t＝1.5s时突然增加50MW的情况下，系统快速收敛至50Hz，同时最大频率偏差不超过0.02Hz。

根据IEEE的3机9节点模型的原始数据进行分析计算线路参数、变压器参数、负荷参数和发电机参数等数据。

如图1所示，本发明的控制方法通过以下步骤实现：

A：计算各个机组的额定功率P_Gi的数值，设定各个机组的功率调节范围，并确定电网负荷的负荷调节效应系数K_LD的数值。

在系统额定运行情况下，分别计算3个机组的额定功率值P_G1，P_G2，P_G3，设定3个机组各自的功率调节范围；并确定电网负荷的负荷调节效应系数K_LD的数值。

B：计算各个机组的扰动量ΔP_i。

先分别计算出3个机组的实时输出功率P_G1'，P_G2'，P_G3'；

再结合3个机组的额定功率值P_G1，P_G2，P_G3，计算出机组输出功率总和的变化量ΔP。

$\mathrm{\ΔP}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P_{\mathrm{Gi}}}^{\′}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Gi}}---\left(1\right)$

然后将3个机组的额定输出功率P_Gi和机组输出功率总和的变化量ΔP，分别带入式(2)中得到3个机组的扰动量ΔP₁，ΔP₂，ΔP₃。

${\mathrm{\ΔP}}_i=\frac{P_{\mathrm{Gi}}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Gi}}}\×\mathrm{\ΔP}---\left(2\right)$

其中，n为机组的总数量，P_Gi'为第i台机组的实时输出功率，P_Gi为第i台机组的额定功率，ΔP_i为第i台机组的扰动量。

C：计算各个机组单位调节功率K_Gi。

将3个机组的实时输出功率P_G1'，P_G2'，P_G3'和系统的额定频率f_N，分别带入式(3)中，计算出3个机组的单位调节功率K_G1，K_G2，K_G3。

$K_{\mathrm{Gi}}=\frac{{P_{\mathrm{Gi}}}^{\′}}{f_N}\×{K_{\mathrm{Gi}}}^{*}---\left(3\right)$

其中，K_Gi为第i台机组的单位调节功率值，K_Gi ^*为K_Gi的标幺值，一般取16.7-25；为了满足实际机组的出力能力，对K_Gi做出限定，

K_Gi(min)≤K_Gi≤K_Gi(max) (4)

其中，K_Gi(min)和K_Gi(max)分别为第i台机组的单位调节功率的下限和上限。当K_Gi小于K_Gi(min)时，取K_Gi＝K_Gi(min)；当K_Gi大于K_Gi(max)时，取K_Gi＝K_Gi(max)。

在本实施例中，K_G1 ^*＝20，K_G2 ^*＝25，K_G3 ^*＝17，K_G1(min)＝0.034，K_G1(max)＝0.051；K_G2(min)＝0.065，K_G2(max)＝0.098；K_G3(min)＝0.023，K_G3(max)＝0.035。

D：根据系统的实时频率f与额定频率f_N的差值Δf对各个机组分别进行PI运算得到各个机组的功率调整量ΔP_Gi，考虑电力负荷的调节效应，得到

(ΔP_Gi-ΔP_i)÷K_LD＝Δf (5)

将系统的实时频率f与额定频率f_N的差值Δf对3个机组分别进行PI运算，得到3个机组的功率调整量ΔP_G1，ΔP_G2，ΔP_G3。

其中，比例运算P相当于电力系统一次调频，3个机组的比例系数分别取为K_G1，K_G2，K_G3。积分运算I相当于电力系统二次调频，所有机组的积分系数统均为0.01。

将3个机组的功率调整量ΔP_G1，ΔP_G2，ΔP_G3和3个机组的扰动量ΔP₁，ΔP₂，ΔP₃，分别带入式(5)中。

E：根据各个机组的转子运动方程式，结合步骤D中得到的式(5)得到各个机组的原动机的实时输出转矩T_Mi，将计算得到T_Mi作为各个机组的输入来控制系统的输出频率。

所述各个机组的转子运动方程式如下：

$\left.\begin{array}{c}\frac{1}{{\mathrm{\ΔT}}_i\left(S\right)}=\frac{1}{T_{\mathrm{Ji}}S+D_i}\×\frac{1}{\mathrm{\Δf}\left(S\right)}\×\frac{1}{2\mathrm{\π}}\\ {\mathrm{\ΔT}}_i={\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Mi}}-{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Ei}}\\ {\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Mi}}=T_{\mathrm{Mi}}-T_{\mathrm{MNi}}\\ {\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{Ei}}=\frac{P_{\mathrm{Ei}}}{{\mathrm{\ω}}_i}-\frac{P_{\mathrm{ENi}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Ni}}}\end{array}\right\}---\left(6\right)$

其中，T_Ji为第i台机组的惯性时间常数；D_i为第i台机组的阻尼系数；ω_i为第i台机组的实时角速度，ω_Ni为第i台机组的额定角速度；T_Mi为第i台机组的原动机实时输出机械转矩，T_MNi为第i台机组的原动机额定输出机械转矩；P_Ei为第i台机组的实时电磁功率，P_ENi为第i台机组的额定电磁功率；ΔT_Ei为第i台机组的电磁转矩的变化量；ΔT_Mi为第i台机组的原动机机械转矩的变化量；ΔT_i为第i台机组的原动机机械转矩的变化量与第i台机组的电磁转矩的变化量的差值。

合工程实际，忽略阻尼摩擦等损耗，所述第i台机组的实时电磁功率P_Ei取为第i台机组的实时输出功率P_Gi'，第i台机组的额定电磁功率P_ENi取为第i台机组的额定输出功率P_Gi，第i台机组的原动机额定输出机械转矩T_MNi取为第i台机组的额定输出转矩

将3个机组的在步骤D中得到各自的差值Δf代入到式(6)中，经计算得到3个机组的原动机实时输出机械转矩T_M1，T_M2，T_M3。其中，T_M1，T_M2，T_M3是关于系统的实时频率f的函数。

将计算得到的3个机组的原动机实时输出机械转矩T_M1，T_M2，T_M3，分别作为3个机组的输入进而控制系统的实时频率f。

本发明的仿真的系统输出频率图，如图2所示。

以上实施方式仅用于对本发明的描述，而非对本发明的限制。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的变化或修改是显而易见的，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围由所附的权力要求定义。

Claims (5)

1.一种利用原动机输出转矩控制发电机频率的方法，其特征在于：步骤如下：

A：计算各个机组的额定功率P_Gi的数值，设定各个机组的功率调节范围，并确定电网负荷的负荷调节效应系数K_LD的数值；

B：计算各个机组的扰动量ΔP_i；

所述步骤B具体如下：先计算出各个机组的实时输出功率P_Gi'；再结合各个机组的额定输出功率P_Gi计算出机组输出功率总和的变化量ΔP，

$\mathrm{\Δ}P=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P_{Gi}}^{\′}-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{Gi}---\left(1\right);$

然后根据各个机组的额定输出功率P_Gi和机组输出功率总和的变化量ΔP，得到各个机组的扰动量ΔP_i，

${\mathrm{\ΔP}}_i=\frac{P_{Gi}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{Gi}}\×\mathrm{\Δ}P---\left(2\right);$

其中，n为机组的总数量，P_Gi'为第i台机组的实时输出功率，P_Gi为第i台机组的额定功率，ΔP_i为第i台机组的扰动量；

C：计算各个机组单位调节功率K_Gi；

D：根据系统的实时频率f与额定频率f_N的差值Δf对各个机组分别进行PI运算得到各个机组的功率调整量ΔP_Gi，考虑电力负荷的调节效应，得到

(ΔP_Gi-ΔP_i)÷K_LD＝Δf (5)；

E：根据各个机组的转子运动方程式，结合步骤D中得到的式(5)得到各个机组的原动机的实时输出转矩T_Mi，将计算得到T_Mi作为各个机组的输入来控制系统的输出频率。

2.根据权利要求1所述的一种利用原动机输出转矩控制发电机频率的方法，其特征在于，所述步骤C具体如下：根据各个机组的实时输出功率P_Gi'和系统的额定频率f_N，计算出各个机组的单位调节功率K_Gi，

$K_{Gi}=\frac{{P_{Gi}}^{\′}}{f_N}\×{K_{Gi}}^{*}---\left(3\right);$

其中，K_Gi为第i台机组的单位调节功率值，K_Gi ^*为K_Gi的标幺值，取16.7-25；为了满足实际机组的出力能力，对K_Gi做出限定，

K_Gi(min)≤K_Gi≤K_Gi(max) (4)；

其中，K_Gi(min)和K_Gi(max)分别为第i台机组的单位调节功率的下限和上限；当K_Gi小于K_Gi(min)时，取K_Gi＝K_Gi(min)；当K_Gi大于K_Gi(max)时，取K_Gi＝K_Gi(max)。

3.根据权利要求1所述的一种利用原动机输出转矩控制发电机频率的方法，其特征在于，在步骤D中，比例运算P相当于电力系统一次调频，各个机组的比例系数分别取为K_Gi；积分运算I相当于电力系统二次调频，所有机组的积分系数统均为0.01。

4.根据权利要求1所述的一种利用原动机输出转矩控制发电机频率的方法，其特征在于：在步骤E中，所述各个机组的转子运动方程式如下：

$\left.\begin{array}{c}\frac{1}{{\mathrm{\ΔT}}_i\left(S\right)}=\frac{1}{T_{Ji}S+D_i}\×\frac{1}{\mathrm{\Δ}f\left(S\right)}\×\frac{1}{2\mathrm{\π}}\\ {\mathrm{\ΔT}}_i={\mathrm{\ΔT}}_{Mi}-{\mathrm{\ΔT}}_{Ei}\\ {\mathrm{\ΔT}}_{Mi}=T_{Mi}-T_{MNi}\\ {\mathrm{\ΔT}}_{Ei}=\frac{P_{Ei}}{{\mathrm{\ω}}_i}-\frac{P_{ENi}}{{\mathrm{\ω}}_{Ni}}\end{array}\right\}---\left(6\right);$

其中，S为拉普拉斯变换中的复变量，T_Ji为第i台机组的惯性时间常数；D_i为第i台机组的阻尼系数；ω_i为第i台机组的实时角速度，ω_Ni为第i台机组的额定角速度；T_Mi为第i台机组的原动机实时输出机械转矩，T_MNi为第i台机组的原动机额定输出机械转矩；P_Ei为第i台机组的实时电磁功率，P_ENi为第i台机组的额定电磁功率；ΔT_Ei为第i台机组的电磁转矩的变化量；ΔT_Mi为第i台机组的原动机机械转矩的变化量；ΔT_i为第i台机组的原动机机械转矩的变化量与第i台机组的电磁转矩的变化量的差值，ΔT_i(S)为ΔT_i进行拉普拉斯变换后的表达式，Δf(S)为Δf进行拉普拉斯变换后的表达式。

5.根据权利要求4所述的一种利用原动机输出转矩控制发电机频率的方法，其特征在于：结合工程实际，忽略阻尼摩擦损耗，所述第i台机组的实时电磁功率P_Ei取为第i台机组的实时输出功率P_Gi'，第i台机组的额定电磁功率P_ENi取为第i台机组的额定输出功率P_Gi，第i台机组的原动机额定输出机械转矩T_MNi取为第i台机组的额定输出转矩。