CN105119543B - 一种发电机组调速系统远端线路甩负荷的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发电机组调速系统远端线路甩负荷的控制方法及系统，涉及发电技术领域。本发明技术要点包括：采集发电机组的频率；计算所述频率相对于时间的变化率，将所述变化率与正常调速时的机组频率变化率比较，当所述变化率大于正常调速时的机组频率变化率时认为出现了甩负荷现象并记录最大频率变化率；根据“最大频率变化率‑甩负荷变化量”曲线得到所述变化率对应的远端线路甩负荷时负荷变化量；根据负荷变化量进行调速。

Description

一种发电机组调速系统远端线路甩负荷的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及发电技术领域，尤其是一种发生远端线路甩负荷时发电机组的调速方法。

背景技术

甩负荷(load shedding)分为两种，一种是主动甩负荷：当电网提供的有功大大小于系统需要的有功，主动甩掉部分不重要的负荷，提高电网供电质量。一种是故障甩负荷，例如远端线路甩负荷(特指远程高压输电线路中靠近用电用户一侧的高压线路出口短路器断开引起的甩负荷)中的负荷突然减小。

在水电站中甩负荷是经常发生的。水轮发电机组发生甩负荷后，巨大的剩余能量使机组转速上升很快，需要尽快关闭导叶，降低机组频率(或者称为机组转速)，使机组的发电量与发生甩负荷后的负荷量相适应，以防机组过速引起事故停机。

远端线路甩负荷后的调速器控制策略是随着高电压远程输电而带来的新课题，目前这方面研究比较少，也没有现成的技术资料，大多数调速器厂家的调速器都不具备该工况下的调速功能，或者只采取临时措施加以处理，包括许多国际知名发电设备公司。

现有技术中所有厂家都是利用频差进行远端线路甩负荷判断、调速的，其原理如下：远端线路甩负荷时，由于机组出口断路器GCB闭合，机组调速器运行工况仍处于发电态，机组开度/功率给定值仍然起作用，所以机组将保持远端线路甩负荷前的开度不变，引起机组频率迅速上升，当频差(实际频率与设定频率的差值)大于频率死区后，调速器开始对机组频率进行调节，导叶开始下关。但由于机组频率的上升不能突变，频差变化相对缓慢，因此调速器控制量的输出在线路甩负荷初期非常小，容易引起机组过速，产生事故停机。

可见该方法具有响应严重滞后等缺点，因此引起调速的滞后，引起线路甩负荷机组过速停机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种能大大提高甩负荷判断速度的发电机组远端线路甩负荷的控制方法，使得甩负荷调速能及时进行，有效避免了因调速滞后引起机组过速停机的问题。

本发明提供了一种发电机组调速系统远端线路甩负荷的控制方法，包括：

步骤1：采集发电机组的频率；

步骤2：计算所述频率相对于时间的变化率，将所述变化率与正常调速时的机组频率变化率比较，当所述变化率大于正常调速时的机组频率变化率时认为出现了甩负荷现象并记录最大频率变化率；

步骤3：根据“最大频率变化率-甩负荷变化量”曲线得到所述变化率对应的远端线路甩负荷时负荷变化量；

步骤4：根据所述负荷变化量对机组进行调速。

进一步，所述发电机组为水轮发电机组；所述步骤4包括：

当发生远端线路甩负荷前对机组的调速模式为功率调节时，则将功率给定值更新为甩负荷前的功率给定值减去所述负荷变化量；当发生远端线路甩负荷前对机组的调速模式为开度调节时，根据“水头-负荷-开度曲线”计算出甩负荷后可维持机组稳定运行的开度信号，并用所述开度信号更新机组的开度给定值。

进一步，在所述步骤2中当所述变化率大于正常调速时的机组频率变化率大于正常调速时机组频率变化率的1.2倍时，则认为出现了甩负荷现象。

进一步，所述步骤3中，通过查找“最大频率变化-甩负荷变化量”曲线得到所述变化率对应的甩负荷变化量，或者根据所述“最大频率变化率-甩负荷变化量”曲线拟合出反应最大频率变化率与甩负荷时负荷变化量关系的方程，将所述变化率带入到所述方程中求得所述变化率对应的甩负荷变化量。

进一步，反应最大频率变化率与甩负荷时负荷变化量关系的方程为其中ΔM为甩负荷时负荷变化量；α为系数；f为机组频率。

本发明还提供了一种发电机组调速系统远端线路甩负荷量获取方法，包括：

步骤1：采集发电机组的频率；

步骤2：计算所述频率相对于时间的变化率，将所述变化率与正常调速时的机组频率变化率比较，当所述变化率大于正常调速时的机组频率变化率时认为出现了甩负荷现象并记录最大频率变化率；

步骤3：根据“最大频率变化率-甩负荷变化量”曲线得到所述变化率对应的远端线路甩负荷时负荷变化量。

本发明对应上述方法还分别提出了一种发电机组调速系统远端线路甩负荷的控制系统及一种发电机组调速系统远端线路甩负荷量获取系统。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.由于本发明的甩负荷判断不是依据频差而是依据频率变化率，因此本发明相对现有技术中的线路甩负荷判断策略更加迅速，经实验确定本发明判断甩负荷时间可缩短到0.03～0.1s(因电站调速器频率更新速率及采样速率而异)。

2.本发明根据频率变化率与甩负荷变化量之间的数值关系这一发现拟合出反应频率变化率与甩负荷变化量之间的数值方程，计算出的甩负荷量与实际甩负荷量之间的偏差保持在0.3％以内，实现了负荷变化的精确预测。

3.本发明还提出了根据甩负荷变化量的调速策略，实现了线路甩负荷的稳定控制。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明流程图。

图2为水轮发电机组甩25％负荷时频率变化率。

图3为水轮机组依次甩25％、50％、75％及100％负荷时的频率变化率。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1，本发明包括：

步骤1：采集发电机组的频率；

步骤2：计算所述频率相对于时间的变化率，将所述变化率与正常调速时的机组频率变化率比较，当所述变化率大于正常调速时的机组频率变化率时认为出现了甩负荷现象并记录最大频率变化率；

步骤3：根据“最大频率变化率-甩负荷变化量”曲线得到所述变化率对应的远端线路甩负荷时负荷变化量；

步骤4：根据所述负荷量变化量对机组进行调速。

在其他实施例中，所述甩负荷变化量用发电机负荷力矩变化量表示，也可以通过频率变化加速度来确定是否发生了甩负荷现象，以及利用频率变化加速度与发电机负荷力矩变化率的比例关系，推导出机组远端甩负荷变化量的大小。

本发明提出的远端线路甩负荷时的调速方法可适用于水轮发电机组、火电发电机组、核电发电机组及风电发电机组。

为了更好的理解本发明原理，实施例中均结合水轮发电机组为例进行阐述。

当发电机组为水轮发电机组时，步骤4的调速过程为：当发生远端线路甩负荷前对机组的调速模式为功率调节时，则将功率给定值更新为甩负荷前的功率给定值减去所述负荷变化量；当发生远端线路甩负荷前对机组的调速模式为开度调节时，根据“水头-负荷-开度曲线”计算出甩负荷后可维持机组稳定运行的开度信号，并用所述开度信号更新机组的开度给定值。

在具体实施例中，甩负荷判断控制器具有两种输入形式，一种直接取自机组频率，再进行频率变化率计算并进行甩负荷判断计算，另一种是直接取机组频率PID运算微分环节的输出的频率变化率，进而直接进行甩负荷判断计算。两种方案原理一样，下面只以第一种为例进行控制过程说明。实现步骤如下：

1、数据准备

在甩负荷试验中，甩负荷量的大小及最大频率变化率的关系(如图3，展示了当远端线路分别不同程度的甩负荷时频率变化率，其中曲线的峰值为最大频率变化率)被记录在“最大频率变化率-甩负荷变化量”关系曲线数组中，该曲线反应的是最大频率变化率与远端线路甩负荷时负荷变化量的关系。这个数据可在水轮发电机组安装后投入使用前的甩负荷试验得到，也可在机组投入使用后记录得到。数据准备步骤并非本控制策略的必要步骤，只要能获得“最大频率变化率-甩负荷变化量”关系曲线即可，至于其在那个时期获取并不是本发明关心的改进点，最大频率变化率-甩负荷变化量关系的发现是本发明方法的基础，将在后续详细介绍。

当发电机组为其他类型时，也可通过甩负荷试验得到“最大频率变化率-甩负荷变化量”关系曲线。

2、机组频率采集

本实施例中使用调速器频率采集速率采集机组频率，并存储在频率数组中。

3、计算频率变化率

本实施例以50ms(可选)为周期计算机组频率变化率，根据频率变化率判断机组是否发生远端线路甩负荷，并记录频率变化最大值。当频率变化率大于正常调速时(即未发生甩负荷时)频率变化率的1.2倍时在认为发生了甩负荷。

4、根据“最大频率变化率-甩负荷变化量”关系曲线获得前步骤中获得的最大频率变化率对应的负荷变化量。

5、根据负荷变化量确定调速方式

当甩负荷发生前的调速模式为功率调节时，功率给定值更新为甩负荷前的功率给定值减去负荷变化量；当甩负荷发生前的调速模式为开度调节时，根据“水头-负荷-开度曲线”计算出甩负荷后可以维持机组稳定运行的开度给定值，并更新机组开度给定值。更新功率/开度给定值的过程相当于直接给机组一个很大的关闭信号，所以本发明和机组正常甩负荷(指机组发电机出口断路器断开引起的甩负荷，断路器动作接点可以直接引入调速器，从而引起调速器调节模式的改变)调节结果没有区别，达到了稳定控制的目的。“水头-负荷-开度曲线”为水轮发电机组的属性曲线，当一台水轮发电机生产完成后，这个曲线也就确定了，并会记载在该机组的参数说明书中。而得到甩负荷时负荷变化量后，根据负荷变化量找到该曲线得到开度给定值是本领域技术人员公知的技术，在此不再赘述其实现过程。

上述步骤2～5为水轮发电调速系统中机组远端线路甩负荷的控制方法的基本单元，实际生产中，可不断重复这几个步骤达到机组甩负荷调速控制的目的。

下面介绍本发明中提到的最大频率变化率及甩负荷变化量关系。

我们可以通过实验手段记录下机组发生远端线路甩负荷时的频率变化率，由图2，图3可以得到，当机组发生远端线路甩负荷时，机组的频率变化率要远远大于机组正常调节时的频率变化率。图2中对应电站机组正常调节时频率变化率不大于0.6，而甩25％负荷的最大频率变化率可达1.457。图3对应电站正常调节时的频率变化率不大于11，而甩25％，50％，75％，100％负荷时的频率变化率为19.21，39.51，59.32，76.96。这就是本发明机组远端甩负荷判断的主要依据。

我们认为当频率变化率大于1.2倍的正常调节时频率变化率时，就发生了远端线路甩负荷。

使用该依据判断机组远端线路甩负荷要比利用机组频率上升判断机组远端线路甩负荷要快得多，因为在第一个频率上升周期就可以判断出机组的甩负荷状态了。例如图2中刚开始甩负荷时，频率从50.0457变化到50,0894，远远低于孤网运行频率死区，而此时的频率变化率为1.457，远远大于线路甩负荷的判断阈值0.6。

图3集中给出了发生不同程度甩负荷时机组频率变化率，图中上方的线条表示频率，下方密集的线条为频率变化率，频率变化率的四个峰值分别表示甩负荷25％、50％、75％及100％对应的最大频率变化率。我们发现各种甩负荷时频率变化的最大值与甩负荷时的负荷变化量之间的比率近乎等于一个常数，下表给出了不同程度甩负荷时最大频率变化率与甩负荷变化量之间的比值。

甩负荷程度	最大频率变化率	甩负荷量	比值
				25％	19.21	175	19.21/175＝0.10977
50％	39.51	350	39.51/350＝0.11288
				75％	59.32	525	59.32/525＝0.11299
100％	76.96	700	76.96/700＝0.10994

从数据可以看出，比率存在0.3％左右的最大偏差，这是由数据采集误差，以及信号干扰等引起的影响。这也证明了最大频率变化率和所甩负荷量的正比例关系。

利用线性插值可以拟合出反应最大频率变化率与甩负荷时负荷变化量关系的方程为其中ΔM为甩负荷时负荷变化量；α为系数，在本实施例中，α的取值为0.1～0.11之间；f为机组频率。通过该方程计算出的甩负荷量与实际甩负荷量之间的偏差将保持在0.3％以内。当发电机组为其他类型时，也可得到同样的规律，在此不再赘述。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种发电机组调速系统远端线路甩负荷的控制方法，所述发电机组为水轮发电机组；其特征在于，包括：

步骤1：采集发电机组的频率；

步骤2：计算所述频率相对于时间的变化率，将所述变化率与正常调速时的机组频率变化率比较，当所述变化率大于正常调速时的机组频率变化率时认为出现了甩负荷现象并记录最大频率变化率；

步骤3：根据“最大频率变化率-甩负荷变化量”曲线得到所述变化率对应的远端线路甩负荷时负荷变化量；

步骤4：当发生远端线路甩负荷前对机组的调速模式为功率调节时，则将功率给定值更新为甩负荷前的功率给定值减去所述负荷变化量；当发生远端线路甩负荷前对机组的调速模式为开度调节时，根据“水头-负荷-开度曲线”计算出甩负荷后可维持机组稳定运行的开度信号，并用所述开度信号更新机组的开度给定值。

2.根据权利要求1所述的一种发电机组调速系统远端线路甩负荷的控制方法，其特征在于，在所述步骤2中当所述变化率大于正常调速时的机组频率变化率的1.2倍时，则认为出现了甩负荷现象。

3.根据权利要求1所述的一种发电机组调速系统远端线路甩负荷的控制方法，其特征在于，所述步骤3中，通过查找“最大频率变化-甩负荷变化量”曲线得到所述变化率对应的甩负荷变化量，或者根据所述“最大频率变化率-甩负荷变化量”曲线拟合出反应最大频率变化率与甩负荷时负荷变化量关系的方程，将所述变化率带入到所述方程中求得所述变化率对应的甩负荷变化量。

4.根据权利要求3所述的一种发电机组调速系统远端线路甩负荷的控制方法，其特征在于，反应最大频率变化率与甩负荷时负荷变化量关系的方程为其中△M为甩负荷时负荷变化量；α为系数；f为机组频率。

5.一种发电机组调速系统远端线路甩负荷的控制系统，所述发电机组为水轮发电机组；其特征在于，包括：

机组频率获取单元，用于接收发电机组的频率；

频率变化率计算单元，用于计算所述频率相对于时间的变化率；

最大变化率判断单元，用于将所述变化率与正常调速时的机组频率变化率比较，当所述变化率大于正常调速时的机组频率变化率时认为出现了甩负荷现象并记录最大频率变化率；

甩负荷时负荷变化量获取单元，用于根据“最大频率变化率-甩负荷变化量”曲线得到所述变化率对应的远端线路甩负荷时负荷变化量；

甩负荷时调速单元，用于当发生远端线路甩负荷前对机组的调速模式为功率调节时，则将功率给定值更新为甩负荷前的功率给定值减去所述负荷变化量；以及用于当发生远端线路甩负荷前对机组的调速模式为开度调节时，根据“水头-负荷-开度曲线”计算出甩负荷后可维持机组稳定运行的开度信号，并用所述开度信号更新机组的开度给定值。

6.根据权利要求5所述的一种发电机组调速系统远端线路甩负荷的控制系统，其特征在于，所述最大变化率判断单元用于当所述变化率大于正常调速时机组频率变化率的1.2倍时，则认为出现了甩负荷现象。