CN107317332A - 一种发电机全过程仿真模型及其建模方法 - Google Patents

一种发电机全过程仿真模型及其建模方法 Download PDF

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王波
鞠平
陈谦
葛亚明
张琦兵
许林
曹国芳
王毅
李凡凡
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Abstract

本发明公开了一种发电机全过程仿真模型，包括：调差系数约束环节、表示综合限幅效应的综合限幅环节、描述自动增益控制作用效果的爬坡环节、描述整个汽轮机‑发电机组的时滞效应的总体惯性环节、描述热力系统的储能效应的热力约束环节。本发明还提供了一种发电机全过程仿真模型的建模方法，采用实际电网数据，进行模型参数拟合；基于仿真平台，输入相同的电网初始频率、电网实际频率和发电机的初始有功功率，并通过将考虑综合限幅和AGC的发电机全过程仿真模型仿真输出的波形与发电机有功出力的实际录波曲线进行比较，不断调整上述模型的参数，直至满足仿真输出的波形与实测波形一致为止。本发明精细度适宜且能够提高发电机组的调频能力。

Description

一种发电机全过程仿真模型及其建模方法
技术领域
本发明涉及一种发电机全过程仿真模型，还涉及一种发电机全过程仿真模型的建模方法，属于发电机技术领域。
背景技术
我国电网的快速发展对其运行控制提出了新的问题与挑战，其中大电网的频率控制与响应问题显得尤为突出。比如，随着区域内大型机组的比例越来越高，而中小机组的比例越来越低，反而弱化了电源的一次调频能力。此外，核电站、风电场、直流电源等因素，也是造成调频能力弱化的重要原因；再比如，特高压直流逆变站发生闭锁，甚至多个直流逆变站发生相继闭锁，将会给受端电网带来严重的冲击与功率缺失，进而造成非常严重的频率问题。因此，对频率控制问题采取相应的措施显得尤为重要。
现有发电机调频系统模型出现了两种较极端化的处理方式，一种是模型被过于简化处理，一些重要的环节未被考虑，导致模型不能很好地切合实际工程项目；另一种是模型被精细化处理，但考虑到的影响因素大多是死区、调差系数以及调频限幅，没有将其它较重要的环节考虑进去，且参数设置也不够精确。另外，现有的模型只适合短期内的电力系统暂态仿真分析，并不适用于电力系统全过程的仿真。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种精细度适宜且适用于机电暂态和中长期电力系统暂态分析的发电机全过程仿真模型。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种发电机全过程仿真模型，包括机组静态拟合环节和机组动态拟合环节；
所述机组静态拟合环节包括：
调差系数约束环节，用于根据静态频率调节系数计算频率变化所带来的发电机输出功率的变化量；
综合限幅环节，用于表示综合限幅效应；
爬坡环节，用于描述自动增益控制作用效果；
所述机组动态拟合环节包括：
总体惯性环节，用于描述整个汽轮机-发电机组的时滞效应；
热力约束环节，用于描述热力系统的储能效应。
所述综合限幅环节包含两个限制：一是，发电机组调频过程中汽门开度的限制；二是，在调频过程中每个发电机能够提供的一次调频容量限制。
一次调频容量限制是指：发电机组在调频过程中有功出力能上升到的最大值与机组自身的初始有功出力功率、额定有功功率均无单独关系，而与机组扰动前的初始有功出力功率与机组额定有功功率的比值有关系。
所述爬坡环节的函数表达式如下：
式中，Ymin取值为0，Ymax值根据机组需要人为设定，满足取值范围为0～(Pmax-P0)，其中Pmax为发电机的最大有功功率，P0为发电机的初始有功功率，A和B的取值在1min之内。
发电机输出功率的变化量其中：D为静态频率调节系数，f为电网的实际频率，f0为电网的初始频率；PGN为发电机的额定有功功率；fN为电网的额定频率。
所述综合限幅环节为非线性函数。
所述总体惯性环节为一阶惯性环节，具体为：其中A1表示机电惯性环节的放大倍数；T1表示机电惯性环节的时间常数。
所述热力约束环节为一阶惯性环节，具体为：其中A2表示热力系统约束环节的放大倍数；T2表示热力系统约束环节的时间常数。
本发明还提供了一种发电机全过程仿真模型的建模方法，包括如下步骤：
步骤一：采用实际电网数据，进行模型参数拟合：
通过机组静态拟合的参数：静态频率特性系数D、综合限幅函数F(X)和爬坡函数g(t)；
通过机组动态拟合的参数：表示总体惯性中的A1和T1，表示热力约束中的A2和T2；
步骤二：基于仿真平台，输入相同的电网初始频率f0、电网实际频率f和发电机的初始有功功率P0，并通过将考虑综合限幅和自动增益控制的发电机全过程仿真模型仿真输出的波形与发电机有功出力的实际录波曲线进行比较，不断调整上述模型的参数，直至满足仿真输出的波形与实测波形一致为止。
所述仿真平台为MATLAB仿真平台。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
本发明针对现有发电机调频模型进行优化，构建出一种考虑综合限幅和自动增益控制(Automatic Gain Control，简称AGC)的发电机全过程仿真模型，该模型克服了现有模型结构过于复杂或过于简单的不足，建立了精细度适宜且能够提高发电机组的调频能力的模型，适用于机电暂态和中长期电力系统暂态分析，即适用于电力系统全过程的仿真。
附图说明
图1是本发明的发电机全过程仿真模型；
图2是用于描述AGC作用效果的框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，仿真模型的输出量P全过程变化：首先，该发电机的初始有功功率为P0，电网的频率发生波动后，其实际频率f与初始频率f0产生频差Δf＝f-f0；针对频率变化，该发电机模型改变其出力，改变量其中D为静态频率调节系数；对ΔP进行综合限幅，限幅函数F(X)为待设定的非线性函数；此时发电机的出力为(限幅过的ΔP)+P0，经过一段时间后，由于热力不足，发电机的出力开始下降，即一阶惯性环节随后，AGC介入，以爬坡函数g(t)来表示。在此过程中，整个汽轮机-发电机组的时滞效应用一阶惯性环节来表示。本发明提供的仿真模型精细度适宜且能够提高发电机组的调频能力。
下面对本发明各环节作进一步详细描述，本发明提供的发电机全过程仿真模型，包括机组静态拟合环节和机组动态拟合环节；
机组静态拟合环节包括：
调差系数约束环节用于根据静态频率调节系数计算频率变化所带来的发电机输出功率的变化量。发电机输出功率的变化量其中：D为静态频率调节系数，f为电网的实际频率，f0为电网的初始频率；PGN为发电机的额定有功功率；fN为电网的额定频率。
综合限幅环节F(X)，用于表示综合限幅效应。现有模型中的调频限幅主要体现在汽门开度的限制或原动机的出力限制上，而在实际的工程场景中并非只有这两个限制，比如：发电机组调频过程中所发出的有功功率并不能达到额定值，通常都低于有功功率的额定值。因此本发明中综合限幅环节F(X)包含两个限制：一是，发电机组调频过程中汽门开度的限制；二是，在调频过程中每个发电机能够提供的一次调频容量限制。
本发明将列举出2015年10月20日宾金直流换流站发生闭锁事故后部分发电机的有功出力情况，如表1所示。
表1有功出力相对最大调整量拟合值
机组初始有功出力占额定有功功率百分比/％ 机组出力的相对最大调整量/％
<40 1.80
40～50 2.15
50～60 2.27
60～70 2.60
70～80 2.49
80～90 2.31
>90 1.92
表1中，发电机有功出力相对最大调整量的计算公式如下式所示：发电机有功出力的式中，Pmax为调频过程中发电机的最大有功功率；P0为发电机的初始有功功率；PGN为发电机的额定有功功率。从表1得出，发电机组在调频过程中有功出力能上升到的最大值与机组自身的初始有功出力、额定有功功率均无单独的关系，而是与两者的比值有关，即机组扰动前的初始出力与机组额定有功功率的比值有关系；且机组初始有功出力占额定有功功率百分比达到某个值时，机组有功出力绝对调整量将达到最大，而在该值的两侧机组有功出力绝对调整量依次减小。F(X)为待设定的非线性函数，最终的实际参数可采用分段查表的方法获得。
爬坡环节g(t)，用于描述自动增益控制作用效果，能够在较长时间内表达发电机的实际出力特性。如图2所示，是用于描述AGC作用效果的框图。g(t)的函数表达式如下：
式中，Ymin取值为0，Ymax值根据机组需要人为设定，满足取值范围为0～(Pmax-P0)，其中Pmax为发电机的最大有功功率，P0为发电机的初始有功功率，A和B的取值在1min之内。
机组动态拟合环节包括：
总体惯性环节用于描述整个汽轮机-发电机组的时滞效应；其中A1表示机电惯性环节的放大倍数；T1表示机电惯性环节的时间常数。
热力约束环节用于描述热力系统的储能效应。其中A2表示热力系统约束环节的放大倍数；T2表示热力系统约束环节的时间常数。
本发明还提供了一种发电机全过程仿真模型的建模方法，适用于上述发电机全过程仿真模型，具体包括如下步骤：
步骤一：采用实际电网数据，进行模型参数拟合：
通过机组静态拟合的参数：静态频率特性系数D、综合限幅函数F(X)和爬坡函数g(t)；
通过机组动态拟合的参数：表示总体惯性中的A1和T1，表示热力约束中的A2和T2；
步骤二：基于仿真平台，输入相同的电网初始频率f0、电网实际频率f和发电机的初始有功功率P0，并通过将考虑综合限幅和AGC的发电机全过程仿真模型仿真输出的波形与发电机有功出力的实际录波曲线进行比较，不断调整上述模型的参数，直至满足仿真输出的波形与实测波形一致为止。
所述仿真平台为MATLAB平台。
本发明提供的建模方法不仅可以验证考虑综合限幅和AGC的发电机全过程仿真模型参数取值的准确性，还可以用来确定模型中由于实测数据的限制不能够直接进行拟合的热力系统约束环节和机电惯性环节的参数。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种发电机全过程仿真模型，其特征在于，包括机组静态拟合环节和机组动态拟合环节；
所述机组静态拟合环节包括：
调差系数约束环节，用于根据静态频率调节系数计算频率变化所带来的发电机输出功率的变化量；
综合限幅环节，用于表示综合限幅效应；
爬坡环节，用于描述自动增益控制作用效果；
所述机组动态拟合环节包括：
总体惯性环节，用于描述整个汽轮机-发电机组的时滞效应；
热力约束环节，用于描述热力系统的储能效应。
2.根据权利要求1所述的发电机全过程仿真模型，其特征在于，所述综合限幅环节包含两个限制：一是，发电机组调频过程中汽门开度的限制；二是，在调频过程中每个发电机能够提供的一次调频容量限制。
3.根据权利要求2所述的发电机全过程仿真模型，其特征在于，一次调频容量限制是指：发电机组在调频过程中有功出力能上升到的最大值与机组自身的初始有功出力功率、额定有功功率均无单独关系，而与机组扰动前的初始有功出力功率与机组额定有功功率的比值有关系。
4.根据权利要求1所述的发电机全过程仿真模型，其特征在于，所述爬坡环节的函数表达式如下：
<mrow> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>Y</mi> <mi>min</mi> </msub> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mi>A</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>Y</mi> <mi>min</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>Y</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>B</mi> <mo>-</mo> <mi>A</mi> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>A</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <mi>A</mi> <mo>&lt;</mo> <mi>t</mi> <mo>&lt;</mo> <mi>B</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>Y</mi> <mi>max</mi> </msub> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mi>B</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
式中，Ymin取值为0，Ymax值根据机组需要人为设定，满足取值范围为0～(Pmax-P0)，其中Pmax为发电机的最大有功功率，P0为发电机的初始有功功率，A和B的取值在1min之内。
5.根据权利要求1所述的发电机全过程仿真模型，其特征在于，发电机输出功率的变化量其中：D为静态频率调节系数，f为电网的实际频率，f0为电网的初始频率；PGN为发电机的额定有功功率；fN为电网的额定频率。
6.根据权利要求1所述的发电机全过程仿真模型，其特征在于，所述综合限幅环节为非线性函数。
7.根据权利要求1所述的发电机全过程仿真模型，其特征在于，所述总体惯性环节为一阶惯性环节，具体为：其中A1表示机电惯性环节的放大倍数；T1表示机电惯性环节的时间常数。
8.根据权利要求1所述的发电机全过程仿真模型，其特征在于，所述热力约束环节为一阶惯性环节，具体为：其中A2表示热力系统约束环节的放大倍数；T2表示热力系统约束环节的时间常数。
9.一种发电机全过程仿真模型的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：采用实际电网数据，进行模型参数拟合：
通过机组静态拟合的参数：静态频率特性系数D、综合限幅函数F(X)和爬坡函数g(t)；
通过机组动态拟合的参数：表示总体惯性中的A1和T1，表示热力约束中的A2和T2；
步骤二：基于仿真平台，输入相同的电网初始频率f0、电网实际频率f和发电机的初始有功功率P0，并通过将考虑综合限幅和自动增益控制的发电机全过程仿真模型仿真输出的波形与发电机有功出力的实际录波曲线进行比较，不断调整上述模型的参数，直至满足仿真输出的波形与实测波形一致为止。
10.一种发电机全过程仿真模型的建模方法，其特征在于，所述仿真平台为MATLAB仿真平台。
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