CN107453375B - 巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制方法及装置，电网标准频率与实时获取实际电网频率的频差信号；判断频差信号是否在一次调频频率死区外，若超出一次调频频率死区，并延时0.1秒输出一次调频动作信号，利用频差信号，巨型水轮机组调速器处于功率模式情况下，若实时获取实际电网频率越过一次调频频率死区但又在与一次调频频率死区与功率死区等效频率叠加后的范围内，根据频差信号叠加频率补偿系数与调频负荷的对应函数，得到相应的理论调频功率；根据频差信号与调频负荷的对应函数，得到相应的理论调节功率；将新的有功给定值与巨型水轮发电机组实际有功构成PID闭环回路，输出相应的调频负荷指令。本发明能够精确控制巨型水轮发电机组的一次调频贡献率，提高一次调频合格率，提高电能质量。

Description

巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制方法及装置
技术领域
本发明涉及巨型水轮发电机组的一次调频领域，尤其一种巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制方法及装置。
背景技术
对于巨型水电站而言，随着电力系统对电网安全稳定性和电网质量的要求越来越高，为保证电网及发电机组安全运行，使并网运行机组能随时适应电网负荷和频率的变化，必须充分发挥巨型电站一次调频功能。网频是电网负荷与发电机有功功率的平衡关系，是电网运行的重要参数，关系到整个电网的安全性、稳定性、经济性等众多因素。发电机组一次调频功能，其重要目的是当电网频率发生变化时，各发电机组快速响应，及时调整有功功率，使电网频率重新回到调频死区内，确保电网频率的安全性、稳定性。
一次调频贡献率是目前电网对发电机组一次调频性能最重要的考核参数，其表征的是当电网频率发生偏离时，机组实际贡献的一次调频负荷与理论计算的贡献负荷比值，一次调频贡献率越大，说明发电机组在电网频率发生改变时，对电网频率调节作用越大，对电网稳定性越有利。
通过对巨型水电站机组进行一次调频试验及投产运行后一次调频运行情况分析，发现部分机组一次调频积分电量不满足电网的要求，多次由于一次调频动作达不到电网要求而出现一次调频被考核不合格的情况，出现了一下问题：
(1)：一次调频启动后，巨型水轮机组功率调节未启动；
(2)：功率调节不到位，积分电量不够；
(3)：调节速动性差；
(4)：动作准确度失灵。
所以通过目前一次调频功率输出不能满足调度越来越高的要求，同时由于测频回路的影响，巨型水电机组调速系统也很难确保一次调频动作的正确性及速度性，从而导致很多机组一次调频贡献率偏低，无法满足电网允许需求。
发明内容
为了解决巨型水电机组功率模式下一次调频动作功率调节不到位、积分电量不够、速动性等问题，解决机组一次调频贡献率偏低的难题。本发明提供了一种巨型水电机组的一次调频补偿精细化控制方法及装置，能够精确控制巨型水轮发电机组的一次调频贡献率，提高一次调频合格率，提高电能质量，为电网频率控制做出贡献，保障电网的安全稳定运行。
本发明采取的技术方案为：
巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制方法，包括以下步骤：
步骤1：电网标准频率f0与实时获取实际电网频率f的频差信号△f*；
步骤2：判断步骤1中的频差信号△f*是否在一次调频频率死区△f0外，若超出一次调频频率死区△f0，执行步骤3，若在一次调频频率死区△f0内，返回步骤1；
步骤3：利用步骤1中的频差信号△f*，巨型水轮机组调速器处于功率模式情况下，若一次调频死区△f0<频差信号△f*的绝对值≤一次调频频率死区△f0+功率死区等效频率m，则实际等效频差信号△f＝频差信号△f*±(一次调频频率死区△f0-频率补偿系数m0)，说明“±”中：取“+”时频差信号△f*值为负，取“-”时频差信号△f*值为正，并执行步骤4；
若频差信号△f*的绝对值>一次调频频率死区△f0+功率死区等效频率m，则实际等效频差信号△f＝频差信号△f*±一次调频频率死区△f0，说明“±”中取“+”时，频差信号△f*值为负，取“-”时频差信号△f*值为正，并执行步骤4；
步骤4：利用步骤1中的频差信号△f*在一次调频频率死区△f0外，并延时0.1秒输出一次调频动作信号，同时巨型水轮机组处于功率模式下，根据实际等效频差信号△f与一次调频负荷的对应函数
Figure GDA0002223278980000021
(式中：fN为额定频率、PN为额定功率、ep为功率调差系数、ep计算时取永态转差系统4％)，得到理论一次调频功率△P，将理论一次调频功率△P与一次调频动作时监控LCU下发的有功设定值Pset叠加，得到一次调频闭环回路的功率目标值
Figure GDA0002223278980000022
并执行步骤5；
步骤5：将功率目标值
Figure GDA0002223278980000023
与水轮发电机组实际有功功率P构成PID闭环回路，输出调频负荷指令；若水轮发电机组实际有功功率P小于一次调频闭环回路功率目标值
Figure GDA0002223278980000024
通过PID模块计算输出PID增大调频负荷指令，若水轮发电机组实际有功功率P大于一次调频闭环回路功率目标值
Figure GDA0002223278980000031
通过PID模块计算输出PID输出减小调频负荷指令，从而达到一次调频的目的。
步骤1中，所述频差信号是巨型水轮发电机组额定转速与巨型水轮发电机组实际转速的差值表示。
步骤2中，所述一次调频频率死区△f0为0.05Hz，所述延时0.1秒，防止巨型水轮机组实际频率在一次调频死区附近波动导致在一次调频频繁启停。
步骤3中，所述功率死区等效频率m为0.01Hz，功率死区等效频率m一般算法为巨型水轮机组调速器处于功率模式下，为了防止水轮机组实发有功功率在监控LCU下发的有功设定值允许范围内频繁动作导叶对接力器、主配压阀、液压系统安全稳定运行产生影响，故人为在调速器PCC程序中设定功率死区，一般为0.25％的额定功率，因此，通过折算反推计算出功率死区等效频率m为0.01Hz，该参数理论值不能小于计算出的折算值，可以根据实际需要将其适当增大；
步骤3中，所述频率补偿系数m0为0.02Hz，可以根据实际需要将其适当增大。
步骤4中，所述理论一次调频功率△P设置限幅环节，设定巨型水轮机组10％的额定功率PN为上限。
巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制装置，包括第一减法器、函数发生器、绝对值模块、比较器、延时模块、与门模块、加法器、第二减法器、PID计算模块；
所述第一减法器与函数发生器连接后接入加法器的一个输入端，所述第一减法器、绝对值模块、比较器、延时模块和与门模块依次连接后，接入加法器的一个使能端，所述加法器的输出端与第二减法器的输入端连接，所述第二减法器与PID计算模块连接。
所述第一减法器的一个输入端与电网标准频率信号连接，第一减法器的另一个输入端与水轮发电机组频率信号连接。
所述比较器的一个输入端与绝对值模块连接，比较器的另一个输入端与一次调频频率死区信号连接。
所述延时模块的一个输入端与比较器连接，延时模块的另一个输入端为延时时间100mS。所述与门模块的一个输入端与延时模块连接，与门模块的另一个输入端与机组调速系统控制方式为功率模式信号连接。
所述加法器的使能端与与门模块连接，加法器的一个输入端与监控LCU下发的有功设定值连接，加法器的另一个输入端与函数发生器连接。
所述第二减法器的一个输入端与加法器的输出端连接，所述第二减法器的另一个输入端与发电机实际有功功率连接。
本发明一种巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制方法及装置，技术效果如下：
1：本发明方法在计算得到的理论一次调频功率△P后，与一次调频动作时监控LCU下发的有功设定值Pset叠加得到一次调频闭环回路的功率目标值
Figure GDA0002223278980000041
将功率目标值与巨型水轮发电机组实际功率构成PID闭环回路，计算输出功率调频指令。
2：本发明方法目的是：若巨型水轮机组实时获取实际电网频率f越过一次调频频率死区△f0但又在与一次调频频率死区△f0与功率死区等效频率m叠加后的范围内，根据频差信号△f*叠加频率补偿系数m0与调频负荷的对应函数，得到相应的理论调频功率△P，即加大一次调频的功率动作量，若实时获取实际电网频率越过一次调频频率死区△f0与功率死区等效频率m叠加后以外，根据频差信号△f*与调频负荷的对应函数，得到相应的理论调节功率△P，不加大一次调频的功率动作量，一次调频的功率动作量均能满足电网的要求。
3：本发明的方法能够精确控制巨型水轮发电机组的一次调频贡献率，提高一次调频合格率，提高电能质量，为电网频率控制做出贡献，保障电网的安全稳定运行。
附图说明
图1为本发明的逻辑控制图。
具体实施方式
如图1所示，巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制方法，包括以下步骤：
步骤1：电网标准频率f0与实时获取实际电网频率f的频差信号△f*；
步骤2：判断步骤1中的频差信号△f*是否在一次调频频率死区△f0外，若超出一次调频频率死区△f0，执行步骤3，若在一次调频频率死区△f0内，返回步骤1；
步骤3：利用步骤1中的频差信号△f*，巨型水轮机组调速器处于功率模式情况下，若一次调频死区△f0<频差信号△f*的绝对值≤一次调频频率死区△f0+功率死区等效频率m，则实际等效频差信号△f＝频差信号△f*±(一次调频频率死区△f0-频率补偿系数m0)，说明“±”中：取“+”时频差信号△f*值为负，取“-”时频差信号△f*值为正，并执行步骤4；
若频差信号△f*的绝对值>一次调频频率死区△f0+功率死区等效频率m，则实际等效频差信号△f＝频差信号△f*±一次调频频率死区△f0，说明“±”中取“+”时，频差信号△f*值为负，取“-”时频差信号△f*值为正，并执行步骤4；
步骤4：利用步骤1中的频差信号△f*在一次调频频率死区△f0外，并延时0.1秒输出一次调频动作信号，同时巨型水轮机组处于功率模式下，根据实际等效频差信号△f与一次调频负荷的对应函数
Figure GDA0002223278980000051
式中：fN为额定频率、PN为额定功率、ep为功率调差系数、ep计算时取永态转差系统4％，得到理论一次调频功率△P，将理论一次调频功率△P与一次调频动作时监控LCU下发的有功设定值Pset叠加，得到一次调频闭环回路的功率目标值
Figure GDA0002223278980000052
并执行步骤5；
步骤5：将功率目标值
Figure GDA0002223278980000053
与水轮发电机组实际有功功率P构成PID闭环回路，输出调频负荷指令；若水轮发电机组实际有功功率P小于一次调频闭环回路功率目标值通过PID模块计算输出PID增大调频负荷指令，若水轮发电机组实际有功功率P大于一次调频闭环回路功率目标值
Figure GDA0002223278980000055
通过PID模块计算输出PID输出减小调频负荷指令，从而达到一次调频的目的。
步骤1中，将巨型水轮发电机组额定转速与巨型水轮发电机组实际转速做差，即巨型水轮发电机组转速代表电网频率，所以水轮发电机的额定转速与水轮发电机组实际转速的转速差代表电网的频差信号。
步骤2中，所述一次调频频率死区△f0为0.05Hz，延时0.1秒，防止巨型水轮机组实际频率在一次调频死区附近波动导致在一次调频频繁启停。一次调频动作信号是一次调频逻辑中的一个标识性开关量，用于出发一次调频逻辑计算。通过转速差信号绝对值判断转速差是否大于一次调频频率死区△f0为0.05Hz，若大于0.05Hz并且延时0.1秒，认为处于调频死区外，为一次调频动作信号，这样有效防止巨型水轮机组实际频率在一次调频死区附近波动导致在一次调频频繁启停。
步骤3中，所述功率死区等效频率m为0.01Hz，功率死区等效频率m一般算法为巨型水轮机组调速器处于功率模式下，为了防止水轮机组实发有功功率在监控LCU下发的有功设定值允许范围内频繁动作导叶对接力器、主配压阀、液压系统安全稳定运行产生影响，故人为在调速器PCC程序中设定功率死区，一般为0.25％的额定功率，因此，通过折算反推计算出功率死区等效频率m为0.01Hz，该参数理论值不能小于计算出的折算值，可以根据实际需要将其适当增大。
步骤3中，所述频率补偿系数m0为0.02Hz，可以根据实际需要将其适当增大。
步骤4中，所述理论一次调频功率△P设置限幅环节，设定巨型水轮机组10％的额定功率PN为上限。由巨型水轮发电机组的转差率可以计算出实际等效频差信号△f与理论一次调频功率△P的对应函数，其中实际等效频差信号△f与理论一次调频功率△P的对应函数的计算方法为现有技术，这里不再详细阐述。一次调频功率△P设置限幅环节，设定巨型水轮机组10％的额定功率PN为上限，即根据实际等效频差信号△f计算得出的理论一次调频功率△P最大为10％的额定功率PN，提高机组安全性，不会造成机组功率大幅波动。
巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制装置，包括第一减法器1、函数发生器5、绝对值模块2、比较器3、延时模块4、与门模块6、加法器7、第二减法器8、PID计算模块9；
所述第一减法器1与函数发生器5连接后接入加法器7的一个输入端，所述第一减法器1、绝对值模块2、比较器3、延时模块4和与门模块6依次连接后，接入加法器7的一个使能端，所述加法器6的输出端与第二减法器8的输入端连接，所述第二减法器8与PID计算模块9连接。
所述第一减法器1的一个输入端与电网标准频率信号连接，第一减法器1的另一个输入端与水轮发电机组频率信号连接；
所述比较器3的一个输入端与绝对值模块2连接，比较器3的另一个输入端与一次调频频率死区信号连接。
所述延时模块4的一个输入端与比较器3连接，延时模块4的另一个输入端为延时时间100mS。
所述与门模块6的一个输入端与延时模块4连接，与门模块6的另一个输入端与机组调速系统控制方式为功率模式信号连接。
所述加法器7的使能端与与门模块6连接，加法器7的一个输入端与监控LCU下发的有功设定值连接，加法器7的另一个输入端与函数发生器5连接。
所述第二减法器8的一个输入端与加法器7的输出端连接，所述第二减法器8的另一个输入端与发电机实际有功功率连接。
具体工作原理如下：
电网频率不稳定时，巨型水轮机组调速器处于功率模式情况下，第一减法器1得出水轮发电机频率会产生频差信号△f*，进一步通过绝对值模块2和比较器3比较输出，进一步通过延时模块4输出为1，1代表一次调频动作信号，该信号上送监控系统同时参与一次调频功能控制；
函数发生器5产生原理如下：当频差信号△f*超出一次调频频率死区△f0，当一次调频死区△f0<频差信号△f*的绝对值≤一次调频频率死区△f0+功率死区等效频率m，则实际等效频差信号△f＝频差信号△f*±(一次调频频率死区△f0-频率补偿系数m0)，说明“±”中：取“+”时频差信号△f*值为负，取“-”时频差信号△f*值为正；当频差信号△f*的绝对值>一次调频频率死区△f0+功率死区等效频率m，则实际等效频差信号△f＝频差信号△f*±一次调频频率死区△f0，说明“±”中取“+”时，频差信号△f*值为负，取“-”时频差信号△f*值为正；根据实际等效频差信号△f与一次调频负荷的对应函数式中：fN为额定频率、PN为额定功率、ep为功率调差系数、ep计算时取永态转差系统4％)，即得出理论一次调频功率△P；
进一步与门模块6与加法器7逻辑判断计算得出一次调频闭环回路的功率目标值
Figure GDA0002223278980000072
进一步通过第二减法器8和PID计算模块9配合将功率目标值与水轮发电机组实际有功功率P构成PID闭环回路，输出调频负荷指令；进一步说明当水轮发电机组实际有功功率P小于一次调频闭环回路功率目标值
Figure GDA0002223278980000074
通过PID模块计算输出PID增大调频负荷指令，当水轮发电机组实际有功功率P大于一次调频闭环回路功率目标值
Figure GDA0002223278980000075
通过PID模块计算输出PID输出减小调频负荷指令，从而达到一次调频的目的。

Claims (10)

1.巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：电网标准频率f0与实时获取实际电网频率f的频差信号△f*；
步骤2：判断步骤1中的频差信号△f*是否在一次调频频率死区△f0外，若超出一次调频频率死区△f0，执行步骤3，若在一次调频频率死区△f0内，返回步骤1；
步骤3：利用步骤1中的频差信号△f*，巨型水轮机组调速器处于功率模式情况下，
若一次调频死区△f0<频差信号△f*的绝对值≤一次调频频率死区△f0+功率死区等效频率m，则实际等效频差信号△f＝频差信号△f*±一次调频频率死区△f0-频率补偿系数m0，说明“±”中：取“+”时频差信号△f*值为负，取“-”时频差信号△f*值为正，并执行步骤4；
若频差信号△f*的绝对值>一次调频频率死区△f0+功率死区等效频率m，则实际等效频差信号△f＝频差信号△f*±一次调频频率死区△f0，说明“±”中取“+”时，频差信号△f*值为负，取“-”时频差信号△f*值为正，并执行步骤4；
步骤4：利用步骤1中的频差信号△f*在一次调频频率死区△f0外，并延时0.1秒输出一次调频动作信号，同时巨型水轮机组处于功率模式下，根据实际等效频差信号△f与一次调频负荷的对应函数
Figure FDA0002223278970000011
式中：fN为额定频率、PN为额定功率、ep为功率调差系数、ep计算时取永态转差系统4％，得到理论一次调频功率△P，将理论一次调频功率△P与一次调频动作时监控LCU下发的有功设定值Pset叠加，得到一次调频闭环回路的功率目标值
Figure FDA0002223278970000012
并执行步骤5；
步骤5：将功率目标值
Figure FDA0002223278970000013
与水轮发电机组实际有功功率P构成PID闭环回路，输出调频负荷指令；若水轮发电机组实际有功功率P小于一次调频闭环回路功率目标值
Figure FDA0002223278970000014
通过PID模块计算输出PID增大调频负荷指令，若水轮发电机组实际有功功率P大于一次调频闭环回路功率目标值
Figure FDA0002223278970000021
通过PID模块计算输出PID输出减小调频负荷指令，从而达到一次调频的目的。
2.根据权利要求1所述巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制方法，其特征在于：步骤1中，所述频差信号是巨型水轮发电机组额定转速与巨型水轮发电机组实际转速的差值表示。
3.根据权利要求1所述巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制方法，其特征在于：步骤2中，所述一次调频频率死区△f0为0.05Hz，延时0.1秒。
4.根据权利要求1所述巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制方法，其特征在于：步骤3中，所述功率死区等效频率m为0.01Hz；步骤3中，所述频率补偿系数m0为0.02Hz。
5.根据权利要求1所述巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制方法，其特征在于：步骤4中，所述理论一次调频功率△P设置限幅环节，设定巨型水轮机组10％的额定功率PN为上限。
6.巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制装置，其特征在于：包括第一减法器(1)、函数发生器(5)、绝对值模块(2)、比较器(3)、延时模块(4)、与门模块(6)、加法器(7)、第二减法器(8)、PID计算模块(9)；
所述第一减法器(1)与函数发生器(5)连接后接入加法器(7)的一个输入端，所述第一减法器(1)、绝对值模块(2)、比较器(3)、延时模块(4)和与门模块(6)依次连接后，接入加法器(7)的一个使能端，所述加法器(6)的输出端与第二减法器(8)的输入端连接，所述第二减法器(8)与PID计算模块(9)连接；
所述第一减法器(1)的一个输入端与电网标准频率信号连接，第一减法器(1)的另一个输入端与水轮发电机组频率信号连接；
所述比较器(3)的一个输入端与绝对值模块(2)连接，比较器(3)的另一个输入端与一次调频频率死区信号连接。
7.根据权利要求6所述巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制装置，其特征在于：所述延时模块(4)的一个输入端与比较器(3)连接，延时模块(4)的另一个输入端为延时时间100mS。
8.根据权利要求6所述巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制装置，其特征在于：所述与门模块(6)的一个输入端与延时模块(4)连接，与门模块(6)的另一个输入端与机组调速系统控制方式为功率模式信号连接。
9.根据权利要求6所述巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制装置，其特征在于：所述加法器(7)的使能端与与门模块(6)连接，加法器(7)的一个输入端与监控LCU下发的有功设定值连接，加法器(7)的另一个输入端与函数发生器(5)连接。
10.根据权利要求6所述巨型水电机组的一次调频电量补偿精细化控制装置，其特征在于：所述第二减法器(8)的一个输入端与加法器(7)的输出端连接，所述第二减法器(8)的另一个输入端与发电机实际有功功率连接。
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