CN108053097A - 一次调频性能的频域指标测试与评价方法 - Google Patents

一次调频性能的频域指标测试与评价方法 Download PDF

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杨平
郭为民
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Abstract

本发明涉及一种一次调频性能的频域指标测试与评价方法，包括：步骤S1：采集当频率波动幅值超过设定阈值时的频率和发电功率数据；步骤S2：根据采集的频率和发电功率数据辨识一次调频过程的传递函数模型；步骤S3：根据所辨识的一次调频传递函数模型，获得传递函数模型增益值和截止频率值；步骤S4：根据模型增益值和截止频率值输出评价结果。与现有技术相比，本发明仅用两个简单的频域指标来评价一次调频性能，突显了简单性和通用性，无论是核电站、水电站、燃煤电站或燃气电站，无论是区域电网、发电站或单元发电机组都适用。

Description

一次调频性能的频域指标测试与评价方法
技术领域
本发明涉及发电自动控制领域，尤其是涉及一种一次调频性能的频域指标测试与评价方法。
背景技术
电网频率是电网内的发电自动控制系统必须控制好的电源电能质量参数之一。电网频率控制任务可细分为一次调频、二次调频和三次调频三项任务，而一次调频则是关系到电网安全的最基本和最重要的一项。每当局部的区域电网跳闸或者接入时，或者是用电负荷骤降或骤升时，将引起危及电网安全的电网频率大幅波动；发电自动控制系统的一次调频任务就是快速调整区域电网或发电站或单元发电机组的发电有功功率，有效抑制电网频率波动。所以，区域电网或发电站或单元发电机组的一次调频性能是影响电网频率控制质量的关键因素之一。为了能确保电网安全和频率控制质量符合预期要求，以便及时补充一次调频备用容量和及时改进单元发电机组的一次调频能力，非常需要一种能够及时掌握区域电网或发电站或单元发电机组的一次调频性能的技术方法。但是，目前已有的测试和评价区域电网或发电站或单元发电机组的一次调频性能的技术方法都存在一些不理想的问题；诸如，通用性差、实时性差、测试条件苛刻、评价技术复杂而难以实施、评价过细过窄而缺乏整体性、人为主观因素过多参杂，等等。因此，开发一种简单、通用和易于实施的一次调频性能测试和评价技术已成为当前一次调频技术研究领域的热点研究课题之一。
一次调频是电网中的自动控制系统面对电网频率大幅波动迅速响应的一种专项控制行为。它的响应特性，既与各级自动控制装置特性相关，又与用电网络特性相关。因而使得一次调频性能的测试和评价问题成为一项难以完美解决的研究课题。如果按照从每个所涉及的具体装置的机理模型研究入手的思路来研究，将陷入因机理模型参数未知或多变而无法计算的困境。如果按照挖掘实际采集的运行大数据的思路来研究，又有信息来源复杂、无效数据众多和因果关系不明确的分析难的困境。如果按照实施专项的一次调频性能试验的思路来研究，虽是更直接和更有效的测试手段，但是也需要一定的试验条件并不满足随时在线实施的要求，所以有不能及时反映当前一次调频性能的明显缺点。总之，关于一次调频性能的测试和评价的研究已经有了不少有价值的成果，但是仍缺少公认的通用技术方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种一次调频性能的频域指标测试与评价方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种一次调频性能的频域指标测试与评价方法，包括：
步骤S1：采集当频率波动幅值超过设定阈值时的频率和发电功率数据；
步骤S2：根据采集的频率和发电功率数据辨识一次调频过程的传递函数模型；
步骤S3：根据所辨识的一次调频传递函数模型，获得传递函数模型增益值和截止频率值；
步骤S4：根据模型增益值和截止频率值输出评价结果。
所述步骤S1中的设定阈值为预设的一次调频死区限值。
所述步骤S2具体为：利用粒子群优化算法辨识一次调频过程的传递函数模型。
所述步骤S3具体包括：
步骤S31：根据所辨识的一次调频传递函数模型，获得传递函数模型增益值；
步骤S32：对所辨识的一次调频传递函数模型进行伯德图分析，得到截止频率值。
所述步骤S4具体包括：
增益值越大，则评价一次调频能力越大；
截止频率值越大，则评价一次调频响应越快。
所述传递函数模型为：
其中：G(s)为传递函数，K为增益值，T1,T2,T3,T4,T5为时间常数，s为拉氏算子。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)仅用两个简单的频域指标来评价一次调频性能，突显了简单性和通用性，无论是核电站、水电站、燃煤电站或燃气电站，无论是区域电网、发电站或单元发电机组都适用。
2)用两个简单的频域指标来评价一次调频性能可使得原本不容易进行的跨类或跨系统或跨时间的一次调频性能比较分析成为可能。
3)针对同一系统，可跨时间做一次调频性能的历史发展比较。针对不同的系统，可横向比较它们的一次调频性能优劣，以便优化组合或统筹布局。
4)根据实际采集的一段网络频率大扰动响应数据组来建立一次调频过程的传递函数模型，突显了本发明的实时性和实际发电自动控制系统的代表性。
附图说明
图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；
图2为一个600MW单元发电机组(HN1-2012)的一次调频响应曲线；
图3为一个600MW单元发电机组(HN1-2013)的一次调频响应曲线；
图4为另一个600MW单元发电机组(DU1-2013)的一次调频响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种一次调频性能的频域指标测试与评价方法，如图1所示，包括：
步骤S1：采集当频率波动幅值超过设定阈值时的频率和发电功率数据，其中的设定阈值为预设的一次调频死区限值。
具体的，选取实际采集的区域电网或发电站或单元发电机组的一段网络频率大扰动响应数据组(所谓‘大扰动’指频率波动幅值超过了预设的一次调频死区限值；所谓‘数据组’指频率变量和发电功率变量数据对)；
步骤S2：利用粒子群优化算法，根据采集的频率和发电功率数据辨识一次调频过程的传递函数模型，
其中的传递函数模型为：
其中：G(s)为传递函数，K为增益值，T1,T2,T3,T4,T5为时间常数，s为拉氏算子。
具体的，利用智能优化算法(例如粒子群优化算法PSO)辨识一次调频过程的传递函数模型(选取一种常用的一次调频模型结构；以频率变化量为输入，以发电功率变化量为输出)；
步骤S3：根据所辨识的一次调频传递函数模型，获得传递函数模型增益值和截止频率值，具体包括：
步骤S31：根据所辨识的一次调频传递函数模型，可直接获得传递函数模型增益值；
步骤S32：对所辨识的一次调频传递函数模型进行伯德图分析，得到截止频率值(频带宽度值)。
步骤S4：根据模型增益值和截止频率值输出评价结果，所获得的增益值K和截止频率值即为反映该系统的一次调频性能的频域指标。根据这两个指标的数值大小就可评价一次调频性能的优劣；具体的：
增益值代表一次调频系统的稳态增益，是系统的稳态特性指标，可反映所论发电系统的一次调频能力大小，增益值越大则表示一次调频能力越大；
截止频率值代表一次调频系统的控制响应速度，是系统的动态特性指标，可反映所论发电系统的一次调频的快速性，截止频率值越大则表示一次调频响应越快。
下面结合具体案例对本发明方法实施进行简要说明。
1)选取实际采集的三段单元发电机组的网络频率大扰动响应数据组，其相对于时间的变化曲线分别如图2～图4所示。每幅图都有上下两部分，分别是网络频率变化和发电功率变化。数据的采样间隔为0.02秒。所用数据的时间段长度为90秒。图2和图3曲线来自于同一台600MW单元发电机组(HN1)，但是数据采集的年份不同。图4曲线来自另一台600MW单元发电机组，但其所针对的网络频率变化曲线与图3的相同。
2)利用粒子群优化(PSO)算法可针对如图2、图3和图4所示的频率扰动响应数据组分别辨识出如下三个一次调频过程传递函数模型。辨识时选定的模型结构是2个左实零点、1个左实极点、2个左平面复极点或左实极点。辨识结果是没有复极点。
其中：GHN1-2012(s)、GHN1-2013(s)和GDU1-2013(s)分别为图2～图4数据辨识得到的传递函数。
根据以上所辨识的三个一次调频传递函数模型，可获得三个增益值；
根据所辨识的三个一次调频传递函数模型分别做伯德图分析，可获得三个截止频率值；
将所得到的三个增益值K和三个截止频率值列表如表1。
表1
单元发电机组 增益值K 截止频率值ωc(rad/s)
HN1-2012 -0.9308 110
HN1-2013 -17.4 62.9
DU1-2013 -11.4 28
根据表1可做三个机组的一次调频性能分析。显然，针对600MW单元发电机组(HN1)，其两次的一次调频性能指标有变化；增益值由小变大，说明一次调频能力变大了；截止频率值由大变小，说明一次调频响应变慢了。另一方面，针对同一频率大扰动，600MW单元发电机组(HN1)和600MW单元发电机组(DU1)的一次调频性能有差别，600MW单元发电机组(HN1)的增益值和截止频率值的数值都大一些，可说明600MW单元发电机组(HN1)的一次调频性能更优越。

Claims (6)

1.一种一次调频性能的频域指标测试与评价方法，其特征在于，包括：
步骤S1：采集当频率波动幅值超过设定阈值时的频率和发电功率数据；
步骤S2：根据采集的频率和发电功率数据辨识一次调频过程的传递函数模型；
步骤S3：根据所辨识的一次调频传递函数模型，获得传递函数模型增益值和截止频率值；
步骤S4：根据模型增益值和截止频率值输出评价结果。
2.根据权利要求1所述的一种电网或电站一次调频性能的频域指标测试与评价方法，其特征在于，所述步骤S1中的设定阈值为预设的一次调频死区限值。
3.根据权利要求1所述的一种电网或电站一次调频性能的频域指标测试与评价方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：利用粒子群优化算法辨识一次调频过程的传递函数模型。
4.根据权利要求1所述的一种电网或电站一次调频性能的频域指标测试与评价方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
步骤S31：根据所辨识的一次调频传递函数模型，获得传递函数模型增益值；
步骤S32：对所辨识的一次调频传递函数模型进行伯德图分析，得到截止频率值。
5.根据权利要求1所述的一种电网或电站一次调频性能的频域指标测试与评价方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
增益值越大，则评价一次调频能力越大；
截止频率值越大，则评价一次调频响应越快。
6.根据权利要求1所述的一种电网或电站一次调频性能的频域指标测试与评价方法，其特征在于，所述传递函数模型为：
<mrow> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>K</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>5</mn> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>4</mn> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>3</mn> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </msub> <msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中：G(s)为传递函数，K为增益值，T1,T2,T3,T4,T5为时间常数，s为拉氏算子。
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