CN1081848C

CN1081848C - 控制发电厂的方法

Info

Publication number: CN1081848C
Application number: CN97123447A
Authority: CN
Inventors: S·赫普内尔; A·维勒尔
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1997-12-31
Publication date: 2002-03-27
Anticipated expiration: 2017-12-31
Also published as: EP0858153A1; CN1190283A; KR100513950B1; MY117873A; JP4142144B2; DE69720950T2; DE69720950D1; TW405291B; JPH10225192A; EP0858153B1; KR19980070253A; US6118187A

Abstract

把发电厂的功率输出作为控制频率的函数来控制：当控制频率降低到标称频率以下时，功率输出将增加；当控制频率超过标称频率时，功率输出将减小。连续地测量电力网频率。对测到的电力网频率取平均值，从而以移动的平均值的形式给出具有电力网频率长期走势的特性的慢变化平均趋势频率。若测到的电力网频率位于平均电力网频率附近的预定带宽内，则把平均电力网频率作为控制频率。若测到的电力网频率位于预定带宽外，则把测到的电力网频率作为控制频率。

Description

控制发电厂的方法

本发明涉及对发电厂进行控制的方法，所述发电厂向交流电力网输送电力，所述电力网频率在标称频率(f₀)附近波动，其中，以随控制频率变化的形式来控制发电厂的功率输出：当控制频率降低到标称频率(f₀)以下时，增加功率输出；当控制频率升高到超过标称频率(f₀)时，减小功率输出。

过去几年国家对电力市场干预的减少已经导致了电力供应商之间竞争的增加。具体地说，独立电力供应商(IPPS)正逐渐地影响着该市场的规则。竞争的增加以及发电厂运营所需的高投入已经导致了对于发电厂可靠性和可用性高的期望值。具体地说，现在正处于工业发展阶段的国家，其特点是对于电力连续增长的需求，以及相比较而言不稳定的电力网。在这种情况下，发电厂所提供频率响应的能力对于维持电力网可靠运行是致关重要的。为了使燃气轮机的运行达到廉价，清洁和可靠供电的要求，使利用燃气轮机驱动的发电厂能够在可能经历强烈的和快速频率波动的电力网上提供频率响应是很重要的。最近马来西亚的电力管制着重说明了这种需要的紧迫性。

在技术上，发电厂频率响应的操作可以被归纳为三个基本要求：

1)每次电力网频率下降时，自动地提供一定量的功率的能力，

2)在某一给定时间内，即在一定的功率梯度下提供这种功率的能力，

3)在一定宽的环境条件范围内以及在一定宽的电力网频率范围内提供上述功率的能力。

对于燃气轮机来说，满足这些要求要找到它们的限制，即，温度的限制，梯度的限制(功率和温度)，以及某些部分所能承受的负载循环次数的限制。必须通过结构上的方法以及燃气轮机控制系统来推行这些限制，使得可以满足，或者甚至超过市场对于频率响应的需求。

下面，将说明电力网测量数据处理方法，该方法产生输送到燃气轮机(GT)功率控制器信号，使得电力网对于动态GT响应的需求可以得到满足，同时，把这种操作模式对于GT寿命损耗的不良影响减至最小。

所述方法包括以下步骤：连续地测量电网频率；求测到的电网频率的平均值，以移动的平均值的形式给出缓慢变化的平均电力网频率、作为一种趋势频率，该趋势频率代表电力网频率的长期走势；如果测到的电力网频率处在作为平均电力网频率附近的静区的预定频带内，则把平均电力网频率作为控制频率，并且如果所述测到的电力网频率处在所述预定频带之外，则把测到的电力网频率作为控制频率。

所述功率输出是所述控制频率的线性或非线性函数。所述静区包括上静区和下静区。上静区和下静由相等的带宽、或不等的带宽、或经过一段时间后可变的带宽组成。所述标称频率是50或60赫兹，而所述上或下静区带宽是大约0.015赫兹。所述静区带宽保持不变。只要测到的电力网频率位于静区，则静区带宽保持在第一范围。如果测到的电力网频率跨越静区的边界，离开静区，则静区的带宽将降到比第一范围低的第二范围；如果测到的电力网频率跨越已减小带宽的静区的边界再次进入所述静区，则静区的带宽从第二范围增加到第一范围。所述带宽的第一范围大约为0.030赫兹。停止给出平均电力网频率的对测到的电力网频率进行的平均处理；并且，当测到的电力网频率在先前离开之后再次进入静区时，开始新的平均处理。如果测到的电力网频率停留在静区以外的时间超过预定的最大值，则停止给出平均电力网频率的对测到的电力网频率进行的平均处理，并开始新的平均处理。通过滤波装置完成给出平均电力网频率的对测到的电力网频率的平均处理。该滤波装置包括低通滤波器。

通过下面参考附图所做的详细的描述，将对本发明以及所附带的优点有更加全面的了解，附图中：

图1说明频率运行模式，

图2说明静态特性，

图3说明静区静态特性，

图4说明典型的电力网输出，

图5说明信号分类：精度，

图6说明信号分类：举例，

图7说明信号分类：静态静区，

图8说明信号分类：趋势，

图9说明信号分类：动态静区，

图10说明带有恒定动态静区的电力网信号处理器(GSP)输出，

图11说明静区的压缩/放大，

图12说明静区放大/放大，

图13说明GSP方框图，

图14说明静区漂移。

燃气轮机的频率运行模式的特点是：GT功率控制器的设定值Pc按照给定的(线性)特性，以频率误差的函数的形式自动地变化，被称为下降特性。控制环路的基本构成如图1所示：测到的电力网频率(f_m)与频率设定值(f_c：正常50赫兹或60赫兹)相比较。

Δf＝f_m-f_c (2.1)然后将结果频率误差转换为根据前面利用逻辑电力网码所描述的下降特性的所要求的功率信号ΔPc。接下来，有关信号处理算法将被称为电力网信号处理器(GSP，见图1)。GSP的输出被加到功率设定值Pc(由操作员选择)上，得出所需功率输出的总和Pct，随后该信号被送到功率控制器，该控制器对燃料流量(m_f)和/或入口指导风门起作用，以便将被测功率输出Pm调整到总功率需求Pct，这种环路提供可靠的和快速的频率响应的能力完全地取决于过程动力学(GT过程，测量，执行机构)，功率控制器动力学，以及GSP的质量。

本说明书的剩余部分涉及GSP，它将频率信号Δf转换为适当的信号ΔPc，使得电力网的要求得到满足，并且使得燃气轮机的运行对其寿命损耗影响最小。

定义1：下降特性是一函数ΔP(Δf)，该函数根据按照频率响应操作运行的电站的频率误差确定功率输出的静态变化。

一种理想情况下，线性特性如图2所示。

定义2：所述下降特性确定图2中定义的和示出的线性的理想的特性曲线的斜率。下降的越低，下降特性曲线的斜率越大。

在发电厂实现理想下降特性是不可行的，因为它将导致任意频率误差的频率响应，具体地说，由于测量和/或电力网噪声所引起的误差的频率响应。这种噪声将被变换成发电厂功率控制器的噪声命令信号，并因此产生发电厂噪声输出。发电厂操作员和电力网操作员都不希望有这种情况：对于发电厂操作员来说，噪声信号对发电厂的扰动将导致不必要的寿命损耗。对于燃气轮机发电厂来说，这是尤其重要的。对于电力网操作员来说，发电厂噪声输出是不希望出现的，因为它将增加电力网的噪声范围。注意，越低的电力网下降设定，将越来越使电力网噪声被放大。由于这个原因，将用静区修改理想特性，该静区的中心位于标称频率f₀附近(见图3)。下降和静区均由电力网操作员来设定。然而，结果证明，这种特性不能产生预定的结果。这个问题将在下面的段落中加以分析，并且将提供一种优化的GSP，以保证电力网和发电厂操作员两者的要求。

燃气轮机驱动的发电厂最优GSP的基础是电力网动力学分析。作为说明性的例子，英国电力网典型的曲线如图4所示。这些数据将针对燃气轮机的寿命的影响，可以相对于其频率和幅度方面的动态特性来分类。这种分析的结果汇总在图5中。实际上，电力网动态信号内容可以被分为三类迭加信号：

第一类信号描述在分钟量级范围内电力网的长期表现(见图4)。这种运动形式也被称为趋势。它是由功率损耗的波动以及电力网自身动力学产生的。因此，电力网拥有者要接收对于第一类信号的频率响应。由于它们的梯度非常低，并且发生的频繁度受到限制，所以，第一类信号只对GT寿命有很低的影响。

第二类信号是具有高出现率(0(10⁵)次/每年)、在整个频谱上的低幅度信号。由于其高的出现率，所以它们对于GT寿命损耗具有重大的影响。另一方面，它们是由于随机效应(测量噪声，电力网噪声)所产生的，并因此与频率响应无关。因此，对于电力网的拥有者和发电厂操作员来说，感兴趣的是抑制关于这种信号的频率响应。

第三类信号的特点是非常高的频率成分、高幅度(一般为脉冲或阶梯波)，以及相对低的出现频繁度。这种信号是由于突然间的电力网事故，如发电厂掉电事故所造成的。对于电力网操作员来说，具有对这种类型事故的可靠的频率响应是致关重要的。由于这种事件与其他类型信号相比较，是极少出现的，所以它们对于GT寿命损耗的影响相对较低。

上述信号类型的一个典型的曲线如图6所示。根据上述分析，构造一种GSP系统，它按照给定的斜率提供对于第一类和第三类信号的频率响应，并且抑制关于第二类信号的频率响应。构造这样的GSP系统的关键是从可获得的频率测量中区分三类信号的方法。

动态静区的概念和原理：新GSP的心脏部分是用动态静区代替第三部分中所描述的静态静区。通过对图7所示的曲线的分析，将对其机理有所了解。根据该图，很明显静态静区不能把第三类信号与其它信号中区分，因为大部分时间趋势曲线(第一类信号)驻留在静态静区的外面。然而，由于该趋势曲线被定义为电力网长期的走势，通过使用趋势滤波器对电力网频率测量进行适当的滤波(见图8)可以对该趋势进行构造。记住，第三类信号占据整个频率范围，显而易见它们不能通过动态滤波来区分。另一方面，图5和图8建议通过它们相对于第一类信号的幅度可以将它们区分。换句话说，根据定义，与趋势曲线的任何小的偏差为第三类信号，因此其频率响应应该被抑制。这通过把静区中心定位在趋势曲线附近，而不是特征频率f₀附近来实现。由于这种静区的位置随趋势而变化，因此它被称为动态静区。

该趋势信号与动态静区一起还提供检测第三类信号的机理：任何离开动态静区的电力网信号为第三类信号(高幅度，高频率)。其原理如图9所示。

现在将GSP操作的基本原理总结如下：只要被测电力网信号在动态静区范围以内，则趋近理想特性(如图2所示)的信号是趋势信号，并且，它是在电力网信号离开动态静区的时间间隔测到的电力网信号。这样，频率响应被限制在与电力网有关的事件，并且电力网噪声在大多数时间内被抑制。注意，当响应第三类信号时，电力网噪声不能被抑制，因为它们可能具有被第二类信号所覆盖的频率范围。然而，这与GT寿命时间无关，因为第三类信号时间是罕见的，并且在这些事件期间，对于寿命时间的主要影响是第三类信号，而不是第二类信号(因为第三类信号幅度更高)。使用这一原理所得到的典型的曲线如图10所示。

静区技术如下：

a)借助于收缩/扩张：图10所说明的曲线暴露了一个问题，即当测到的频率信号靠近静区时，该曲线上升。在这种情况下，可能会出现频繁出入静区的现象(由于第二类信号所引起)，每次将触发从趋势信号到频率测量并回到该趋势的跳跃。这种效应被称为抖动。通过使用收缩静区可以防止抖动。其思想是一测量到频率离开静区就将静区缩小到非常小的数值。用这种方法抖动不能被第二类信号所触发。当测到的频率进入被收缩的静区时，该静区将再次被放大。这一原理如图11所示，并且在图12就简单频率曲线进行描述。作为静区收缩的结果，GSP输出信号将含有第二类信号，直到它进入收缩的静区为止。由于第三类事件相对稀少(并且由于静区收缩/扩张)，以及由于直至产生再进入静区所需的时间相对较短(以及第二类事件数量较低)，所以对于GT寿命时间并没有任何问题。图13显示了电力网信号处理过程的方框图。本专业的技术人员是明白该方框图的。

b)借助于静区移位：不需要静区收缩而处理抖动问题的另外的方法是静区移位。利用这一原理，每次将趋势滤波器重新初始化，测到的频率再次进入静区。这时，用再进入时刻测到的频率将趋势滤波器初始化。结果，静区(其中心位于趋势附近)将移动其整个宽度的一半。利用这种方法，对于孤立的第三类事件将平滑地再进入静区，并且对于第二类信号所触发的再次进入静区的情况，抖动将被消除。后者可实现是由于第二类再进入将导致静区移位，这种移位随后将排除相对于新趋势的任何更多的第二类事件。样本曲线如图14所示。

c)借助于规定过静区时间：另一种技术是要规定测到的频率驻留在静区外的最大时间。结合前一部分所述的静区移位，这种机理将提供把穿过下降特性曲线的第二类事件数目减至最少的可能性。

Claims

1.一种控制发电厂的方法，所述发电厂将电力输送到电力网，所述电力网是交流交流电力网，并具有在标定频率(f₀)附近波动的电力网频率，其中把所述发电厂的功率输出作为控制频率的函数来控制：当控制频率降低到所述标定频率(f₀)以下时，功率输出将增加，当控制频率增加超过所述标定频率(f₀)时，功率输出将减小，其特征在于：

连续地测量所述电力网频率。将测到的频率(f_m)取平均值，以移动的平均值的形式给出缓慢变化的平均电力网频率、作为一种趋势频率，该趋势频率代表电力网频率的长期走势，如果所述测到的电力网频率处于作为所述平均电力网频率附近的静区的预定频带之内，则把所述平均电力网频率作为所述控制频率，并且如果所述测到的电力网频率处于所述预定频带以外，则把所述测到的电力网频率作为所述控制频率。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述发电厂包括燃气轮机(GT)，并且所述燃气轮机的功率输出作为所述控制频率的函数被控制。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：所述电力输出是所述控制频率的线性或非线性函数。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述静区包括上静区和下静区。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于：所述上静区和下静区由相等的带宽，或不等的带宽，或经过一段时间后可变的带宽组成。

6.根据权利要求4的方法，其特征在于：所述标称频率是50或60赫兹，并且所述上或下静区的所述带宽大约为0.015赫兹。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述静区带宽保持为常量。

8.根据权利要求1的方法，其特点在于，只要测到的电力网频率位于所述静区以内，则所述静区带宽保持在第一范围。如果测到的电力网频率跨越所述静区的边界，离开所述静区，则所述静区的所述带宽将降低到比第一范围低的第二范围，如果所述测到的电力网频率跨越所述已减小带宽的静区的边界再次进入所述静区，则所述静区的带宽将从第二范围增加到所述第一范围。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于：所述带宽的所述第一范围大约为0.030赫兹。

10.根据权利要求7的方法，其特征在于：停止给出所述平均电力网频率的对所述测到的电力网频率进行的平均处理，并且当所述测到的电力网频率在先前离开之后再次进入所述静区时，开始进行新的平均处理。

11.根据权利要求7的方法，其特征在于：如果所述测到的电力网频率停留在所述静区以外的时间超过预定的最长时间，则给出所述平均电力网频率的对所述测到的电力网频率进行的平均处理被停止，并开始新的平均处理。

12.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：通过滤波装置完成给出所述平均电力网频率的对所述被测量电力网频率进行的平均处理。

13.根据权利要求12的方法，其特征在于：所述滤波装置包括低通滤波器。