CN110445194B - 一种基于水、火电不同比例一次调频能力优化方法 - Google Patents

一种基于水、火电不同比例一次调频能力优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电力系统技术领域的一种基于水、火电不同比例一次调频能力优化方法，旨在解决现有技术中水电比重较高的电网中出现较大功率波动时，水轮机水锤效应会进一步破坏电网中有功功率的不平衡，最终导致电网频率恶化的技术问题，搭建系统频率响应模型；分析功率缺额扰动时水、火电不同比例对系统频率的影响；获取系统频率最低时间；判断是否增加水轮机调速器延时环节。本发明所述方法通过分析水锤效应时间与频率最低时刻的关系，提出了增加水电机组调速器延时控制环节来提高水电占比高电网的一次调频能力的方法，仿真实验证明所提方法能使故障后系统的最低频率得到很好的提升，且最低频率出现的时间会相应的延迟。

Description

一种基于水、火电不同比例一次调频能力优化方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种基于水、火电不同比例一次调频能力优化方法。
背景技术
频率是衡量电网电能质量的重要指标之一，机组的一次调频功能是当系统受到大功率故障扰动时维护电网频率稳定、在正常负荷波动下防止电网频率大幅波动的重要手段。当电网频率偏离额定值时，具备一次调频功能的机组根据系统的频率变化量自发的快速调整出力，改善系统的频率稳定性。
我国四川、西藏、云南等地区水电资源丰富，随着大型水电站和抽水蓄能电站的不断建成投运、远距离输电系统的增加以及全国互联电网的逐步形成，与水电站和抽水蓄能电站相关的安全稳定问题日趋严重。由于水轮机具有水锤效应，所以当水电比重较高的电网中出现较大功率波动时，水轮机水锤效应会进一步破坏电网中有功功率的不平衡，最终导致电网频率恶化。
随着我国跨区域互联电网的不断发展，大容量远距离输电成为我国电网的一个重要特点。随着单回输电线路的输电容量不断增加，频率大幅度波动事故的风险不断加大，使得电网运行调度更加关注机组一次调频的性能
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于水、火电不同比例一次调频能力优化方法，以解决现有技术中水电比重较高的电网中出现较大功率波动时，水轮机水锤效应会进一步破坏电网中有功功率的不平衡，最终导致电网频率恶化的技术问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于水、火电不同比例一次调频能力优化方法，包括以下步骤：
a、搭建系统频率响应模型；
b、分析功率缺额扰动时水、火电不同比例对系统频率的影响；
c、获取系统频率最低时间；
d、判断是否增加水轮机调速器延时环节。
所述步骤a包括以下步骤：
aa、建立不平衡功率的调节模型：
Figure BDA0002142995430000021
式中，Δp表示机组的投退、负荷的扰动、联络线的开断所引起的不平衡功率，Wk表示发电机转子吸收或释放的动能，ΔPL表示负荷的频率调节效应，ΔPG表示发电机组一次调频措施；
ab、列出系统的状态方程：
Figure BDA0002142995430000022
式中，KD表示系统负荷频率调节效应系数，TS表示等值机惯性时间常数，KG表示发电机的功率频率静态特征系数，TG表示发电机的调速器和原动机的综合时间常数，Δf表示频率偏差量，ΔPOL表示机组与负荷共同作用后功率缺额量，ΔPG表示发电机组一次调频措施，ΔPD表示负荷的频率调节效应，ΔPOLO表示故障扰动造成的功率缺额大小；
ac、细化频率调节特性的反馈环节；
ad、令Tf＝TS/kD表示系统频率下降的时间常数，KS＝KD+KG表示全系统的功率频率调节效应系数，由式(2)可以解出：
Figure BDA0002142995430000031
式中，
Figure BDA0002142995430000032
表示频率变化时间常数，
Figure BDA0002142995430000033
表示频率变化振荡角速度，
Figure BDA0002142995430000034
表示频率变化振荡幅度，
Figure BDA0002142995430000035
表示频率变化振荡角度；
细化频率调节特性的反馈环节的方法是，把频率调节特性的反馈环节分为火电机组原动机加调速器反馈环节和水电机组原动机加调速器反馈环节。
所述步骤b包括以下步骤：
ba、通过水电机组和火电机组的发电机功率静态特征系数模拟改变水火电机组所占比例的多少，定义水、火电占比公式如下：
Figure BDA0002142995430000036
式中，ηH表示火电占比量，ηS表示水电占比量，PH表示系统中火电机组发电量之和，PS表示系统中水电机组发电量之和，PB表示系统中火电机组发电量和水电机组发电量之和；
bb、设置参数；
bc、获得不同水、电占比时，系统频率变化曲线。
设置参数的方法是：设某系统水电和火电机组一次调频系数都为25，系统60％电源来自远端电网直流供应，模拟50％火电+50％水电需将火电和水电一次调频系数都设置为5；模拟100％火电需将火电一次调频系数设置为10，水电一次调频系数设置为0；其余参数设置包括水锤效应时间常数，容积效应时间常数，高压缸比，负荷功率因数，系统等效惯性时间常数；功率缺额扰动量。
判断是否增加水轮机调速器延时环节的方法是：当系统频率最低时刻点小于水锤效应结束时间时，增加水轮机调速器延时。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明所述方法通过分析水锤效应时间与频率最低时刻的关系，提出了增加水电机组调速器延时控制环节来提高水电占比高电网的一次调频能力的方法，仿真实验证明所提方法能使故障后系统的最低频率得到很好的提升，且最低频率出现的时间会相应的延迟。
附图说明
图1是单机带负荷频率响应模型框图；
图2是考虑水、火电不同占比时频率响应模型框图；
图3是考虑水、火电不同占比时详细的频率响应模型框图；
图4是TW＝1秒的水锤效应示意图；
图5是TW＝2秒的水锤效应示意图；
图6是汽轮机传递函数框图；
图7是火电机组和水电机组在应对20％功率缺额故障扰动时的出力特性曲线；
图8是不同水火机组占比时系统频率变化曲线；
图9是系统受到功率缺额故障扰动后，水电机组的机械功率出力曲线图；
图10是水锤效应时间常数为1s时，系统最低频率时间与水锤效应结束时间的对比图；
图11是水锤效应时间常数为5s时，系统最低频率时间与水锤效应结束时间的对比图；
图12是水锤效应时间常数为3s时，水轮机加不同延时后系统频率曲线对比图；
图13是本发明所述基于水、火电不同比例一次调频能力优化方法的仿真计算流程图。
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。
机组的投退、负荷的扰动、联络线的开断所引起的不平衡功率Δp主要依靠发电机转子吸收/释放的动能KW，负荷的频率调节效应ΔPL以及发电机组一次调频措施ΔPG来调节。
Figure BDA0002142995430000051
在传统的单机带负荷频率响应模型框图中，前向环节表示等值发电机的转子运动方程。两个反馈环节表示负荷和发电机的频率特性，如图1所示。可以列出系统的状态方程如公式(2)：
Figure BDA0002142995430000061
式中，KD表示系统负荷频率调节效应系数，TS表示等值机惯性时间常数，KG表示发电机的功率频率静态特征系数，TG表示发电机的调速器和原动机的综合时间常数，Δf表示频率偏差量，ΔPOL表示机组与负荷共同作用后功率缺额量，ΔPG表示发电机组一次调频措施，ΔPD表示负荷的频率调节效应，ΔPOLO表示故障扰动造成的功率缺额大小。
把发电机的频率调节特性的反馈环节细化，分为火电机组原动机加调速器反馈环节和水电机组原动机加调速器反馈环节，如图2、图3所示。调节相应参数，反应水火电不同占比时系统的频率特性。火电机组和水电机组调速器环节可用发电机的功率频率静态特性系数和一阶惯性环节表示。
水轮发电机是利用上下游水位落差产生的水流的动力带动发电机发电，在水轮机动态特性模型中，主要考虑水轮机及其引水管道中由于水流惯性所引起的暂态过程，即通常所说的水锤效应，系统发生功率缺额时，水电机组导水页突然开大，因为水流的惯性，水压下降的作用超过流量增加的作用。输入水轮机的瞬时功率不是减小而是增大。从而恶化了水电机组系统中的频率动态过程。
水锤效应使得水轮机机械功率随导向叶片开度的变化规律变得十分复杂。目前电力系统动态仿真过程中常常采用公式(3)来描述PM和u：
Figure BDA0002142995430000062
式中，PM表示发电机机械功率，u表示汽门开度量，S表示积分，TW表示水锤效应时间常数。
图4是TW＝1秒的水锤效应示意图，图5是TW＝2秒的水锤效应示意图。从图4、图5中可以看出，水锤效应时间常数越大，水锤效应越明显，不同的水电厂TW有不同的数值，一般在0.5s～5s之间，水锤效应时间常数越大，系统受到扰动后频率动态过程越恶劣。
改变汽轮机输出功率的主要手段是调节汽门开度μ。汽门与蒸汽喷嘴之间具有一定的空间，即蒸汽容积。当汽轮机汽门开度变化时，该空间的蒸汽压力不可能立即变化，汽轮机输出的功率也就不能立即变化，从而使得机械功率的变化滞后于汽门开度变化。在数学上可以用一个一阶惯性环节来描述蒸汽容积效应。在小容量汽轮机中，汽门与喷嘴之间的空间较小，蒸汽容积的影响也较小，可以忽略不记。在大容量汽轮机中，蒸汽容积对调节过程的影响相当显著，必须加以考虑。对中间再热式汽轮机，其中间再热系统具有很大的蒸汽容积，中、低压缸输出功率的变化将受到这部分蒸汽容积的影响
如图6所示，由于中间再热蒸汽容积的时间常数比低压缸蒸汽容积时间常数大的多，所以可以近似忽略低压蒸汽容积效应，从而得到汽轮机输出功率和调节汽门之间简化的描述方式如下：
Figure BDA0002142995430000071
式中，PM表示发电机机械功率，μ表示水轮机导叶开度量，S表示积分，TCH表示高压缸时间常数，TRH表示中压缸时间常数，α表示高压缸容量占比。
如图7所示，水电机组由于水锤效应，在机械功率调用初期表现出一定程度的功率反调，火电机组由于容积效应机械功率调出速度较慢。
一般汽轮发电机组对应的KG(一次调频系数)为16.7～25，水轮发电机组对应的KG范围为25～50。改变水电机组和火电机组的发电机功率静态特征系数可以模拟改变水火电机组所占比例的多少，定义水火电占比公式如下：
Figure BDA0002142995430000081
式中，ηH表示火电占比量，ηS表示水电占比量，PH表示系统中火电机组发电量之和，PS表示系统中水电机组发电量之和，PB表示系统中火电机组发电量和水电机组发电量之和。
设某系统水电和火电机组的KG都为25，系统60％电源来自远端电网直流供应，模拟50％火电加50％水电需将火电和水电KG都设置为5。模拟100％火电需将火电KG设置为10，水电KG设置为0。
另外其余参数设置条件如下：水锤效应时间常数为2s，容积效应时间常数为1.5s，高压缸比为0.5，负荷功率因数设置为1.0，系统等效惯性时间常数设置为8s。功率缺额扰动量为10％，调整水火电不同占比情况得出仿真结果，如表1和图8所示。
表1 10％功率缺额扰动时，不同水、电机组占比时系统最低频率表
Figure BDA0002142995430000082
从表1和图8中可以得出，水电机组由于存在水锤效应，在功率缺额扰动发生初期并不能很好的随系统频率变化为系统提供有功支援，在水电占比较高时候尤为明显，水电占比越高，系统的频率下降越低。
令Tf＝TS/kD表示系统频率下降的时间常数，KS＝KD+KG表示全系统的功率频率调节效应系数，由公式(2)可以解出：
Figure BDA0002142995430000091
式中，
Figure BDA0002142995430000092
表示频率变化时间常数，
Figure BDA0002142995430000093
表示频率变化振荡角速度，
Figure BDA0002142995430000094
表示频率变化振荡幅度，
Figure BDA0002142995430000095
表示频率变化振荡角度，t表示时间变量；
因此当考虑调速系统影响时，单机模型下系统的频率动态过程是一条幅值以时间常数1/α衰减的震荡曲线，在扰动初始瞬间具有最大下降速率：
Figure BDA0002142995430000096
稳态频降为：
Figure BDA0002142995430000097
并且在
Figure BDA0002142995430000098
时，频率偏差达到最大值。
由上式可知，系统出现最低频率的时间与系统的等值机惯性时间常数，发电机的调速器和原动机的综合时间常数，全系统的功率频率调节效应系数等相关，与扰动功率缺额量无关。即系统中水锤效应时间和频率最低点时间都是不随系统的功率缺额量的变化而变化。可以通过分析二者之间的关系，找出优化一次调频的方法。
如图9所示，一般水电机组在改变其机械功率出力时会出现水锤效应造成的反调现象，可以将其出力曲线看成凹区和凸区两个区间，在水锤效应凹区，水电机组出力不增反减对系统频率做出负的贡献，在频率凸区，水电机组对系统频率做出正的贡献。
如图10、图11所示，将水电机组的机械功率曲线与系统的频率曲线放在一起做分析对比，当水电机组的水锤效应时间常数较小时系统的最低频率时间在在水锤效应结束之后；当水电机组的水锤效应时间常数较大时，系统的最低频率时间在水锤效应结束之前。对于水锤效应结束时间在最低频率时间之前的情况来说可以延缓水电机组调速器的启动，减少凹区对系统频率的不利的影响。
对水电占比50％的系统，水电机组水锤效应时间常数分别为1s，2s，3s时，进行10％功率缺额扰动的仿真实验，实验结果如表2、表3、表4、图12所示：
表2 水锤效应时间常数为1s时系统频率表
Figure BDA0002142995430000101
表3 水锤效应时间常数为2s时系统频率表
Figure BDA0002142995430000102
表4 水锤效应时间常数为3s时系统频率表
Figure BDA0002142995430000103
当系统中水电机组的水锤效应时间常数较大时，通过增加水电机组调速器的延时，故障后系统的最低频率可以得到很好的提升，且最低频率出现的时间会相应的延迟，为其余调控手段争取时间。这是因为水锤效应时间常数较大的时候，频率最低时刻点在水锤效应的凹区，水轮机对系统频率做出负的增益，可以增加延时，减小水锤效应对系统频率初期的不利影响。但是增加水电机组调速器延时在某些情况下也会产生系统频率恢复较慢的影响。
水锤效应时间常数较小时，延时水电机组出力频率改善效果不明显，这是因为在水锤效应过于小时，频率最低时间点在水轮机机械功率曲线的凸区，这时水电已经可以担负起正增益功能，延时水轮机调速器出力甚至可能还会出现频率恶化的情况。
图13所示为本发明所述基于水、火电不同比例一次调频能力优化方法的仿真计算流程图。在一次调频过程中是否对水轮机调速器增加延时，以及延时增加多少，需要看频率最低点和水锤效应凹区结束点的时间对比以及实际系统对频率稳定安全力的具体需求。
本发明在分析水轮机组水锤效应和汽轮机组容积效应的基础上搭建了可以反映水电、火电不同占比的系统频率动态模型，分析了水火电不同占比时故障后系统的频率动态过程，通过分析水锤效应时间与频率最低时刻的关系，提出了增加水电机组调速器延时控制环节来提高水电占比高电网的一次调频能力的方法。仿真实验证明所提方法能使故障后系统的最低频率得到很好的提升，且最低频率出现的时间会相应的延迟。
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 (6)

1.一种基于水、火电不同比例一次调频能力优化方法，其特征是，包括以下步骤：
a、搭建系统频率响应模型；
b、分析功率缺额扰动时水、火电不同比例对系统频率的影响；
c、获取系统频率最低时间；
d、判断是否增加水轮机调速器延时环节。
2.根据权利要求1所述的基于水、火电不同比例一次调频能力优化方法，其特征是，所述步骤a包括以下步骤：
aa、建立不平衡功率的调节模型：
Figure FDA0002142995420000011
式中，Δp表示机组的投退、负荷的扰动、联络线的开断所引起的不平衡功率，Wk表示发电机转子吸收或释放的动能，ΔPL表示负荷的频率调节效应，ΔPG表示发电机组一次调频措施；
ab、列出系统的状态方程：
Figure FDA0002142995420000012
式中，KD表示系统负荷频率调节效应系数，TS表示等值机惯性时间常数，KG表示发电机的功率频率静态特征系数，TG表示发电机的调速器和原动机的综合时间常数，Δf表示频率偏差量，ΔPOL表示机组与负荷共同作用后功率缺额量，ΔPG表示发电机组一次调频措施，ΔPD表示负荷的频率调节效应，ΔPOLO表示故障扰动造成的功率缺额大小；
ac、细化频率调节特性的反馈环节；
ad、令Tf＝TS/kD表示系统频率下降的时间常数，KS＝KD+KG表示全系统的功率频率调节效应系数，由式(2)可以解出：
Figure FDA0002142995420000021
式中，
Figure FDA0002142995420000022
表示频率变化时间常数，
Figure FDA0002142995420000023
表示频率变化振荡角速度，
Figure FDA0002142995420000024
表示频率变化振荡幅度，
Figure FDA0002142995420000025
表示频率变化振荡角度。
3.根据权利要求2所述的基于水、火电不同比例一次调频能力优化方法，其特征是，细化频率调节特性的反馈环节的方法是，把频率调节特性的反馈环节分为火电机组原动机加调速器反馈环节和水电机组原动机加调速器反馈环节。
4.根据权利要求1所述的基于水、火电不同比例一次调频能力优化方法，其特征是，所述步骤b包括以下步骤：
ba、通过水电机组和火电机组的发电机功率静态特征系数模拟改变水火电机组所占比例的多少，定义水、火电占比公式如下：
Figure FDA0002142995420000026
式中，ηH表示火电占比量，ηS表示水电占比量，PH表示系统中火电机组发电量之和，PS表示系统中水电机组发电量之和，PB表示系统中火电机组发电量和水电机组发电量之和；
bb、设置参数；
bc、获得不同水、电占比时，系统频率变化曲线。
5.根据权利要求4所述的基于水、火电不同比例一次调频能力优化方法，其特征是，设置参数的方法是：设某系统水电和火电机组一次调频系数都为25，系统60％电源来自远端电网直流供应，模拟50％火电+50％水电需将火电和水电一次调频系数都设置为5；模拟100％火电需将火电一次调频系数设置为10，水电一次调频系数设置为0；其余参数设置包括水锤效应时间常数，容积效应时间常数，高压缸比，负荷功率因数，系统等效惯性时间常数；功率缺额扰动量。
6.根据权利要求1所述的基于水、火电不同比例一次调频能力优化方法，其特征是，判断是否增加水轮机调速器延时环节的方法是：当系统频率最低时刻点小于水锤效应结束时间时，增加水轮机调速器延时。
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