CN111042874B - 一种防止汽轮发电机组低频功率振荡的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防止汽轮发电机组低频功率振荡的装置及方法，包括：汽轮机调门、汽轮机、发电机、电网、功率变送器、频率变送器和工业控制计算机；汽轮机的蒸汽入口处设有汽轮机调门，汽轮机与发电机相连接；发电机接入电网中，发电机连接功率变送器；电网中接有频率变送器；工业控制计算机连接汽轮机调门、功率变送器和频率变送器。本发明的有益效果是：本发明可应用于汽轮发电机组及具备功率闭环控制的发电机组上。本发明可在电网系统发生低频功率振荡时，准确判断异常工况的发生，迅速改变机组的运行状态，切除发电机功率闭环控制，防止机组功率波动加剧，有利于低频功率振荡的消散，保证发电机组及电网运行的安全性。

Description

一种防止汽轮发电机组低频功率振荡的装置及方法

技术领域

本发明涉及机组低频功率振荡领域，尤其包括一种防止汽轮发电机组低频功率振荡的装置及方法。

背景技术

当发电机的线路功率发生近似等幅或增幅的振荡，且振荡频率较低时，就被称为低频功率振荡。低频功率振荡对电网系统的稳定性会产生较大影响，在极端情况下甚至可能造成电网系统的解列，因此如何防止和减轻低频功率振荡对系统及机组运行安全性的影响，一直是是研究的热点问题。当发生低频功率振荡时，机组的输出功率将在短时间内发生大幅波动，如控制系统无法判断该异常情况的发生，继续以功率闭环方式控制机组出力，将导致汽轮机调门频繁开关，并导致功率波动的进一步加剧，甚至可能威胁机组和电网系统的运行安全。因此，必须对功率振荡工况进行快速准确的判断，并及时切换汽轮发电机组的运行方式，保证设备和机组的运行安全。

汽轮发电机组是将蒸汽热能转化为旋转机械能，并带动发电机输出电能的装置。其主要通过控制调门开度改变进入汽轮机做功的蒸汽流量，进一步改变汽轮机及发电机的出力，实现对机组输出功率的控制。相关装置的主要组成包括利用蒸汽做功的汽轮机、由汽轮机带动将机械能转化为电能的发电机、调节汽轮机出力的调门、测量发电机功率的功率变送器、测量电网频率的频率测量装置，进行逻辑计算及控制的工业控制计算机等。在正常情况下，功率变送器测量得到发电机输出功率并将该功率信号传输给工业计算机；工业计算机根据发电机实时功率和接受到的功率指令，生成汽轮机调门开度指令并控制汽轮机调门；汽轮机调门开度的变化将改变进入汽轮机做功的蒸汽流量，并进一步调节发电机功率，达到精准控制功率的目的。

目前汽轮机组的出力控制策略主要是根据实时测量得到的发电机功率进行汽轮机出力的调节，以此实现功率的闭环控制。当发生低频功率振荡时，目前的控制系统没有有效手段判断该异常状态，机组将继续在功率振荡的情况下进行闭环功率控制，这将导致机组出力随功率的振荡而反复快速升降，并可能进一步加剧系统中振荡的发生。这不仅将导致汽轮机调门快速、大幅的开关动作，影响机组的运行安全，还可能威胁到整个电网系统的运行安全。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种防止汽轮发电机组低频功率振荡的装置及方法。

这种防止汽轮发电机组低频功率振荡的装置，包括：汽轮机调门、汽轮机、发电机、电网、功率变送器、频率变送器和工业控制计算机；所述汽轮机的蒸汽入口处设有汽轮机调门，汽轮机与发电机相连接；所述发电机接入电网中，发电机连接功率变送器；所述电网中接有频率变送器；所述工业控制计算机连接汽轮机调门、功率变送器和频率变送器。

这种防止汽轮发电机组低频功率振荡的装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、判断低频功率振荡情况的判断条件如下：

a)对发电机的实时功率测量值进行周期性扫描，工业控制计算机接收发电机的实时功率，将该值保持1秒，并在这1秒内与当前实时功率值进行比较，若在此1秒内，发电机的功率变化幅度超过发电机额定功率的5％，则本条逻辑判断成立；经过1秒比较后，保持的功率值将被释放，跟踪当前实际功率值0.5秒后再次保持当前的功率值，进入下一判断周期；

b)逻辑算法同步将1秒内发电机功率变化的幅值与当前电网频率波动所要求的一次调频理论动作功率进行比较,若实际功率变化幅值超过一次调频理论动作功率需求的限值时，则本条逻辑判断成立；

c)发电机的功率测量信号在1秒内的变化量与频率变化对应的一次调频理论动作功率相乘；如果乘积为负数，则电机功率变化方向与一次调频理论动作功率的变化方向相反，则本条逻辑判断成立；

步骤2、在一个判断周期内，满足步骤1所述的判断条件a)，且满足步骤1所述的条件b)或条件c)时，判断发生发电机功率异常1次；若在15秒内，出现3次逻辑判断成立，则认为发电机已经处于低频功率振荡工况；

步骤3、以逻辑或的方式，在发电机功率闭环控制中切除自动控制的判断回路中增加低频功率振荡信号；当判断发电机处于低频功率振荡后，如果发电机功率的闭环控制处于投入状态，则控制系统将切除功率闭环控制，发电机的出力将由操作人员手动控制；当发电机低频功率振荡现象消失后，由操作人员手动将功率闭环控制重新投入。

作为优选，步骤1的判断条件b)所述的当前电网频率波动所要求的一次调频理论动作功率的计算公式为：

一次调频理论动作功率＝[额定发电功率×(转速差-死区)]/(汽机理论转速×转速不等率)

上式中，转速差为实际汽机转速与理论值3000r/min的差值；死区为2r/min；转速差在±2r/min之内不响应一次调频动作；汽机理论转速为3000r/min；转速不等率为5％。

作为优选，步骤1的判断条件b)所述的一次调频理论动作功率需求的限值为：将一次调频理论动作功率经增益系数放大2～3倍后的值。

作为优选，步骤1的判断条件c)所述发电机的功率测量信号在1秒内的变化量未求绝对值。

本发明的有益效果是：

(1)本发明可应用于汽轮发电机组及具备功率闭环控制的发电机组上。本发明可在电网系统发生低频功率振荡时，准确判断异常工况的发生，迅速改变机组的运行状态，切除发电机功率闭环控制，防止机组功率波动加剧，有利于低频功率振荡的消散，保证发电机组及电网运行的安全性。

(2)本发明利用采集的信号及逻辑判据对低频功率振荡的情况进行准确判断，并切除功率闭环控制方式，稳定机组出力，以帮助减轻或消除低频功率振荡。提高了发电机组运行的可靠性，提升了机组并网运行的安全性。在汽轮发电机组发生功率振荡时，通过监测相应的技术指标准确判断低频功率振荡的发生，并通过调整机组的控制模式来减轻或消除功率振荡，提升机组和电网系统运行的可靠性。

附图说明

图1为防止汽轮发电机组低频功率振荡的装置的示意图；

图2为机组低频功率振荡判断逻辑结构图。

附图标记说明：汽轮机调门1、汽轮机2、发电机3、电网4、功率变送器5、频率变送器6、工业控制计算机7。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

本发明的主要结构如图1所示，系统主要由汽轮机2、发电机3、汽轮机调门1、功率变送器5、频率变送器6、以及工业控制计算机7组成。汽轮机2的蒸汽入口处设有汽轮机调门1，汽轮机2与发电机3相连接；发电机3接入电网4中，发电机3连接功率变送器5；电网4中接有频率变送器6；工业控制计算机7连接汽轮机调门1、功率变送器5和频率变送器6。

在正常状态中，工业控制计算机7根据功率变送器5送来的机组实时输出功率与接收的机组功率指令进行比较，运算生成汽轮机调门1的开度指令，利用汽轮机调门1对进入汽轮机的蒸汽流量进行控制，改变发电机组的出力，以此实现精确的闭环功率控制。

由于发电机组低频功率振荡影响发电机组及电网4运行的安全，而且也极少出现，实际操作较难完成，因此本发明方法在艾默生OVATION分散控制系统上组态并进行模拟试验，该控制系统广泛应用于各大发电机组，期间依靠手动快速强制信号值来实现模拟过程，主要强制机组的功率测量信号及电网4频率测量信号，依据综合性逻辑判据对低频功率振荡的异常情况进行判断。

如图2所示，机组低频功率振荡判断逻辑中：功率测量值保持回路中，功率测量值保持回路(保持1s)，RS触发器输出为TRUE，发1s脉冲，延时0.75s，再发0.75s脉冲复位RS触发器。机组功率测量信号输入处，虚线为输入开关量，开关量为TURE时，功能块模拟量信号输入为Y端，开关量为FALSE，模拟量输入为N端。H的值由上行频率-功率转换函数计算经增益放大后得出，是一个可变的数值，当上行输入模拟量大于该值，功能块输出为TRUE。逻辑与功能块判断机组功率异常信号，计数模块在15s周期内计算逻辑与功能块由FALSE(0)切换为TRUE(1)的次数，各大主流控制系统具有实现该功能的功能块。

判断低频功率振荡情况的判断条件如下：

a)对发电机3实时功率测量值进行周期性扫描，工业控制计算机7接收发电机3的实时功率，将该值保持1秒，并在这1秒内与当前实时功率值进行比较，若在此1秒内，发电机3的功率变化幅度超过发电机3额定功率的5％，则本条逻辑判断成立；经过1秒比较后，保持的功率值将被释放，跟踪当前实际功率值0.5秒后再次保持当前的功率值，进入下一判断周期；

b)为排除机组一次调频响应功率对逻辑判断的干扰，逻辑算法同步将1秒内发电机3功率变化的幅值与当前电网4频率波动所要求的一次调频理论动作功率进行比较,若实际功率变化幅值超过一次调频理论动作功率需求的限值时，则本条逻辑判断成立；当前电网4频率波动所要求的一次调频功率的计算公式为：

一次调频理论动作功率＝[额定发电功率×(转速差-死区)]/(汽机理论转速×转速不等率)

上式中，转速差为实际汽机转速与理论值3000r/min的差值；死区为2r/min；转速差在±2r/min之内不响应一次调频动作；汽机理论转速为3000r/min；转速不等率为5％。可参考标准《火力发电机组一次调频试验及性能验收导则》(GB/T 30370-2013)；举例说明，额定发电量为660MW的机组，转速为3002r/min时，一次调频动作量计算值为0MW，当转速为3011r/min，一次调频动作量理论值为-39.6MW，同理当机组额定发电量为1000MW时，转速为3011r/min时一次调频理论动作量为-60MW。

c)发电机3的功率测量信号在1秒内的变化量与频率变化对应的一次调频理论动作功率相乘；如果为负数，则电机3功率变化方向与一次调频理论动作功率的变化方向相反，则本条逻辑判断成立；

在一个判断周期内，满足所述判断条件a)，且满足所述的条件b)或条件c)时，判断发生发电机3功率异常1次；若在15秒内，出现3次逻辑判断成立，则认为发电机3已经处于低频功率振荡工况；以逻辑或的方式，在发电机功率闭环控制中切除自动控制的判断回路中增加低频功率振荡信号；当判断发电机3处于低频功率振荡后，如果发电机功率的闭环控制处于投入状态，则控制系统将切除功率闭环控制，发电机3出力将由操作人员手动控制；当发电机3低频功率振荡现象消失后，由操作人员手动将功率闭环控制重新投入。

判断条件b)所述的一次调频理论动作功率需求的限值为：将一次调频理论动作功率经增益系数放大2～3倍后的值。

判断条件c)所述发电机3的功率测量信号在1秒内的变化量未求绝对值。

实施例：

1)首先确定本方法中的设定值，设定发电机组额定为660MW，5％额定负荷为33MW，频率功率转换函数中的参数按照实际汽机5％的转速不等率设置，汽机转速设定值为3000r/min，电网4频率为50Hz，相关参数标准可参考GB/T 30370-2013《火力发电机组一次调频试验及性能验收导则》。

折线函数输入x为汽机转速(也可设置为频率，模拟过程选用转速)，函数输出y为一次调频功率理论计算值，按照一次调频功率理论值计算公式，函数值为(x＝3002，y＝0；x＝3011，y＝-39.6；x＝2998，y＝0；x＝2989，y＝39.6)，即当转速差为±2r/min(±0.033Hz)时一次调频不动作；折线函数为Y＝aX+b方程的线性函数，由F(x)函数功能块实现，由设置的两个端点独立计算区间函数方程，如上述放置的点(3002,0)至(3011，-39.6)区间为例，函数方程为Y＝-4.4X+13208.8，而点(2998,0)至(2989,39.6)区间，函数方程为Y＝-4.4X+13191.2)；当转速差为±11r/min时，该值为一次调频动作的最大转速偏差，对应的最大功率响应为39.6MW；增益放大系数K视情况设置，模拟过程暂时设为2；模拟试验前确认各功能块工作正常，功率信号和转速值设置操作面板，功率信号面板中设置加减负荷按钮，可快速操作。

2)模拟过程开始，设置转速为2993r/min，f(x)函数自动计算输出为22MW，经放大和求绝对值计算后，一次调频动作限值输出为44MW，此时模拟功率测量信号为500MW，开始计时，需在15s周期内完成模拟试验，当前时序为0秒。

第1秒时直接模拟输入功率信号为450MW，计算出1秒内的变化量绝对值为50MW大于44MW，条件a)与条件b)同时满足，判定机组功率异常1次。第3秒将功率信号设为480MW，1秒时序内功率变化方向与一次调频动作功率变化方向相反，功率变化量30MW未达限值，条件a和条件b不满足，条件c满足，功率异常信号消失。第4秒时将功率信号设为520MW，1秒时序内功率变化量40MW大于5％额定负荷限值，小于一次调频限值，功率变化方向与一次调频动作功率变化方向相反，条件a和条件c同时满足，判定机组功率异常1次。第5秒再次将功率信号设回500MW，同理条件a、条件b和条件c均不满足，功率异常信号消失。第6秒再次重复将功率信号设为450MW，判定机组功率异常1次，再共计触发3次功率异常信号后低频功率振荡信号触发。、

3)低频功率振荡信号送至发电机组功率闭环控制后，切手动信号发出。

4)重复上述进行机组功率异常判断的步骤，15秒内共计触发2次，未触发低频功率振荡信号。

利用以上控制判断逻辑，能够及时准确低频功率振荡的发生。若此时发电机组的功率闭环控制回路投入运行，则该信号将直接将控制回路切除，汽轮机调门1的指令将由运行人员通过工业控制计算机7手动给出，机组出力不再随功率测量值得变化而波动。该措施有利于低频功率振荡的消散，保证发电机组及电网4运行的安全性。

当机组低频功率振荡现象消失后，运行人员需要确认该异常情况消失后，方可手动复位该信号，并手动将机组功率闭环控制重新投入。

Claims (3)

1.一种防止汽轮发电机组低频功率振荡的装置的控制方法，其特征在于，包括：汽轮机调门(1)、汽轮机(2)、发电机(3)、电网(4)、功率变送器(5)、频率变送器(6)和工业控制计算机(7)；所述汽轮机(2)的蒸汽入口处设有汽轮机调门(1)，汽轮机(2)与发电机(3)相连接；所述发电机(3)接入电网(4)中，发电机(3)连接功率变送器(5)；所述电网(4)中接有频率变送器(6)；所述工业控制计算机(7)连接汽轮机调门(1)、功率变送器(5)和频率变送器(6)；包括以下步骤：

步骤1、判断低频功率振荡情况的判断条件如下：

a)对发电机(3)的实时功率测量值进行周期性扫描，工业控制计算机(7)接收发电机(3)的实时功率，将该值保持1秒，并在这1秒内与当前实时功率值进行比较；若在此1秒内，发电机(3)的功率变化幅度超过发电机(3)额定功率的5％，则本条逻辑判断成立；经过1秒比较后，保持的功率值将被释放，跟踪当前实际功率值0.5秒后再次保持当前的功率值，进入下一判断周期；

b)逻辑算法同步将1秒内发电机(3)功率变化的幅值与当前电网(4)频率波动所要求的一次调频理论动作功率进行比较,若实际功率变化幅值超过一次调频理论动作功率需求的限值时，则本条逻辑判断成立；所述的当前电网(4)频率波动所要求的一次调频理论动作功率的计算公式为：

一次调频理论动作功率＝[额定发电功率×(转速差-死区)]/(汽机理论转速×转速不等率)

上式中，转速差为实际汽机转速与理论值3000r/min的差值；死区为2r/min；转速差在±2r/min之内不响应一次调频动作；汽机理论转速为3000r/min；转速不等率为5％；

c)发电机(3)的功率测量信号在1秒内的变化量与频率变化对应的一次调频理论动作功率相乘；如果乘积为负数，则电机(3)功率变化方向与一次调频理论动作功率的变化方向相反，则本条逻辑判断成立；

步骤2、在一个判断周期内，满足步骤1所述的判断条件a)，且满足步骤1所述的条件b)或条件c)时，判断发生发电机(3)功率异常1次；若在15秒内，出现3次逻辑判断成立，则认为发电机(3)已经处于低频功率振荡工况；

步骤3以逻辑或的方式，在发电机功率闭环控制中切除自动控制的判断回路中增加低频功率振荡信号；当判断发电机(3)处于低频功率振荡后，如果发电机功率的闭环控制处于投入状态，则控制系统将切除功率闭环控制，发电机(3)的出力将由操作人员手动控制；当发电机(3)低频功率振荡现象消失后，由操作人员手动将功率闭环控制重新投入。

2.根据权利要求1所述的防止汽轮发电机组低频功率振荡的装置的控制方法，其特征在于：步骤1的判断条件b)所述的一次调频理论动作功率需求的限值为：将一次调频理论动作功率经增益系数放大2～3倍后的值。

3.根据权利要求1所述的防止汽轮发电机组低频功率振荡的装置的控制方法，其特征在于：步骤1的判断条件c)所述发电机(3)的功率测量信号在1秒内的变化量未求绝对值。