CN112039087B - 一种一次调频理论电量计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种一次调频理论电量计算方法，包括：步骤1，对水轮机控制系统模型进行简化，得到水轮机控制系统简化模型；步骤2，基于所述简化模型求取其传递函数；步骤3，基于传递函数，经拉氏反变换求取其功率关于频率的微分方程；步骤4，将求取的微分方程带入一次调频理论电量计算公式中，求得一次调频理论积分电量。本发明通过对水轮机控制系统模型进行简化，在电量积分计算中加入传递函数后，能使理论积分电量与实际积分电量误差控制在5％以内，其计算结果更符合实际一次调频实际动作值，可与机组实际功率高度吻合，减小一次调频考核中理论积分电量计算的差异，误差更小。

Description

一种一次调频理论电量计算方法
技术领域
本发明属于水电站一次调频技术领域，尤其涉及一种一次调频理论电量计算方法。
背景技术
目前随着异步联网的推进，西南电网结构发生变化，电网频率波动次数较以前大幅增加，水电站一次调频考核不合格次数大幅增多，给电网公司及调度中心的管理带来了很大影响；水电站受控制系统及机械系统影响，功率响应幅度小、速率慢，在目前电网一次调频考核中，大部分电站一次调频考核不合格，电网公司的考核标准是否符合水电站实际情况越来越重要。
目前电网对水电站一次调频考核中，对水轮机一次调频理论贡献电量的计算与有效频差成正比例关系，频差产生马上计算出与频差对应的功率值，未考虑到水电站调节系统的滞后特性：在频差产生后，控制系统通过调节机组导叶开度，从而改变机组功率，这个调节过程受控制系统及控制参数的影响需要一定的时间。例如，目前华中电网对水电机组一次调频考核中，理论积分电量的计算与实际机组积分电量存在较大差异，导致水电机组考核合格率低(积分电量<50％)。
根据《华中区域发电厂并网运行管理实施细则》，机组一次调频理论贡献电量的算法为：
机组的理论一次调频积分电量He表示为：
Figure BDA0002607521640000011
ΔP(Δf，t)＝Δf(t)×MCR/fn×Kc
其中：
He：理论一次调频积分电量；
Δf(t)＝|ft-50|-f人工死区；
Δf(t)对应电网频率变化超过死区的频率差；
MCR机组额定有功出力；
fn电网额定频率50Hz；
ft对应t时刻的电网频率(Hz)；
Kc机组速度变动率(永态转差系数)。
在理论功率差ΔP(Δf，t)＝Δf(t)×MCR/fn×Kc计算中，功率差ΔP(Δf，t)与有效频差Δf(t)为正比例关系，计算结果如图1所示。
通过对机组实际控制系统(PID)在一次调频过程的仿真计算发现，机组在频差产生后，通过控制系统PID运算后，功率逐渐变化(图1中机组实际功率线)，在一定时间后达到稳定值，积分电量为实际功率曲线(图1中机组实际功率线)与横坐标(时间)所包围的面积；在目前的华中电网一次调频考核理论电量计算中，功率变化量为频差的正比例关系(图1中机组理论功率线)，与水电机组实际功率变化存在较大差异。
参图2所示，通过仿真计算发现，一次调频实际动作受调节参数及控制系统影响，调节速率较慢,水电机组调速系统主要为PID控制，实际电量变化滞后于频率变化，实际积分电量为图2中P1区域；而目前采用的理论积分电量计算方法直接采用频差积分，理论积分电量为(P1区域+P2区域)，理论积分比实际积分电量多P2，这主要是由于水轮机调节系统调节特性造成。
发明内容
本发明的目的是提供一次调频理论电量计算方法，以解决上述技术问题。
本发明提供了一种一次调频理论电量计算方法，包括：
步骤1，对水轮机控制系统模型进行简化，得到水轮机控制系统简化模型；
步骤2，基于所述简化模型求取其传递函数；
步骤3，基于传递函数，经拉氏反变换求取其功率关于频率的微分方程；
步骤4，将求取的微分方程带入一次调频理论电量计算公式中，求得一次调频理论积分电量。
进一步地，所述方法具体包括：
分别对水轮机控制系统模型中的调速器PID模型、液压系统模型和水轮机模型进行简化，简化掉对调节速率影响较小的部分，保留液压系统模型和水轮机模型中对调节速率影响较大的部分，将调速器PID模型最终简化为一个并联PID调节模型；
求取水轮机控制系统简化模型的传递函数：
Figure BDA0002607521640000031
其中：P为机组功率；F为电网频率；KP为比例系数；KI为积分系数；bp为永态转差系数；s为拉普拉斯算子；
实际动作过程中，频率为已知量，设其为函数u(t)，则
Figure BDA0002607521640000032
拉氏反变换后，其微分方程如下：
Figure BDA0002607521640000033
带入一次调频理论积分电量计算公式：
Figure BDA0002607521640000034
Figure BDA0002607521640000035
Figure BDA0002607521640000036
其中：
He为理论一次调频积分电量；
Δf(t)＝|ft-50|-f人工死区；
Δf(t)对应电网频率变化超过死区的频率差；
ft对应t时刻的电网频率；
MCR为机组额定有功出力；
fn电为网额定频率50Hz。
借由上述方案，通过一次调频理论电量计算方法，对水轮机控制系统模型进行简化，在电量积分计算中加入传递函数后，能使理论积分电量与实际积分电量误差控制在5％以内，其计算结果更符合实际一次调频实际动作值，可与机组实际功率高度吻合，减小一次调频考核中理论积分电量计算的差异，误差更小。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
附图说明
图1是现有技术中机组一次调频动作过程仿真图；
图2是现有技术的仿真计算结果(频率-功率)；
图3是本发明一次调频理论电量计算方法的流程图；
图4是本发明水轮机控制系统模型示意图；
图5是本发明水轮机控制系统模型简化模型示意图；
图6是本发明加入传递函数后仿真计算图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参图3所示，本实施例提供了一种一次调频理论电量计算方法，包括：
步骤S1，对水轮机控制系统模型进行简化，得到水轮机控制系统简化模型；
步骤S2，基于所述简化模型求取其传递函数；
步骤S3，基于传递函数，经拉氏反变换求取其功率关于频率的微分方程；
步骤S4，将求取的微分方程带入一次调频理论电量计算公式中，求得一次调频理论积分电量。
该一次调频理论电量计算方法，对水轮机控制系统模型进行简化，在电量积分计算中加入传递函数后，能使理论积分电量与实际积分电量误差控制在5％以内，其计算结果更符合实际一次调频实际动作值，可与机组实际功率高度吻合，减小一次调频考核中理论积分电量计算的差异，误差更小。
参图4、图5所示，该计算方法具体包括：
分别对水轮机控制系统模型中的调速器PID模型、液压系统模型和水轮机模型进行简化，简化掉对调节速率影响较小的部分，保留液压系统模型和水轮机模型中对调节速率影响较大的部分，将调速器PID模型最终简化为一个并联PID调节模型。该模型既保证了足够的准确性，也大幅简化了计算量。
求取水轮机控制系统简化模型的传递函数：
Figure BDA0002607521640000051
其中：P为机组功率；F为电网频率；KP为比例系数；KI为积分系数；bp为永态转差系数；s为拉普拉斯算子；
实际动作过程中，频率为已知量，设其为函数u(t)，则
Figure BDA0002607521640000052
拉氏反变换后，其微分方程如下：
Figure BDA0002607521640000053
带入一次调频理论积分电量计算公式：
Figure BDA0002607521640000054
Figure BDA0002607521640000055
Figure BDA0002607521640000061
其中：
He为理论一次调频积分电量；
Δf(t)＝|ft-50|-f人工死区；
Δf(t)对应电网频率变化超过死区的频率差；
ft对应t时刻的电网频率；
MCR为机组额定有功出力；
fn电为网额定频率50Hz。
加入传递函数后，进行仿真计算。
参图6所示，由仿真计算结果可见，加入传递函数后，机组理论功率和实际功率误差很小，在考核一次调频积分电量时更趋近真实功率。
相比当前一次调频考核系统对电量的积分计算方法未充分考虑到水电机组控制系统特性，水电机组一次调频动作速率较慢(受控制参数影响)，在电网频率发生变化时，需要较长的调节时间和稳定时间，而实际一次调频考核计算方法中在频差产生时就开始计算积分电量，导致理论计算值比实际动作值大，在一次调频考核中会造成误判的问题，本发明在加入传递函数后，机组理论功率和实际功率接近，积分电量相差较小，可在一次调频考核计算中采用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，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型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种一次调频理论电量计算方法，其特征在于，包括：
步骤1，对水轮机控制系统模型进行简化，得到水轮机控制系统简化模型；
步骤2，基于所述简化模型求取其传递函数；
步骤3，基于传递函数，经拉氏反变换求取其功率关于频率的微分方程；
步骤4，将求取的微分方程带入一次调频理论电量计算公式中，求得一次调频理论积分电量；
所述方法具体包括：
分别对水轮机控制系统模型中的调速器PID模型、液压系统模型和水轮机模型进行简化，简化掉对调节速率影响较小的部分，保留液压系统模型和水轮机模型中对调节速率影响较大的部分，将调速器PID模型最终简化为一个并联PID调节模型；
求取水轮机控制系统简化模型的传递函数：
Figure FDA0003731230760000011
其中：P为机组功率；F为电网频率；KP为比例系数；KI为积分系数；bp为永态转差系数；s为拉普拉斯算子；
实际动作过程中，频率为已知量，设其为函数u(t)，则
Figure FDA0003731230760000012
拉氏反变换后，其微分方程如下：
Figure FDA0003731230760000013
带入一次调频理论积分电量计算公式：
Figure FDA0003731230760000014
Figure FDA0003731230760000015
Figure FDA0003731230760000021
其中：
He为理论一次调频积分电量；
Δf(t)＝|ft-50|-f人工死区；
Δf(t)对应电网频率变化超过死区的频率差；
ft对应t时刻的电网频率；
MCR为机组额定有功出力；
fn电为网额定频率50Hz。
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