CN112366727B - 火电机组一次调频控制方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种火电机组一次调频控制方法、装置、设备及存储介质,建立火电机组的电力系统调频模型,计算火电机组的电力系统的频率响应传递函数,基于所述频率响应传递函数确定分频滤波器,根据所述分频滤波器对采样得频率信号进行分频得到分频信号,根据预设转差率、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制。本发明对采样的频率信号进行分类,得到不同类别的分频信号,再根据相应的预设转差率、预设调速器死区范围对火电机组进行调频控制,改善了火电机组一次调频能力并提高火电机组的灵活性,有效地降低新能源负荷对火电系统频率波动的影响。从而一定程度上提高了调控稳定性及效率。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域,特别涉及一种火电机组一次调频控制方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
随着电力系统中大规模的直流馈入与新能源出力的占比不断提高,常规的传统机组被大量替代,电力系统的转动惯量不断减小,惯性支撑能力和频率调节能力随之下降,多能互存的电力系统中,扰动功率自动分配发生变化,新能源无功角特性,不具备按照同步功率系数分配扰动功率的能力。
现有的系统频率控制策略往往先采采用固定的转差率设置,对于负荷/风电出力波动引起的系统频率波动,这种固定的转差率设置方法造成了机组的调频能力的浪费;调速器死区则按照国家标准统一设定为±2r/min(转/每分钟),这种调频死区固定式设置,引入了大量非线性环节,改变了电网频率的正态概率分布特性,影响电网的稳定性。
现有系统频率控制存在调控稳定性差及效率差的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处,提供一种火电机组一次调频控制方法,旨在解决现有的火电机组一次调频控制方法存在稳定性差及效率差的问题。
本发明提供了一种火电机组一次调频控制方法,包括以下步骤:
建立火电机组的电力系统调频模型;
计算火电机组的电力系统的频率响应传递函数,基于所述频率响应传递函数确定分频滤波器;
根据所述分频滤波器对采样得频率信号进行分频得到分频信号;
根据预设转差率、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制。
优选地,所述基于所述频率响应传递函数生成分频滤波器,包括:
计算仅在机组惯性作用下的幅频曲线及在一次调频和机组惯性共同作用下的幅频曲线的交点处的第一分界频率值;
计算一次调频作用下的幅频曲线和二次调频作用下的幅频曲线的交点处的第二分界频率值;
依据所述第一分界频率值和所述第二分界频率值确定分频滤波器的参数,以生成分频滤波器。
优选地,在所述根据预设转差率范围、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制之前,包括:
获取调速器时间常数Ts、原动机时间常数T0及发电机-电网等效惯量系数MS;
根据调速器时间常数Ts、原动机时间常数T0、发电机-电网等效惯量系数MS及预设规则确定火电机组的最小转差率。
优选地,在所述根据预设转差率、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制之前,包括:。
获取火电机组的一次调频系统对应死区环节的负倒特性的奈奎斯特图;
根据所述负倒特性的奈奎斯特图及频率响应传递函数确定预设调速器死区范围。本实施例中,确定的死区范围是
优选地,所述根据预设转差率、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制,包括:
判断分频信号的频率所在频率区间,所述频率区间包括低频信号、中频信号及高频信号;
若分频信号为高频信号,设置预设调速器死区范围为2r/min~3r/min,设置预设转差率为标准转差率;
若分频信号为中频信号,设置预设调速器死区范围为标准死区值,设置预设转差率范围为0.04~0.05;
若分频信号为低频信号,设置预设调速器死区范围为0r/min~2r/min,设置预设转差率范围为0.03~0.04;
依据上述设定的预设转差率范围及预设调速器死区范围,对火电机组进行调频控制。
为实现上述目的,本发明还提出一种火电机组一次调频控制装置,所述装置包括:
建立模块:用于建立火电机组的电力系统调频模型;
生成模块:用于计算火电机组的电力系统的频率响应传递函数,基于所述频率响应传递函数确定分频滤波器;
分频模块:用于根据所述分频滤波器对采样得频率信号进行分频得到分频信号;
控制模块,用于根据预设转差率范围、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制。
为实现上述目的,本发明还提出一种火电机组一次调频控制设备,所述火电机组一次调频控制设备包括:存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的火电机组一次调频控制程序,所述火电机组一次调频控制程序被所述处理器执行时实现如上所述的火电机组一次调频控制方法的步骤。
为实现上述目的,本发明还提出一种存储介质,所述存储介质上存储有火电机组一次调频控制程序,所述火电机组一次调频控制程序被处理器执行时实现如上所述的火电机组一次调频控制方法的步骤。
本发明提供的技术方案中,先建立火电机组的电力系统调频模型,计算火电机组的电力系统的频率响应传递函数,基于所述频率响应传递函数确定分频滤波器,根据所述分频滤波器对采样得频率信号进行分频得到分频信号,根据预设转差率范围、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制。本发明对采样的频率信号进行分类,得到不同类别的分频信号,再根据相应的预设转差率范围、预设调速器死区范围对火电机组进行调频控制,改善了火电机组一次调频能力并提高火电机组的灵活性,有效地降低新能源负荷对火电系统频率波动的影响。从而一定程度上提高了调控稳定性及效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明火电机组一次调频控制方法一实施例的流程图;
图2为图1中步骤S200的具体流程图;
图3为本发明火电机组一次调频控制方法另一实施例;
图4为本发明火电机组一次调频控制方法再一实施例;
图5为图1中步骤S400的具体流程图;
图6为本发明火电机组一次调频控制装置一实施例的流程图。
图7为频率响应传递函数的幅频特性和相频特性曲线图;
图8为电力系统调频模型结构图;
图9为分频滤波器示意图;
图10为改进前后的开环幅频特性与相频特性;
图11频率传递函数的频率特性与死区环节的负倒特性的奈奎斯特图;
图12为预设调速器死区设置示意图;
图13为分频滤波器分频出的高频、中频及低频信号曲线图;
图14为FISM的输入、输出隶属度函数图;
图15为FISL的输入、输出隶属度函数图;
图16为改进前后的系统频率偏差曲线对比图;
图17为本发明改进前后的系统频率波动的功率谱对比图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明,若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……),则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
另外,若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述,则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外,全文中出现的“和/或”的含义,包括三个并列的方案,以“A和/或B”为例,包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
参照图1,图1为本发明火电机组一次调频控制方法第一实施例的流程示意图。
在第一实施例中,所述火电机组一次调频控制方法包括以下步骤:
步骤S100:建立火电机组的电力系统调频模型。
通过火电机组的历史参数辨识得到的数据,建立含火电机组的电力系统调频模型。历史参数包括:机组反馈时间常数Ts0、Ts1,机组转差率R,阀门特性曲线模型,高压汽室蒸汽容积时间常数TCH,再热蒸汽容积时间常数TRH,高压缸功率系数FHP,低压缸功率系数FLP,发电机-电网等效惯量系数Ms,系统阻尼系数Ds。参照图8,图8为建立的电力系统调频模型结构。其中,ε1为一次调频响应延迟系数,β1为二次调频系数,α1为参与度,KP1、KI1均为二次调频PI系数。
步骤S200:计算火电机组的电力系统的频率响应传递函数,基于所述频率响应传递函数确定分频滤波器。
得到的频率响应传递函数H(s)的波特图如图7所示,分析(1)仅在机组惯性作用下;(2)在一次调频和机组惯性共同作用下;(3)在二次调频和机组惯性共同作用下;(4)在一、二次调频和机组惯性共同作用下这四种情况下系统对功率波动的调节能力。在三种调频作用范围内,机组的调频能力各不相同。
参照图9,需要说明的是,本实施例中的分频滤波器包括有机组惯性调节尺度、一次调频尺度和二次调频尺度,三个作用时间尺度,分别对应高频、中频及低频。其中参数T1、T2分别是根据经验设置的两个时间常量,本实施例中T1设为1.5,T2设为0.2。图10为采用该分频滤波器前后的开环幅频特性曲线和相频特性曲线。
步骤S300:根据所述分频滤波器对采样得频率信号进行分频得到分频信号。通过分频滤波器,能够将采样的频率信号按照频率大小,分成不同的区间。本实施例中,包括高频信号、中频信号及低频信号。其中低频信号范围:0.01-0.5Hz;中频信号范围:0.5-1Hz;高频信号范围:1K-10Hz。
步骤S400:根据预设转差率范围、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制。
需要说明的是,根据不同的分频信号,配置不同的预设转差率范围和预设调速器死区范围,来对火电机组进行调频控制。
本发明提供的技术方案中,先建立火电机组的电力系统调频模型,获取火电机组的电力系统的频率响应传递函数,基于所述频率响应传递函数生成分频滤波器,根据所述分频滤波器对采样得频率信号进行分频得到分频信号,根据预设转差率范围、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制。本发明对采样的频率信号进行分类,得到不同类别的分频信号,再根据相应的预设转差率、预设调速器死区范围对火电机组进行调频控制,改善了火电机组一次调频能力并提高火电机组的灵活性,有效地降低新能源负荷对火电系统频率波动的影响。从而一定程度上提高了调控稳定性及效率。
参照图2,具体地,所述基于所述频率响应传递函数生成分频滤波器,包括:
步骤S210:计算仅在机组惯性作用下的幅频曲线及在一次调频和机组惯性共同作用下的幅频曲线的交点处的第一分界频率值;
步骤S220:计算一次调频作用下的幅频曲线和二次调频作用下的幅频曲线的交点处的第二分界频率值;
步骤S230:依据所述第一分界频率值和所述第二分界频率值确定分频滤波器的参数,以生成分频滤波器。
计算仅在机组惯性作用下与在一次调频和机组惯性共同作用下这两条幅频曲线的交点处的分界频率值fd。当负荷波动的频率高于fd时,仅靠机组的惯性作用,增益Δf(s)/ΔPD(s)更小,此频段内的频率调节能力更强;当负荷波动的频率低于fd时,在一次调频和机组惯性共同作用下增益Δf(s)/ΔPD(s)更小,此频段内的频率调节能力更强;同理也可以分析二次调频和一次调频的分界频率值fb。
分频滤波器包括两个分频器,其中第一个分频器将频率信号分为高频部分和中低频部分,参数设置依据为第一分界频率值;第二个分频器将中低频信号进一步分为中频和低频部分,参数设置依据为第二分界频率值。
参照图3,进一步地,在所述根据预设转差率范围、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制之前,包括:
步骤S410a:获取调速器时间常数Ts、原动机时间常数T0及发电机-电网等效惯量系数MS;
步骤S420a:根据调速器时间常数Ts、原动机时间常数T0、发电机-电网等效惯量系数MS及预设规则确定火电机组的最小转差率,将所述最小转差率作为预设转差率。
从而得到调频控制系统稳定运行的机组的最小转差率值为:
得到预设转差率范围为:(0.02,0.05)。
参照图4,进一步地,在所述根据预设转差率范围、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制之前,包括:。
步骤S410b:获取火电机组的一次调频系统对应死区环节的负倒特性的奈奎斯特图;
步骤S420b:根据所述负倒特性的奈奎斯特图及频率响应传递函数确定预设调速器死区范围。
值得说明的是,火电机组、原动机、调速器构成的系统往往包含惯性环节,因此具有较好的低通滤波性能,满足采用描述函数法进行分析的条件。其中,三个部分组成的开环传递函数为:
G0(s)=GGov(s)·GPr(s)·GGen(s)
死区环节用描述函数表示:
参照图11,图11为采用典型数据,火电机组的单机一次调频系统对应的开环传递函数频率特性与死区环节的负倒特性的奈奎斯特图。
G0(jω)没有包围-1/N(A),则整个非线性系统是稳定的。死区范围按照通用规定即可。
参照图5,具体地,所述根据预设转差率范围、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制,包括。
步骤S410:判断分频信号的频率所在频率区间,所述频率区间包括低频信号、中频信号及高频信号;
步骤S420:若分频信号为高频信号,设置预设调速器死区范围为2r/min~3r/min,设置预设转差率范围为标准转差率,本实施例中标准转差率设置为0.05;
步骤S430:若分频信号为中频信号,设置预设调速器死区为标准死区值,本实施例中,标准死区值为2r/min,设置预设转差率范围为0.04~0.05;
步骤S440:若分频信号为低频信号,设置预设调速器死区范围为0r/min~2r/min,设置预设转差率范围为0.03~0.04;
步骤S450:依据上述设定的预设转差率范围及预设调速器死区范围,对火电机组进行调频控制。
高频信号一般是高频低幅值的信号,在调频控制系统的频域环节内,通过机组惯性调节作用的效果最好。因此这段信号主要通过机组惯性吸收,同时根据其波动的幅值,设置相应的预设调速器死区,一方面为了减少过于频繁的一次调频动作,另一方面也起到了配合机组惯性吸收高频波动的作用。
参照图12及图13,Deadband表示死区范围,Δf表示分频信号,Δf1、Δf1、Δf1分别表示分频后的高频信号、中频信号及低频信号。对于高频信号设定的死区值要大于标准的2r/min,设定的上限在3r/min,可优选设定为2.5r/min,并根据实际情况略加调整;对于中频信号的主要通过一次调频作用,所以依然设置标准的2r/min;对于低频信号的反馈通道,这段主要通过一次调频作用来弥补系统二次调频能力不足,设定的死区值要小于2r/min,可优选设定为1.5r/min。
对于分频出的中频信号及低频信号,这部分信号往往是幅值较大,一次调频通常作用于该频段。一次调频的预设转差率的设置越小,系统的一次调频能力越强,更容易维持系统的频率稳定。对于中频信号和低频信号,为了尽量提高各个频段内的频率调节能力,各自都应设置不同的转差率。因此将低频的信号对应的转差率,设定为较小的范围(0.03~0.04);将中频的信号对应的转差率,设定为较大的范围(0.04~0.05)。
为了提高系统调频的自适应控制能力,在上述的预设转差率设定范围内,加入预设转差率动态设定的模糊控制结构,主要根据分频后的频率信号幅值和频率变化率来动态设定转差率。其中中频信号对应的模糊逻辑控制器FISM,低频信号对应的模糊逻辑控制器FISL。
参照图14及图15,确定FISM和FISL的输入与输出变量对应关系及隶属度函数曲线。建立模糊逻辑规则表,主要遵循以下的原则:当频差非常小且频率变化率较小时,则输出的转差率要较大;当频差非常小且频率变化率较大时,则输出的转差率要尽可能大;当频差较大且频率变化率较小时,则输出的转差率要较小;当频差较大且频率变化率较大时,则输出的转差率要尽可能小。
频率偏差Δf的模糊语言变量为ML(较大)、L(大)、M(中)、S(小)、MS(较小);频率变化速率dΔf/dt的模糊语言变量为NL(负高)、NM(负中)、NS(负低)、Z(零)、PS(正低)、PM(正中)、PL(正高);转差率R的模糊语言变量为VL(很大)、ML(较大)、L(大)、M(中)、S(小)、MS(较小)、VS(很小)很小。
其中模糊逻辑控制器FISM、FISL的模糊逻辑规则表如表1所示。
表1 FISM、FISL的模糊逻辑规则表
如图16所示,改进前后的系统频率偏差曲线对比可以看出,频率的波动情况得到了极大的改善,无论是大幅值的频率偏差还是小幅值的高频波动,都得到了很大的改进。
如图17所示,修改前后的系统频率波动的功率谱可以看出,低频,中频,高频的波动都到了不同程度的改善,进一步验证了本改进控制方法的优点。
本发明挖掘了火电机组的一次调频能力,利用调速器死区和机组惯性作用,提高了各负荷波动频段内的系统频率调节能力。提高了机组的灵活性,有效地降低负荷和风电出力等新能源波动对系统频率波动的影响,一定程度上促进了新能源消纳。本评估方法用于高风电渗透率、风电波动情况较复杂下电力系统中的传统机组一次调频控制改进,本发明的控制方法能够对应对高新能源渗透效率下的传统火电机组调频控制方式给出一定的指导,为传统火电机组的灵活性改造,一次调频能力优化的进一步研究提供参考。
为实现上述目的,本发明还提出一种火电机组一次调频控制装置,所述装置包括:
建立模块10:用于建立火电机组的电力系统调频模型;
生成模块20:用于获取火电机组的电力系统的频率响应传递函数,基于所述频率响应传递函数生成分频滤波器;
分频模块30:用于根据所述分频滤波器对采样得频率信号进行分频得到分频信号;
控制模块40,用于根据预设转差率、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制。
为实现上述目的,本发明还提出一种火电机组一次调频控制设备,所述火电机组一次调频控制设备包括:存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的火电机组一次调频控制程序,所述火电机组一次调频控制程序被所述处理器执行时实现如上所述的火电机组一次调频控制方法的步骤。
为实现上述目的,本发明还提出一种存储介质,所述存储介质上存储有火电机组一次调频控制程序,所述火电机组一次调频控制程序被处理器执行时实现如上所述的火电机组一次调频控制方法的步骤。
需要说明的是,在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序,可将这些词解释为名称。
通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现,当然也可以通过硬件,但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中,包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机,计算机,服务器,空调器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种火电机组一次调频控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
建立火电机组的电力系统调频模型;
计算火电机组的电力系统的频率响应传递函数,基于所述频率响应传递函数确定分频滤波器;
根据所述分频滤波器对采样得频率信号进行分频得到分频信号;
根据预设转差率、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制;
所述基于所述频率响应传递函数生成分频滤波器,包括:
计算仅在机组惯性作用下的幅频曲线及在一次调频和机组惯性共同作用下的幅频曲线的交点处的第一分界频率值;
计算一次调频作用下的幅频曲线和二次调频作用下的幅频曲线的交点处的第二分界频率值;
依据所述第一分界频率值和所述第二分界频率值确定分频滤波器的参数,以生成分频滤波器,以将采样的频率信号分成高频信号、中频信号及低频信号。
5.根据权利要求4所述的火电机组一次调频控制方法,其特征在于,在所述根据预设转差率、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制之前,包括:
获取火电机组的一次调频系统对应死区环节的负倒特性的奈奎斯特图;
根据所述负倒特性的奈奎斯特图及频率响应传递函数确定预设调速器死区范围。
6.根据权利要求1所述的火电机组一次调频控制方法,其特征在于,所述根据预设转差率、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制,包括:
判断分频信号的频率所在频率区间,所述频率区间包括低频信号、中频信号及高频信号;
若分频信号为高频信号,设置预设调速器死区范围为2r/min~3r/min,设置预设转差率为标准转差率;
若分频信号为中频信号,设置预设调速器死区为标准死区值,设置预设转差率范围为0.04~0.05;
若分频信号为低频信号,设置预设调速器死区范围为0 r/min~2r/min,设置预设转差率范围为0.03~0.04;
依据上述设定的预设转差率范围及预设调速器死区范围,对火电机组进行调频控制。
7.一种火电机组一次调频控制装置,其特征在于,所述装置包括:
建立模块:用于建立火电机组的电力系统调频模型;
生成模块:用于计算火电机组的电力系统的频率响应传递函数,基于所述频率响应传递函数确定分频滤波器;
分频模块:用于根据所述分频滤波器对采样得频率信号进行分频得到分频信号;
控制模块,用于根据预设转差率、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制;
其中,所述生成模块还用于计算仅在机组惯性作用下的幅频曲线及在一次调频和机组惯性共同作用下的幅频曲线的交点处的第一分界频率值;
计算一次调频作用下的幅频曲线和二次调频作用下的幅频曲线的交点处的第二分界频率值;
依据所述第一分界频率值和所述第二分界频率值确定分频滤波器的参数,以生成分频滤波器,以将采样的频率信号分成高频信号、中频信号及低频信号。
8.一种火电机组一次调频控制设备,其特征在于,所述火电机组一次调频控制设备包括:存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的火电机组一次调频控制程序,所述火电机组一次调频控制程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的火电机组一次调频控制方法的步骤。
9.一种存储介质,其特征在于,所述存储介质上存储有火电机组一次调频控制程序,所述火电机组一次调频控制程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的火电机组一次调频控制方法的步骤。
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