CN112600223B - 一种基于电网频率的一次调频自动切换控制系统 - Google Patents

一种基于电网频率的一次调频自动切换控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电网频率的一次调频自动切换控制系统，包括模拟量采集器、数字量采集器、第一高低限报警模块、第二高低限报警模块、第一模拟量发生器、第二模拟量发生器、第一乘法器、第二乘法器、除法器、逻辑或功能模块、第一函数发生器、第二函数发生器、模拟量选择器。当电网频率发生大幅度变化导致机组转差信号超出规定的一次调频死区范围时，机组根据电网下发的电网频率异常紧急控制指令或机组就地采集到的转差信号自动实现转速不等率的切换，以实现对电网功率缺口做出较大的一次调频超功率补偿。本发明提高了机组对电网功率缺口的补偿支援，在规定的范畴内解决了电网侧调频能力不足与电源侧机组有调频潜能却未得以发挥这一网源矛盾问题。

Description

一种基于电网频率的一次调频自动切换控制系统
技术领域
本发明涉及网源协调中的调频领域，尤其涉及一种基于电网频率的一次调频自动切换控制系统。
背景技术
随着新能源并网、负荷增长和电网规模的不断增大，在特高压电网和大区电网互联的新形势下，各级电网联系日渐紧密，电网和并网机组之间协调配合的要求也越来越高。由于目前电网的暂态频率调整主要依靠火电机组的快速负荷调整，尤其是受端电网，外省电力的输入，一方面压缩了本地机组的总运行容量，另一方面也加大了频率跌落的风险。并网机组会根据负载变化而调整自身的输出以达到发电和负载的实时平衡，但多变的外部环境时常造成供需不平衡。在发电少了的情况下(如机组异常脱网或需求突增)，系统会瞬间从同步发电机组的转动势能中吸取能量，导致机组转速变慢，从而系统频率下降；在发电过多的情况下(如新能源机组出力突增或需求突降)，系统会把多余的能量作为机组的转动势能进行累加，导致机组转速加快，从而系统频率上升。因此，并网机组一次调频动态特性显著影响系统的安全稳定水平，网源协调功能中的一次调频成为稳定电网的有效手段之一。
电源子站侧的并网机组一般在汽轮机前箱内布置多个转速探头，将其中三个转速测量信号送至DEH(数字电液)控制系统，经过三取中逻辑后求得机组实际转速，然后与额定转速3000rpm求差，得到转速偏差，简称转差。在GB/T 30370《火力发电机组一次调频试验及性能验收导则》等标准规程中要求，并网机组的一次调频死区为50±0.033Hz(相当于转差±2rpm)，转速不等率应为3％-6％，且该技术指标不计算死区影响部分。常规火力发电机组一次调频功能实现典型原理图如图2所示，将求得的转差经转速不等率函数转换后分别送至CCS(协调控制系统)侧和DEH侧。CCS侧，将转差经过转速不等率函数后生成相对应的一次调频功率补偿量，叠加至机组功率定值上后生成机组功率设定值，与机组实际功率求差经功率PID控制器运算后生成阀位指令信号；DEH侧，将转差经过转速不等率函数后生成相对应的一次调频功率补偿量再经过功率-阀位转换后生成相对应的综合阀位增量，叠加至CCS侧送来的阀位指令信号，生成综合阀位指令去控制汽轮机调门。DEH侧的综合阀位增量直接影响到汽轮机调门开度，故DEH侧响应速度较快，以满足电网调频的快速性要求。CCS侧主要调节风煤水等参数，以确保功率稳定在所需达到的目标值。
电网调度主站侧对机组的一次调频性能考核计算参数来源于调度计划和EMS(能量管理系统)。以常规火力发电机组为例，其对应的频率、有功功率等测点信息定义在WAMS(广域监测系统)遥测定义表中，根据WAMS中定义遥测信息从PMU(同步向量测量装置)实时库中获取一次调频扰动计算的频率、有功功率、转速、一次调频前后指令等遥测数据。
目前，国内各地区均对一次调频进行严格的管理和考核，周期性大修、调频相关控制系统变动或改造后，均需进行一次调频入网性能测试验收；同时，诸多省级调度控制中心增设了一次调频远程扰动测试系统，通过不定期的人为频率扰动验证机组一次调频性能，促使机组在并网运行阶段一次调频性能保持在合格状态。经过多年的治理优化，机组的一次调频性能得到显著提升。以山东电网为例，依据涉网验收试验及日常远程扰动测试结果，对山东省内机组一次调频进行归类统计，90％以上机组一次调频性能能够满足GB/T 30370等标准要求，且动作曲线大多为如图5所示，也就是说可实现超调，意味着机组存在一次调频补偿量提升的空间。因此，可以考虑如何进行机组一次调频控制系统优化，在标准规定的范畴内解决电网侧调频能力日益不足与电源侧机组依然有调频潜能却未得以发挥这一网源矛盾问题。
发明内容
本发明目的是提供了一种基于电网频率的一次调频自动切换控制系统，该方法及系统能够根据电网频率的状态动态调整机组对电网一次调频的功率响应幅度，充分发挥机组调频潜力，提高机组调频性能，满足电网对机组一次调频动作做功的需求，弥补电网功率缺口，有效保证电网系统的频率稳定。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种基于电网频率的一次调频自动切换控制系统，其特征在于，包括模拟量采集器AI、数字量采集器DI、第一高低限报警模块HLALM1、第二高低限报警模块HLALM2、第一模拟量发生器A1、第二模拟量发生器A2、第一乘法器MUL1、第二乘法器MUL2、除法器DIV、逻辑或功能模块OR、第一函数发生器F1(x)、第二函数发生器F2(x)、模拟量选择器AXSEL。
所述数字量采集器DI连接到逻辑或功能模块OR的第二输入端Z2；所述模拟量采集器AI分别连接到除法器DIV、第一函数发生器F1(x)、第二函数发生器F2(x)，所述除法器DIV的输出端分别连接到第一高低限报警模块HLALM1、第二高低限报警模块HLALM2的输入端X，所述第一高低限报警模块HLALM1的输出端连接到逻辑或功能模块OR的第一输入端Z1，所述第一函数发生器F1(x)的输出端连接到模拟量选择器AXSEL的第一输入端X1，所述第二函数发生器F2(x)的输出端连接到模拟量选择器AXSEL的第二输入端X2；逻辑或功能模块OR的输出端连接到模拟量选择器AXSEL的置位端S。
所述第一高低限报警模块HLALM1的高限输入端H、低限输入端L分别连接第一模拟量发生器A1以及A1经第一乘法器MUL1进行求反后的输出端。
所述第二高低限报警模块HLALM2的高限输入端H、低限输入端L分别接收第二模拟量发生器A2以及A2经第二乘法器MUL2进行求反后的输出端。
优选的，所述第二高低限报警模块HLALM2的越高限输出D1送至功率控制器闭锁增负荷，越低限输出D2送至功率控制器闭锁减负荷。
优选的，所述除法器DIV的第二输入端X2为常数60。
优选的，所述模拟量选择器AXSEL的置位端S为高电平1时，其输出第一输入端X1的值；置位端S为低电平0时，其输出第二输入端X2的值。
优选的，所述第二函数发生器F2(x)中，按转速不等率5％进行设定；所述第一函数发生器F1(x)按照转速不等率3％-4％进行设定。
本发明的优点在于：
(1)并网机组的一次调频性能的好坏直接影响电网频率的稳定，通过本发明能够充分发挥机组的调频潜力，进一步提高机组对电网功率缺口的补偿支援，确保电网频率回归至额定，进一步提高电网频率的稳定性，确保广大用户的电气设备及电力设备的安全、有效运行。
(2)结合电网调频需求既可以在机组侧自动进行转速不等率的切换，也可以统一通过电网远程电网频率异常紧急控制指令进行转速不等率的切换，在标准规定的范畴内解决了电网侧调频能力日益不足与电源侧机组依然有调频潜能却未得以发挥这一网源矛盾问题。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明基于电网频率的一次调频自动切换控制系统逻辑示意图；
图2为常规火力发电机组一次调频功能实现典型原理图；
图3为本发明第一函数发生器曲线图；
图4为本发明第二函数发生器曲线图；
图5为常规300MW机组一次调频性能考核曲线。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。
以山东电网区域内某300MW正压直吹式机组为例，规定机组频率超出一次调频死区50±0.033Hz(±2rpm)，机组有功需在3s内对频率的偏差做出响应，有效扰动定义为频率超出一次调频死区且持续在10秒及以上，满足有效扰动条件后，并且频率超过50.0±0.05Hz且持续1s及以上，将把该次扰动识别为大扰动。正常运行时转速不等率为5％，参与电网频率异常紧急控制时转速不等率为4％。Q/GDW 669《火力发电机组一次调频试验导则》等标准规程中要求，300MW机组参与一次调频的调频负荷变化幅度为机组额定容量的8％，即24MW。
火电机组一次调频功率补偿量的计算公式为
Figure BDA0002813598300000041
其中ΔP为一次调频功率补偿量，Δn为扣除死区后的转差，PE为机组额定功率，fN为额定转速3000r/min，δ为转速不等率。正常运行时转速不等率为5％，1r/min对应的一次调频功率补偿量
Figure BDA0002813598300000042
最大有效转差为24÷2＝12r/min；参与电网频率异常紧急控制时转速不等率为4％，1r/min对应的一次调频功率补偿量
Figure BDA0002813598300000043
最大有效转差为24÷2.5＝9.6r/min。
第一模拟量发生器A1中设置数值0.05，即第一高低限报警模块HLALM1的高限输入端H为0.05、低限输入端L为-0.05；第二模拟量发生器A2中设置数值0.1，即第二高低限报警模块HLALM2的高限输入端H为0.1、低限输入端L为-0.1。
第二函数发生器F2(x)设置的曲线函数为
Figure BDA0002813598300000044
Figure BDA0002813598300000051
对应的曲线如图3所示。
第一函数发生器F1(x)设置的曲线函数为
Figure BDA0002813598300000052
对应的曲线如图4所示。
以该电网内某次直流极I闭锁为例进行分析，电网频率跌落至49.89Hz，偏差为0.11Hz，机组就地转速探头测量测得转差值为-6.5r/min，则除法器的输出为-6.5÷60＝-0.108。此时，第一高低限报警模块HLALM1的输入为-0.108，由于-0.108＜-0.05，则第一高低限报警模块HLALM1的输出D为高电平1，则逻辑或功能模块OR的输出为高电平1，即模拟量选择器AXSEL的置位端S为高电平1；第二高低限报警模块HLALM2中-0.108＜-0.1，则第二高低限报警模块HLALM2的越低限输出D2为高电平1，该信号送至机组原有功率控制器闭锁减负荷，即此时机组只允许增负荷来补偿电网低频所需的功率补偿量。
第一函数发生器F1(x)此时输出为
Figure BDA0002813598300000053
第二函数发生器F2(x)此时输出为
Figure BDA0002813598300000054
由于模拟量选择器AXSEL的置位端S为高电平1，故此时模拟量选择器AXSEL将第一输入端的值输出，即此时机组的一次调频功率补偿量由原来的9MW提升至11.25MW，实现了机组对电网频率异常的紧急补偿。
以山东电网全网负荷6000万千瓦、外电1500万千瓦、新能源500万千瓦进行折算，相当于133台300MW机组运行，每台一次调频功率补偿量提升11.25-9＝2.25MW，相当于电网整体提升一次调频功率补偿量133×2.25＝299.25MW，效果显著。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.一种基于电网频率的一次调频自动切换控制系统，其特征在于，包括模拟量采集器AI、数字量采集器DI、第一高低限报警模块HLALM1、第二高低限报警模块HLALM2、第一模拟量发生器A1、第二模拟量发生器A2、第一乘法器MUL1、第二乘法器MUL2、除法器DIV、逻辑或功能模块OR、第一函数发生器F1(x)、第二函数发生器F2(x)、模拟量选择器AXSEL；
所述数字量采集器DI采集电网频率异常紧急控制信号，并连接到逻辑或功能模块OR的第二输入端Z2；所述模拟量采集器AI采集转差，并分别连接到除法器DIV、第一函数发生器F1(x)、第二函数发生器F2(x)，所述除法器DIV的输出端分别连接到第一高低限报警模块HLALM1的输入端X、第二高低限报警模块HLALM2的输入端X，所述第一高低限报警模块HLALM1的越限输出端D端连接到逻辑或功能模块OR的第一输入端Z1，所述第一函数发生器F1(x)的输出端连接到模拟量选择器AXSEL的第一输入端X1，所述第二函数发生器F2(x)的输出端连接到模拟量选择器AXSEL的第二输入端X2；逻辑或功能模块OR的输出端连接到模拟量选择器AXSEL的置位端S；所述第一高低限报警模块HLALM1的高限输入端H、低限输入端L分别连接第一模拟量发生器A1以及A1经第一乘法器MUL1进行求反后的输出端；所述第二高低限报警模块HLALM2的高限输入端H、低限输入端L分别接收第二模拟量发生器A2以及A2经第二乘法器MUL2进行求反后的输出端；所述模拟量选择器AXSEL输出端Y的输出一次调频功率补偿量；
所述第二高低限报警模块HLALM2的越高限输出D1送至功率控制器闭锁增负荷，越低限输出D2送至功率控制器闭锁减负荷；
所述除法器DIV的第二输入端X2为常数60；
所述第二函数发生器F2(x)中，按转速不等率5%进行设定；所述第一函数发生器F1(x)按照转速不等率3%-4%进行设定；
其计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为一次调频功率补偿量，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为扣除死区后的转差，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为机组额定功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为额定转速，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为转速不等率；
所述模拟量选择器AXSEL的置位端S为高电平1时，其输出第一输入端X1的值；置位端S为低电平0时，其输出第二输入端X2的值。
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