（电力系统及其自动化专业论文）发电机组一次调节性能评价指标的研究.pdf

发电机组一次调节性能评价指标的研究 r e s e a r c ho nt h ei n d e xf o re v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo f g e n e r a t o r u n i t p r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n a b s t r a c t i ne l e c t r i c a lm a r k e t , t h eg e n e r a t i o nc o m p a n i e sh a v eb e e nd i v i d e df r o mt h e 鲥d c o m p a n y ， t h e ys e l lt h e i rp o w e ra n da n c i l l a r ys e r v i c et h r o u g hm a r k e t 髂a na r t i f i c i a lp e r s o n a n c i l l a r y s e r v i c ei so n eo fi m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i c a lm a r k e t t h eg e n e r a t o ru n i tp a m s r y f r e q u e n c yr e g u l a t i o ni s al 【i n do fi m p o r t a n ta n c i l l a r ys e r v i c e t h ep r i m l yf r e q u e n c y r e g u l a t i o nh a sd i r e c te f f e c to nt h e 鲥df r e q u e n c y , a n di ti sv e r yi m p o r t a n tt om a i n t a i nt h e s t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m s b e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r i t yo fp r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n a n c i l l a r ys e r v i c e ，t h e 鲥dc o m p a n yr e q u i r e st h eg e n e r a t o ru n i t sm a k et h ep r i m a r yf r e q u e n c y r e g u l a t i o no no p e r a t i o n b u tt h eg e n e r a t i o nc o m p a n i e sd o n tw a n tt od ol i k et h a tb e c a u s eo f t h e i ro w np r o f i t i no r d e rt os p u rt h eg e n e r a t i o nc o m p a n i e sw o k ew e l l ，i ti sn e c e s s a r yf o rt h e g r i dc o m p a n i e st 0a s s s t h eq u a l i t yo ft h e i rs e r v i c e s a st op e r f o r m a n c ee s t i m a t i o no f p r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n , s o m e d i f f e r e n ti n d e x e sh a v eb e e np u tf o r w a r d t h e r e p r e s e n t a t i o n a li n d e x e si n c l u d e ：t h er a t eo fp r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o no no p e r a t i o n 、t h e c o n t r i b u t i n ge n e r g yo f p r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n 、t h ea v e r a g eo f r e g u l a t i o nq u a n t i t ya n ds o o n b u tt h e s ei n d e x e sh a v es o m es h o r t a g e s t h i sp a p e rp r o p o s e san e wi n d e xt oe s t i m a t et h ep r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n f i r s to fa 1 1 t h i sp a p e rg i v e sad e t a i l e di n t r o d u c ea n da n a l y s i so ft h ef r e q u e n c yc o n t r o l ，t h e ns t u d i e st h e c p ss t a n d a r d , a n dd i s c u s s e st h er e l a t i o nb e t 、e c p sc r i t e r i aa n dp r i m a r yf r e q u e n c y r e g u l a t i o na n ds e c o n d a l 7f r e q u e n c yr e g u l a t i o n t h e n , i ti n t r o d u c e sa n da n a l y s e ss o m e i n d e x e s 、m e t h o d sf o re s t i m a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo f p r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n a l s o ，t h i s p a p e ri n t r o d u c e ss o m ek i n d so f c o m p e n s a t em e t h o d s f i n a l l y t h i sp a p e rp r o p o s e san e wi n d e x t oe s t i m a t et h ep e r f o r m a n c eo f p r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n i nt h ee n d i n go f t h i sp a p e r ，t h i s n e wi n d e xi sp r o v e dt ob ev a l i db yu s i n go f t h es i m u l a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h i sn e we v a l u a t i o nm e t h o di n c l u d i n g ： 1 t h i si n d e xi sb a s e do np r o b a b i l i t y , u s i n gl o n gt e r mr e a l t i m ed a t at oe s t i m a t et h e p e r f o r m a n c eo f p r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n 2 t h i si n d e xc a nr e f l e c tw h e t h e rt h ep i i i n a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o ni so no p e r a t i o na n d e s t i m a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h ep r i m a r yf r e q u c n c yr e g u l a t i o n k e ，w o r d s ：e l e c t r i c a lp o w e rm a r k e t ；p r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n ；e v a l u a t i n gi n d e x ； i n t e r c o n n e c t e dp o w e rg r i d s i i 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：辫 新签名：当娩导师签名： 型l 壑查 车年与上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1引言 当前，电能已成为我们日常生活不可或缺的能源，国民经济的各个部门、人民的文 化和物质生活都离不开电能。电能生产的最大特点在于电能不能大量储存，电能的生产、 输送、分配和使用是在同一时刻完成的。在任何时刻，电力系统中电源发出的功率都等 于该时刻电力系统负荷和电能输送、分配过程中所消耗的功率之和。同时电力系统中的 过渡过程非常迅速，由于电力系统中的电和磁是相互联系在一起的，任何一处发生的电 磁变化过程，都会以光速传播而影响整个电力系统，因此电力系统故障的发生和发展以 及运行方式改变所用的时间都是十分短暂的，这就要求系统具有进行快速控制和快速排 除故障的能力，否则将危及整个电力系统的安全稳定运行。 电力系统的上述特点以及电力工业在国民经济中的地位和作用，对电力系统控制提 出了很高的要求。电力系统运行的根本目的是在保证电能质量符合标准的条件下，持续 不断地供给用户所需要的功率，维持电力系统的功率平衡，保证系统运行的经济性。 电力系统频率是电能的重要质量指标之一。电力系统频率偏离额定值过多，对电能 用户和电力系统的设备运行都将带来不利的影响。我国规定，正常运行时电力系统的频 率应当保持在5 0 0 2 h z 范围之内。当采用现代自动装置时，频率的偏差可不超过 0 0 5 o 1 5 h z 1 捌。 维持电力系统频率在额定值，是靠控制系统内所有发电机组输入的功率总和等于系 统内所有用电设备在额定频率时所消耗的有功功率总和实现的，其中包括机组和电网损 耗。这种平衡一旦遭到破坏，电力系统的频率就会偏离额定值。为了维持频率稳定在额 定值，首先必须对未来一段时间内的系统负荷需求进行预测，并在此基础上安排发电计 划。随着负荷预测模型和算法的不断改进，以及负荷预测的体系的完善( 超短期一短期 一中期一长期) ，制定的日发电计划准确率可以达到9 0 以上。但是由于电力系统的 负荷功率是随机变化的，提前制定的发电计划和实际用电负荷之间总会存在一定的偏 差，这种偏差反应在电网上，将会使频率偏离额定值。为了弥补这种偏差，需要实时控 制发电机组跟踪负荷变化，因此电力系统运行中发电机组一次调频功能必须投入，以减 少频率偏差。 1 2 问题的提出 当前，我国电力工业正从传统的行政垄断管理体制向着电力市场化改革的方向发 展。电力工业这种变革的基本目标在于，促进电力工业自身的持续、稳定、健康发展， 发电机组一次调节性能评价指标的研究 提高电力市场效率，向全社会提供优质、低廉、安全可靠的电力产品和保障，从而取得 更大的经济效益和社会效益【3 ，4 l 。 电力市场建立后，厂网逐步分离，电厂通过报竞价参与市场竞争，争取以最高的成 交价格和最低的运行成本多发电，获取最大的经济效益；代表省网公司向电厂购电的电 网监控中心，其任务由确保电网运行安全的前提下使全网运行成本最小转变为确保电网 运行安全的前提下使省网公司向电厂支付的电费最少1 5 一。 目前国内的发电企业由五大发电集团及一些小的发电公司组成，五大发电集团管理 集团所属的电厂。发电公司发出的电经国家电网公司和南方电网公司输送到用户端。其 中国家电网公司由华东电网公司、华北电网公司、华中电网公司、西北电网公司和东北 电网公司组成。而南方电网公司则由广东电网、广西电网、云南电网、贵州电网和海南 电网五个省电网公司组成。发电企业与电网公司分属两个不同的利益团体。它们之间存 在着利益冲突。 由于系统频率的一次调节可以对异常情况下的负荷突变起某种缓冲作用，并且对系 统频率变化的响应快，因此为了确保电网运行安全，电网公司要求发电机组必须提供一 次调节这种电力市场辅助服务。众所周知，发电机组投入一次调频后发电机组会不太稳 定，因为当有频率偏差时，发电机组就会动作，而系统的频率总是在不停的变化，则当 频率偏差值超过发电机组一次调频死区时，发电机组的一次调节就开始动作，如此一来， 发电机组的动作就会很频繁，发电机组会有较大的磨损，寿命也会减少，这对发电企业 是不利的。因此，如果得不到补偿，发电企业是尽可能将一次调频功能闭锁。 此外，发电企业不愿意将发电机组一次调节功能投入还有另一方面的原因。目前， 国内各大电网公司陆续开始使用c p s 标准代替以前使用的a 标准【7 】来评价机组的自动控 制性能。在使用a 标准评价区域控制性能时，a 1 标准要求控制区域的a c e 在任意1 0 分 钟内必须至少过零一次，a 2 标准要求控制区域的a c e i o 分钟内的平均值必须控制在规 定的范围内，如果投入一次调频功能，则由于发电机组的动作的不确定性，会给机组控 制带来很大的麻烦，对满足a 2 标准有一定的不利影响，此时各区域为了获得较好的a 2 指标值，对机组的一次调频也没作要求，并且当时厂网没有分家，不存在对辅助服务补 偿的问题。改用c p s 标准来评价区域控制性能 8 1 后，投入一次调频能提高该区域的c p s l 指标值，此时区域电网公司就要求该区域内的发电机组都投入一次调频功能。但此时厂 网已经分家，在发电企业得不到对一次调节的补偿时，就不愿意投入一次调频功能。并 且随着技术的发展，发电企业有能力来控制发电机组一次调频功能的投切。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着数字控制技术，计算机技术及网络通信技术的飞速发展， 现代化的发电厂普遍采用分散控制系统d e s 作为发电机组的控制设备，汽轮机控制中传 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 统的液调调速系统已被数字电液调节系统d e l l 所代替。原由液调调速系统承担的一次调 频功能也转由新型的调速控制系统所承担。火电机组的一次调频功能就是通过调节d e h 系统的汽轮机的高压进汽调节门，利用机组锅炉的蓄热，快速增减机组功率，响应电网 频率的变化，增强电网的供需自平衡能力，稳定电网运行。 ( 1 ) 电网频率高( 高于标准的5 0 h z ) ，即电网上总的供电功率大于总的用电负荷， 机组关小高压进汽调节门，提高主汽压力，增加锅炉蓄热，减少机组发电功率，缓解电 网供需矛盾。 ( 2 ) 电网频率低( 低于标准的5 0 h z ) ，即电网上总的供电功率小于总的用电负荷， 机组开大高压进汽调节门，降低主汽压力，释放机组蓄热，增加机组发电功率，缓解电 网供需矛盾。 使用液调调速系统时，机组的一次调频功能是不能切除的，一直处在投入状态，但 使用数字电液调节系统d e h 后，机组的一次调频功能可以随意切除。并且机组的一次调 频死区可以自由设置，则对于不想投入一次调频功能的电厂而言，机组的一次调频功能 就只是摆设而已，他们可以根据自己的意愿投切机组的一次调频功能，即使将一次调频 功能投入，也可以将调频死区设置得很大，在电网频率偏差较大时，仍有可能没有超过 发电机组的调频死区，一次调频功能仍不能起作用1 9 】。 由于发电机组一次调频对整个电力系统的频率稳定起着很重要的作用，因此各电网 公司都要求发电机组一次调频功能投入，为了促使电厂按电网公司的要求来投入发电机 组的一次调频功能，需要有一套合理的评价标准来评价发电机组的一次调频性能，并制 定合理的补偿方案，以鼓励发电厂将发电机组的一次调频功能投入。 1 3 一次调节辅助服务研究概况 在传统的电力系统管理运作方式下，辅助问题并没有作为单独的问题引起人们的重 视，因为在传统的电力工业中，发电、输电以及配电都集成在一个电力公司中，辅助服 务没有单独考虑的必要，更没有区分其经济特性的需要【l o l 。 在电力市场环境下，发电与输电分开成为独立的实体，发电机组提供的辅助服务需 要给予经济回报，并需要在自愿的原则下，进行辅助服务的交易。这就增加了电网运行 和控制的复杂性。因而增加了导致电网功率不稳定、电压不稳定、过负荷和电力系统崩 溃等的因素f i “。在电力市场中，发电厂商和用户提供辅助服务应该是有偿的。换句话说， 市场中的商品除电能以外还应该包括各种辅助服务。因此必须量化这些辅助服务并给予 合理的补偿，使辅助服务的供应者能够得到应有的报酬。如何量化辅助服务并制定合理 的价格，在运行中如何优化辅助服务的构成，协调各方面的利益使电力市场理论和实践 发电机组一次调节性能评价指标的研究 的难点，至今未得到很好的解决。在电力市场环境下，由于次调频的特殊性以及其在 电力系统中的特殊地位，装设一次调频装置的机组需要单独组织一个优先级别高于普通 电量市场的一次调频市场，进行一次调频交易。因此，一次调频辅助服务的研究显得更 为重要，也变得更复杂 一次调频作为电力系统频率控制一项重要技术手段，如何实现市场环境下的系统频 率稳定控制也是电力市场面临的挑战之一。随着市场化进程的深入，发电从输、配电中 分离出来，各发电厂分属于不同的利益团体，传统的集中管理被分散决策所代替。发电 厂商已经和电网分开，发电厂商作为独立的法人通过市场销售其电能及其服务，因此， 提供一次调频辅助服务的机组，不需要为电力系统频率控制的质量负责。这样，整个电 力系统的安全性能将面i 临严峻的考验。因此，对于一次调频辅助服务的质量，也就是机 组的一次调频控制性能必须通过事后有效、公平的评估，并按照评估结果对机组做出相 应的奖罚，从而迫使机组履行自己申报时的承诺，保证整个电力系统的经济安全运行。 目前，机组的一次调频控制性能的评价指标主要有以下几个：一次调频投运率【1 2 】， 一次调频贡献电量【1 3 】，一次调频效果1 4 1 ，平均调节量和最大调节量等。各电网公司 根据自己的实际情况使用其中的一种或综合几种对机组的一次调节性能进行评价，并根 据这些指标对发电机组的一次调节进行评价。但这几种评价指标都存在各自的缺陷，因 此，关于机组一次调节性能的评价指标还需要进一步的研究。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要研究电力市场下发电机组一次调节性能的评价指标。 由于发电机组的一次调频功能对维持电网频率的稳定至关重要，特别是对于那些快 速调节机组比重少的电网尤为关键，各电网公司都要求发电机组一次调节功能必须投 入。但在联合电网中，许多发电企业为了自身的利益将机组的一次调频功能退出运行。 本文通过对c p s 指标和一、二次调频之间关系的研究以及对一次调节性能评价指标的需 求分析，提出了一种新的基于概率的用长期实时数据来评价发电机组的一次调节性能的 指标，其主要工作如下； ( 1 ) 详细分析了发电机组和负荷的频率特性以及电力系统频率调节的控制过程，并 比较细致的分析和研究了发电机组一次调频、二次调频对电力系统频率的影响。 ( 2 ) 介绍了评价互联电网控制性能的a 标准和c p s 标准，并通过仿真分析发电机组 一次调频、二次调频与c p s l 指标值之间的关系。 ( 3 ) 介绍了目前国内的一些对一次调节性能的评价指标，并介绍了几种比较典型的 对一次调节性能的评价方法和补偿措施，分析了它们的可用性。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 提出一种新的评价发电机组一次调节性能的指标。根据对一次调节性能评价的 需求分析，提出一种基于概率的对发电机组一次调节长期性能进行评价的指标，并通过 一个算例仿真来验证此指标对一次调节参数的敏感性。 ( 5 ) 最后对本文的成果进行总结，并提出有待进一步解决的问题。 一5 一 发电机组一次调节性能评价指标的研究 2 电力系统频率调整 2 1电力系统频率控制的必要性 衡量电能质量的一个重要指标是频率，保证电力系统的频率合乎标准也是系统运行 调整的一项基本任务。 电力系统中许多用电设备的运行状况都同频率有密切的关系。工业中普遍应用的异 步电动机，其转速和输出功率均与频率有关。频率变化时，电动机的转速和输出功率随 之变化，因而严重的影响到产品的质量。现代工业、国防和科学研究部门广泛应用各种 电子技术设备，如频率不稳定，将会影响这些电子设备的精确性。频率变化对电力系统 的正常运行也是十分有害的，汽轮发电机在额定频率下运行时效率最佳，频率偏高或偏 低对叶片都有不良的影响。电厂用的许多机械如给水泵、循环水泵、风机等在频率较低 时都要减小出力，降低效率，因而影响发电设备的正常工作，使整个发电厂的有功出力 减小，从而导致系统频率的进一步下降。频率降低时，异步电机和变压器的励磁电流增 大，无功功率损耗增加，这些都会使电力系统无功平衡和电压调整增加困难【j6 1 。 总之，由于所有设备都是按系统额定频率设计的，系统频率质量的下降将影响各行 各业，而频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电。 2 2 电力系统频率特性 电力系统频率波动的直接原因是发电机输入功率和输出功率之间的不平衡。输出功 率即是发电机所带负荷的功率。在众多发电机组并联运行的电力系统中，尽管原动机功 率不是恒定不变的，但它主要取决于本台发电机组的原动机和调速器的特性，因而是相 对容易控制的因素；而电力系统的负荷功率是难以控制的因素，而这正是引起电力系统 频率波动的主要因素。将电力系统分成发电机组和系统负荷分别讨论它们的频率特性对 电力系统的频率控制有很大的帮助【l7 1 。 2 2 1 电力系统负荷的频率特性 当频率变化时，系统中的有功功率也将发生变化。系统处于运行稳态时，系统中有 功负荷随频率的变化特性称为负荷的静态频率特性。由于负荷的种类不同，负荷与频率 的关系也不同。负荷的综合静止频率特性可以用图2 1 的曲线来表示。 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 有功负荷的静态频率特性 f i g 2 1 s t a t i cf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co f a c t i v el o a d 由图2 1 可知，在额定频率届时，系统负荷取用的功率为p d 。当频率下降时， 负荷取用的功率减少；当频率升高时，负荷取用的功率增加。有功功率的静态频率特性 表明：电力系统有功功率失去平衡引起系统频率变化时，系统负荷参与对频率的调整。 当实际负荷增加时，系统频率下降。但是，与此同时，负荷实际取用的功率也因频率的 下降而有所减小，这有利于发电机的调频，这种现象称为负荷的频率调节效应。为了衡 量负荷频率调节效应的大小，定义负荷频率特性系数： 肠= t a n 0 = a p d 矽 ( 2 1 ) k d 的大小取决于系统负荷的组成，是不能够整定的。 2 2 2 同步发电机的频率特性 发电机的频率调整由原动机的调速系统来控制，其有功功率一频率调节特性取决于 发电机组的调速系统，可以用图2 2 的曲线来表示，近似表示为一条直线。分析可知， 图2 2 发电机组的功率一频率调节特性 f i g 2 2p o w e r - f r e q u e n c ya d j u s tc h a r a c t e r i s t i co f g e n e r a t o ru n i t 一7 一 发电机组一次调节性能评价指标的研究 随着负荷的增加，调速器使发电机组输出的功率增加，运行频率将低于初始值。反之， 当负荷频率减少时，发电机组输出的功率将减少，频率将高于初始值。为了描述发电机 组的频率调节特性，可以定义发电机的调差系数为： r = 一矿a p o = ( 乃一f a ) ( p g 十, 一p ) ( 2 2 ) 调差系数的倒数称为发电机组的单位调节功率，发电机的单位调节功率表示当频率 下降或者上升时机组增发功率或减发功率的值。 2 2 3 电力系统的频率特性 电力系统的功率平衡是一个供需功率实时平衡的动态过程。当电力系统负荷变动 时，电力系统频率会发生变化，同步发电机的调速器会自动控制和调整汽轮机的进汽量 或水轮机的进水量，从而控制和调整发电机的输出功率，使电力系统频率趋于稳定。另 一方面，根据电力系统负荷频率特性的特点，负荷本身在电力系统频率变动下，也会相 应改变其吸收的功率。所以说，电力系统的频率调节是与发电机组频率特性和负荷的频 率特性密切相关的。 2 3 电力系统频率调节 电力系统的负荷是由三种不同变化规律的负荷分量组成的： 第一种负荷分量是变化周期在1 0 秒以内、变化幅度较小的负荷分量。这种快速的 负荷波动是各个独立负荷随机变化的集中表现。 第二种负荷分量是变化周期在1 0 秒到数分钟之间的负荷分量。属于这类负荷的主 要有电炉、压延机械、电气机车等。 第三种负荷分量是变化缓慢的持续变动负荷。引起这类负荷变化的原因主要是各行 业的作息制度、人民的生活方式规律、天气的变化等。 通过对电力系统各种负荷分量变化规律的分析，有利于针对不同类型的负荷波动采 取不同的措施，来控制原动机功率和发电机电磁功率之间的不平衡，达到控制系统频率 的目的。 2 3 1 电力系统频率一次调节 电力系统频率的一次调节是指利用系统固有的负荷频率特性，以及发电机组的调速 器的作用，来阻止系统频率偏离标准的调节方式。 当电力系统中原动机功率或负荷功率发生变化时，必然引起电力系统频率的变化， 此时，存储在系统负荷( 如电动机等) 的电磁场和旋转质量中的能量会发生变化，以阻 止系统频率的变化，即当系统频率下降时，系统负荷会减少；当系统频率上升时，系统 8 一 大连理工大学硕士学位论文 负荷会增加。这种现象称为系统负荷的惯性作用，一般用负荷的频率调节效应系数( 又 称系统负荷阻尼常数) d 来计算： d = a p f ( m w h z ) ( 2 3 ) 式中：可一系统频率变化值； p 一为系统频率变化引起的系统负荷变化。 系统负荷阻尼常数d 常用标幺值来表示，其典型值为1 2 d = 2 意味着1 的系统 频率变化会引起系统负荷2 的变化。 当电力系统频率发生变化时，系统中所有的发电机组的转速即发生变化，如转速的 变化超过发电机组规定的不灵敏区，该发电机组的调速器就会动作，改变其原动机的阀 门位置，调整原动机的功率，力求改善原动机功率或负荷功率的不平衡状况。亦即当系 统频率下降时，汽轮机的进汽阀门或水轮机的进水阀门的开度就会减小，减少原动机的 功率。原动机调速器的这种特性被称为发电机组的调差特性，通常用调差率万来表示。 艿的计算如下： j = ( 疗。一万) ，刀r 1 0 0 ( 2 4 ) 式中：m 空载静态转速； 甩满载静态转速； 撬额定转速。 调差率万的实际含义是，如j = 5 ，则当系统频率变化5 时，将引起原动机阀门位置 变化1 0 0 。 电力系统综合的一次调节特性是系统内所有发电机和负荷的一次调节特性之总和， 具有次调节作用的电力系统模型下图所示： 图2 3 具有一次调节作用的电力系统传递函数方框图 f i g 2 3b l o c kd i a g r a mo fp o w e rs y s t e mw i t hp r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n 9 一 发电机组一次调节性能评价指标的研究 从上图可以看出，由于具有一次调节作用的电力系统中存在发电机的转速( 即系统 频率) 的负反馈调整环节，将起到稳定系统频率的作用。 用系统频率特性图来分析一次调频过程如下【l s l ： ， p o p o 图2 4 频率的一次调整 f i g 2 4p r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n 发电机组原动机的频率特性和负荷频率特性的交点就是系统的原始运行点，如上图 中点仉设在点口运行时负荷突然增加厶尼凸即负荷的频率特性突然向上移动么p l o , 则 由于负荷突增时发电机组功率不能及时随之变动，机组将减速，系统频率将下降。而在 系统频率下降的同时，发电机组的功率将因它的调速器的一次调整作用而增大，负荷的 功率将因它本身的调节效应而减少。前者沿原动机的频率特性向上移动，后者沿负荷的 频率特性向下减少，经过一个衰减的振荡过程，抵达一新的平衡点，即图中点。 除了系统负荷固有的频率调节特性外，发电机组参与系统频率的一次调节，具有以 下特点： ( 1 ) 系统频率一次调节由原动机的调速系统实施，对系统频率变化的响应快，电力 系统综合的一次调节特性时间常数一般在l o 3 0 s 之间。由于火力发电机组的一次调节 仅作用于原动机的进汽阀门位置，而未作用于火力发电机组的燃烧系统。当阀门开度增 大时，使锅炉中的蓄热暂时改变了原动机的功率，由于燃烧系统中的化学能量没有发生 变化，随着蓄热量的减少，原动机的功率又会回到原来的水平。因而，火力发电机组参 大连理工大学硕士学位论文 与系统频率一次调节的作用时间是短暂的。不同类型的火力发电机组，由于蓄热量的不 同，一次调节的作用时间为0 5 2 m i n 不等。 ( 2 ) 发电机组参与系统频率一次调节采用的调整方法是有差特性，其优点是所有机 组的调整只与一个参变量即与系统频率有关，机组之间相互影响小。但是，它不能实现 对系统频率的无差调整。 从电力系统频率一次调节的特点可知，它在频率调节中的作用有以下几点： ( 1 ) 自动平衡电力系统的第一种负荷分量，即那些快速的，幅值较小的负荷随机波 动。 ( 2 ) 频率一次调节是控制系统频率的一种重要方式，但由于它的调节作用的衰减性 和调整的有差性，因此不能单独依靠它来调节系统频率。要实现频率的无差调整，必须 依靠频率的二次调节。 ( 3 ) 对异常情况下的负荷突变，系统频率的一次调节可以起某种缓冲作用。 2 3 2 电力系统频率二次调节 由于发电机组一次调节实行的频率是有差调节，因此早期的频率二次调节，是通过 控制发电机组调速系统的同步电机，改变发电机组的调差特性曲线的位置，实现频率的 无差调节。但此时并未实现对火力发电机组的燃烧系统的控制，为使原动机的功率和负 荷功率保持平衡，需要依靠人工调整原动机功率的基准值，达到改变原动机功率的目的。 随着科学技术的进步，火力发电机组普遍采用了协调控制系统，由自动控制来代替人工 进行此类操作。在现代化的电力系统中，各控制区常采用集中的计算机控制。这就是电 力系统频率的二次调节。 在单一电力系统中，系统频率的二次调节的方法笼统可分为有差调节和无差调节两 大类。 电力系统频率的有差调节就是根据频率偏差的大小增减参与调频的各发电机组的 有功功率，其特点是： ( 1 ) 各调频机组同时参加有功功率调节，无先后之分； ( 2 ) 系统增减的计划外负荷在调频机组之间按一定的比例进行分配； ( 3 ) 调节稳定后的系统频率偏差较大。 电力系统的无差调节主要是通过对系统中参与调频的发电机组分别设置不同的比 例调节器、积分调节器及微分调节器的方法，在系统出现计划外的负荷时，通过调节各 调频机组的有功功率来使系统频率恢复到额定值。一般可分为主导发电机法、假有差法 和积差调节法。 发电机组一次调节性能评价指标的研究 用电力系统频率特性图分析二次调节如下： 图2 5 频率的二次调整 f i g 2 5s e c o n d a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o n 如前所述，频率的二次调整就是手动或自动地操作调频器使发电机组的频率特性平 行地上下移动，从而使负荷变动引起的频率偏移可保持在允许范围内。在上图中，如不 进行二次调整，则在负荷增大p _ 后，运行点将转移到d ，即频率将下降加，功率将 增加为助。在一次调整的基础上进行二次调整就是在负荷变动引起的频率下降4 ，越 出允许范围时，操作调频器，增加发电机组发出的功率，使频率特性向上移动。设发电 机组增发厶p g d ，则运行点又将从点d 转移到矿。点纩对应的频率而”，功率p d ”，即 频率下降由于进行了二次调整由仅有一次调整时的4 厂减少为4 ，r ，可以供应负荷的功 率则由仅有一次调整时的p d 增加为p d 。显然，由于进行了二次调整，系统的运行质 量有了改善。 根据系统频率二次调节的实现方法，不难看出它具有以下特点： ( 1 ) 频率的二次调节，不论是采用分散的还是集中的调整方式，其作用均是对系 统频率实现无差调整。 ( 2 ) 在具有协调控制的火力发电机组中，由于受能量转换过程的时间限制，频率 二次调节对系统负荷变化的响应比一次调节要慢，它的响应时间一般需要l 2 m i n 。 ( 3 ) 在频率的二次调节中，对机组功率往往采用简单的比例分配方式，常使发电 机组偏离经济运行点。 大连理工大学硕士学位论文 根据电力系统频率二次调节的这些特点可知，其调节作用在于以下几点： ( 1 ) 由于系统频率二次调节的响应时间较慢，因而不能调整那些快速变化的负荷随 机波动，但它能有效地调整分钟级和更长周期的负荷波动。 ( 2 ) 频率二次调节的作用可以实现电力系统频率的无差调整。 ( 3 ) 由于响应时间的不同，频率二次调节不能代替频率一次调节的作用；而频率二 次调节的作用开始发挥的时间，与频率一次调节作用开始逐步失去的时间基本相当，因 此两者若在时间上配合好，对系统发生较大扰动时快速恢复系统频率相当重要。 ( 4 ) 频率二次调节带来的使发电机组偏离经济运行点的问题，需要由频率的三次调 节( 功率经济分配) 来解决；同时，集中的计算机控制也为频率的三次调节提供了有效 的闭环控制手段。 2 3 3 电力系统频率三次调节 电力系统频率三次调节亦称发电机组有功功率经济分配，其主要任务是经济、高效 地实施功率和负荷的平衡。频率三次调节要解决的问题包括以下几点： ( 1 ) 以最低的开、停机成本( 费用) 安排机组组合，以适应日负荷的大幅度变化。 ( 2 ) 在发电机组之间经济地分配有功功率，使得发电成本( 费用) 最低。在地域广 阔的电力系统中，则需考虑发电成本( 发电费用) 和网损( 输电费用) 之和最低。 ( 3 ) 为预防电力系统故障时对负荷的影响，在发电机组之间合理地分配备用容量。 ( 4 ) 在互联电力系统中，通过调整控制区域之间的交换功率，在控制区之间经济地 分配负荷。 电力系统频率三次调节与频率一、二次调节不同，不仅要对实际负荷的变化作出反 应，更主要的是根据预计的负荷变化，对发电机组有功功率事先作出安排，三次调节不 仅要解决功率和负荷的平衡问题，还要考虑成本或费用的问题，需控制的参变量更多， 需要的数据更多，算法也更复杂，因此其执行周期不可能很短。 电力系统三次调节主要是针对一天中变化缓慢的持续变动负荷安排发电计划，在发 电功率偏离经济运行点时，对功率重新进行经济分配。其在频率控制中的作用主要是提 高控制的经济性。但是，发电计划安排的优劣对频率二次调节的品质有重大的影响，如 果发电计划与实际负荷的偏差较大，则频率二次调节所需的调节容量就越大，承担的压 力越重。因此，应尽可能提高频率三次调节的精确度。 2 4 电力系统频率控制策略 在电力系统的频率波动中，根据频率波动周期及幅度的大小，大致可以分为以下三 种成分，不同的成分均采用相应的控制策略积极应对。 发电机组一次调节性能评价指标的研究 第一种系统频率波动周期在l o s 以内，幅度为额定频率的0 0 5 以下，由周期性的 负荷变化引起，对于这种频率波动，通过系统负荷的频率响应和区域发电机组的调速器 在超过其设置的频率死区的调节特性变化来自动响应，即由频率的一次调节系统来完 成。 第二种系统频率波动周期在l o s 至2 3 m i n 之间，幅度为额定频率的0 1 1 之 间，由带冲击性的负荷变化引起，与电力系统的总容量有密切的关系。这种频率变化， 原因可能是负荷预计与实际负荷的偏差造成发电计划安排的不足或过多，冲击负荷引起 的负荷变化，区域交换计划与实际联络线功率偏差等，由自动发电控制进行调节。第三 种频率波动周期在3 2 0 m i n 之间，由生产、生活、气候等因素导致负荷变化而引起频 率波动。在电力系统中，对引起频率波动的负荷变化，均采用适当的方式进行控制。一 般情况下，对较长周期的负荷变化，采取对电力系统的负荷进行预测，并在机组的发电 计划上事先进行安排，以取得预期的效果。 在单一控制区域及互联电力系统中，为了有效地控制系统频率，必须做好系统频率 的一次调节、二次调节之间的配合，提高系统负荷预计精度，安排适当的发电计划，以 达到预期的目的。 大连理工大学硕士学位论文 3 互联电网控制性能评价指标 大区电网互联中要保持和提高电网频率质量，改善机组控制调节性能，发挥大电网 运行的优越性，这与 g c 的控制和考核性能密切相判1 9 1 。九十年代中后期开始，我国各 大电网陆续开始对区域电网实施北美电力可靠性委员会( n o r t h a m e r i c a ne l e c t r i c r e l i a b i l i t yc o u n c i l ，简称n e r o 的a 1 a 2 标准考核。实践证明这种方法对促进电网 的整体自动化水平很有作用，尤其使电厂的a g c 工作有了很大的提高。但a 1 a 2 标准 中由于不考虑a c e 值对频率的贡献，从而不仅影响整个电网的频率控制，而且使有些 区域的利益受到损害。n e r c 于1 9 9 6 年提出了一种基于严密的数学统计方法的新的考 核控制区域的标准，即控制性能标准( c o n t r o lp e r f o r m a n c es t a n d a r d ) ，简称c p s 2 0 l 。 这种标准基于对整个电网的频率贡献进行a c e 评价，从而使控制目标成为整个电网的 安全稳定控制，最大程度地满足了电网控制需要，并使大多数区域的经济利益得到了保 证。本节将对n e r c 的a 1 a 2 、c p s 系列标准一一介绍。 3 1a 1 、a 2 标准 北美电网早在1 9 7 3 年就正式采用a l ，a 2 标准来评价电网正常情况下的控制性能， 其内容是： a l ：控制区域的a c e 在任意1 0 分钟内必须至少过零一次； a 2 ：控制区域的a c e i o 分钟内的平均值必须控制在规定的范围l d 内， l d 的计算公式为： l d = o 0 2 5 l + 5 m w( 3 1 ) 式中l 可以用两种方法计算： ( 1 ) z x l 指控制区在冬季或夏季高峰时段，日小时电量的最大变化量( 增或减) ； ( 2 ) a l 指控制区在一年中任意l o h 电量变化量( 增或减) 的平均值。 一般情况下，各控制区的l d 每年修改一次。 n e r c 要求各控制区域达到a 1 ，a 2 标准的控制合格率在9 0 以上。这样通过执行 a 1 ，a 2 标准，使各控制区域的a c e 始终接近于零，从而保证用电负荷与发电、计划交换 和实际交换之间的平衡。a 1 、a 2 标准是依据运行经验制定，缺乏理论基础，在实践中 的一些缺陷逐渐暴露出来： ( 1 ) a 1 没有考虑a c e 对频率的作用。北美电网在执行a l 、a 2 时发现，在正常情 况下，a 1 、a 2 有一定的合理性，对频率稳定和各联络线潮流的控制都较为理想，其无 意交换电量可按高峰和低谷阶段分别偿还。但a 1 要求a c e 每1 0 m i n 必须过零，如果 发电机组一次调节性能评价指标的研究 此时a c e 的方向正好对频率的偏移起制约作用，而为了满足a 1 指标该网又不得不向 反方向调节，使之过零，从而加大了频率的偏移，这对频率的恢复是没有好处的。 ( 2 ) a c e 带宽较小。带宽小则需要较多机组进行a g c 的快速调整，且机组调整频 繁，运行费用较大。 ( 3 ) 不利于进行长期目标控制。由于系统负荷一直处于不断变化的状态，a 1 a 2 标 准对区域a c e 的值进行监视控制，也受制于负荷短期变化的过程( 如i m i n 变方向，l o m i n 过零) 这种短期行为，对负荷长期变化所起的作用，有可能是不利的。 ( 4 ) 对a c e 的大小没有区别对待。实际上不同a c e 幅值对系统影响程度是不同的。 如a c e 超限额1 0 m w 和超限额5 0 m w 应该有指标加以区分。 3 2c p s l 、c p s 2 标准 北美电力可靠性委员会于1 9 9 6 年推出了c p s i ，c p s 2 控制性能评价标准2 1 2 2 2 3 矧， 这些标准已于1 9 9 8 年开始正式实施，取代了原来的a l ，a 2 标准。 ( 1 ) c p s i c p s i 不要求控制区域的a c e 在规定的时间过零，但对电网频率质量提出了很明确 的要求，公式如下： c f i ：三 丝 一a f , ( 3 2 ) 彳【一1 0 b , j 。 式中；翻为互联电网全年一分钟频率偏差平均值的均方根，一般由电网统一规定， 作为c p s i 对频率的控制目标，通常取为上一年基于1 分钟平均的频率偏差的均方根值， 单位h z ；a c e , 为控制区域i 控制偏差( a r e ac o n t r o le r r o r ) 【2 5