水电机组容量占比对水火混合系统频率稳定性的影响.pdf

水电机组容量占比对水火混合系统频率稳定性的影响李鑫,王娟娟(大连交通大学自动化与电气工程学院,辽宁 大连 )摘要:一些地区水电机组容量比已是火电机组容量比的数倍,水电机组调速系统的特点对保持电网频率稳定有很大影响,据此用S i m u l i n k搭建精确的水火混合系统,又将火电机组细分为无再热机组和再热机组.为了达到更好的调频效果,首先比较了普通P I D与模糊P I D控制器的特性,最终选用模糊P I D控制器.为了凸显水电机组容量占比对一次调频性能和系统频率稳定性的影响,首先仿真分析了有无再热机组容量占比的不同对一次调频性能和系统频率稳定性的影响,然后改变水电机组容量的占比,实现不同一次调频效果,研究其对系统频率稳定性的影响,得出在一定条件下水电机组容量占比越大,系统频率出现大幅度超调现象的可能性越大,不利于频率的恢复,但是提高了系统频率的稳定性能.关键词:水电混合系统;模糊P I D;水火电机组一次调频;水电机组容量占比中图分类号:TM D O I:/j c n k i d g j s E f f e c t o f t h eP r o p o r t i o no fH y d r o p o w e rU n i tC a p a c i t yo nt h eF r e q u e n c yS t a b i l i t yo fW a t e r f i r eH y b r i dS y s t e mL IX i n,WAN GJ u a n j u a n(S c h o o l o fA u t o m a t i o na n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,D a l i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,D a l i a n ,C h i n a)A b s t r a c t:I ns o m ea r e a s,t h ec a p a c i t yr a t i oo fh y d r o p o w e ru n i t s i sa l r e a d ys e v e r a l t i m e s t h a t o f t h e r m a l p o w e ru n i t s,a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mo fh y d r o p o w e ru n i t sh a v eag r e a t i m p a c to nm a i n t a i n i n gt h es t a b i l i t yo ft h e f r e q u e n c yo f t h ep o w e rg r i d B a s e do nt h i s,S i m u l i n kw a su s e dt ob u i l dap r e c i s ew a t e r f i r eh y b r i ds y s t e m,a n dt h et h e r m a l p o w e ru n i tw a ss u b d i v i d e d i n t oan o n r e h e a tu n i t a n dar e h e a tu n i t I no r d e r t oa c h i e v eb e t t e r f r e q u e n c ym o d u l a t i o ne f f e c t,t h ec h a r a c t e r i s t i c so fo r d i n a r yP I Da n df u z z yP I Dc o n t r o l l e r sw e r ec o m p a r e d,a n df u z z yP I Dc o n t r o l l e r sw e r es e l e c t e d I no r d e r t oh i g h l i g h t t h e i n f l u e n c eo f t h ec a p a c i t yr a t i oo fh y d r o p o w e ru n i t so nt h ep e r f o r m a n c eo fp r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o na n ds y s t e mf r e q u e n c ys t a b i l i t y,t h e i m p a c to f t h ed i f f e r e n tp r o p o r t i o no fc a p a c i t yo f r e h e a t i n gu n i t so nt h ep e r f o r m a n c eo fp r i m a r yf r e q u e n c yr e g u l a t i o np e r f o r m a n c ea n ds y s t e mf r e q u e n c ys t a b i l i t yw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e d T h e n,t h ep r o p o r t i o no fh y d r o p o w e ru n i tc a p a c i t yw a sc h a n g e dt oa c h i e v ed i f f e r e n tp r i m a r yf r e q u e n c ym o d u l a t i o ne f f e c t sa n d t h e i r i n f l u e n c eo ns y s t e mf r e q u e n c ys t a b i l i t y I t i s c o n c l u d e d t h a t t h e l a r g e r t h ep r o p o r t i o no f h y d r o p o w e ru n i t c a p a c i t yu n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s,t h eg r e a t e r t h ep o s s i b i l i t yo f l a r g eo v e r s h o o tp h e n o m e n o no f t h es y s t e mf r e q u e n c y,w h i c h i sn o tc o n d u c i v e t ot h er e c o v e r yo f t h e f r e q u e n c y,b u t i t i m p r o v e s t h es t a b l ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mf r e q u e n c y K e yw o r d s:h y b r i dh y d r o p o w e rs y s t e m s;f u z z yP I D;h y d r o t h e r m a l p o w e ru n i tp r i m a r yf r e q u e n c ym o d u l a t i o n;p r o p o r t i o no fh y d r o p o w e ru n i t c a p a c i t y收稿日期:作者简介:李鑫(),在读硕士研究生,研究方向为电网一次调频.引言近年来,随着一些地区巨型水电站的相继建成和投运,我国电力系统中水力发电占比进一步提高,因此水电机组调速系统的特性和容量占比无疑对电网频率稳定有较大影响,调度部门对水电调节的灵活性和可靠性要求日益严格.如文献 中提及的黑龙江省北黑电网振荡事故,因为在局部系统中水电机组容量占比过大,整个电力系统出现超低频振荡直至电网瓦解.由此可见,要保证电网运行的安全稳定,必须更加深入地研究发电机组的一次调频特性及水电机组容量占比对系统频率稳定性影响.目前,关于发电机组一次调频特性的研究主要集中在调频策略研究、调频参数对调频稳定性影响的研究及调频建模方法的改进等方面.文献 在研究孤网运行形成时频率动态响应的基础上,提出了一种考虑孤网运行频率特电力自动化电工技术 性的控制策略.文献 通过对水轮机调节系统进行研究及仿真,将影响微机调速器的四个因素分别取三个水平,运用改进的正交试验法对比分析获得最优参数值,但这种试验法工作量依然较大.文献 对汽轮机调速系统、水轮机调速器系统建立了精确数学模型,但仅研究了火电调速系统或水电调速系统的一次调频特性.针对水火电混合系统水电机组容量占比的不同对系统频率稳定性的影响,文献 仿真分析了在较高水电负荷比例条件下不同控制参数对调频控制的影响,但未将火电机组细分,没有分析有无再热机组容量占比的不同对系统频率稳定性的影响,因此仿真的结果分析和实际系统频率稳定性的影响存在差距.本文为了使系统模型的搭建更加贴近实际系统,使用了满足小波动扰动下的水火电混合系统的精确模型.为了使系统调频效果更好,使用了模糊P I D控制,通过改变比例系数仿真分析了有无再热机组容量占比的不同对一次调频效果及系统频率稳定性的影响,重点研究了水电机组不同容量占比对水火混合系统一次调频特性和频率稳定性的影响.水轮机、汽轮机调节系统数学模型 调速器及其随动系统数学模型水轮机、汽轮机调速器是控制系统的核心设备,数学模型反映的是导叶(阀门)开度和机组转速偏差的关系.对于传统P I D,其参数一旦给定,运行时就不会根据工况的改变而进行更好的控制,因此本文调速器使用模糊P I D控制.模糊P I D控制的原理是根据输入变量误差e(t)和误差变化率ec(t),实时输出参数KP、KI、KD来更新控制参数KP、KI、KD,从而达到更好的控制效果且能提高系统稳定性.水轮机中的电液随动系统的传递函数为:TyS()式中,Ty为主接力器反应时间常数.汽轮机中油动机的传递函数为:TsS()式中,Ts为油动机时间常数.原动机模型 水轮机及其引水系统模型水轮机及其引水系统数学模型反映导叶开度和输出机械功率之间的动态关系.水轮机的调速性能会受到水惯性效应的强烈影响.本文所研究的负荷波动为小波动,此时运用理想水轮机的刚性水锤模型.其传递函数为:PmYs TWsTW()式中,TW为水轮机惯性时间,其典型值是s.汽轮机模型()无再热汽轮机.无再热汽轮机数学模型反映的是机械功率变化量和阀门开度引起的蒸汽改变量的关系,因此无再热汽轮机的传递函数为:PmPVTS()式中,T为容积时间常数.()再热汽轮机.在再热汽轮机中,采用了蒸汽再热循环措施,即在汽轮机中安装了再热器.再热汽轮机的传递函数为:PT(s)PV(s)C TRS(TS)(TRS)()式中,C为蒸汽在高压汽缸段里产生的功率占总功率的比例;TR为再热时间常数.发电机及负载模型本文研究系统频率稳定性需要电力系统建模,故采用高阶发电机模型.S i m u l i n k中已有封装好的五阶同步发电机电机模型和静态负荷.励磁系统模型本文研究与频率密切相关的各个模块系统模型,虽然发电机励磁系统不是频率最主要的影响因素,但是励磁系统对频率稳定性也存在着影响.本文选用S i m u l i n k中的励磁系统模型.独立控制区域系统仿真模型把一个区域内的模型最大程度地细化,将火电机组分为再热机组和无再热机组.由于系统中所有机组的频率均是统一的,因此仿真中将各机组原动机总输出的机械功率变化量作为该区域发电机总的输入来判断该区域的频率变化量,继而研究水电机组容量占比对系统频率的稳定性影响.对独立控制系统频率稳定性分析示意图如图所示.图独立控制区域系统仿真模型此外,实际系统中部分模块拥有死区环节和饱和环节,因此在模型中加入了死区模块和饱和模块,以使仿真结果与实际情况更符合.仿真分析设在以上搭建的独立的控制区域中,系统总装机容量电工技术电力自动化为 MVA,频率为 H z.水电机组和火电机组特性有差异,取水轮机组b p ,无再热汽轮机R ,再热汽轮机R .引入无再热汽轮机、再热汽轮机、水轮机容量比例系数分别为K、K、K.假设该区域在s时刻发生一个 的负荷增量.P I D控制器仿真比较从图可以看出,相较于传统P I D,模糊P I D控制器调节时间更短,且振荡幅度明显下降,调频效果更好,能提高稳定性,因此本文使用模糊P I D控制器.图传统P I D与模糊P I D控制器的仿真曲线图 火电机组再热机组容量占比不同对该区域频率稳定性能的影响水电机组容量占比不变(K),取组火电机组再热机组容量不同比例参数,研究对一次调频效果及频率稳定性能的影响.运行后的仿真结果如图所示.图水电容量占比 情况下再热机组容量占比不同时系统频率响应曲线图仿真结果表明,在水电机组容量占系统容量 的情况下,再热机组容量占比越重,系统频率稳定值越低,频率稳定性能变差,但影响程度较小;然而频率振荡幅度明显下降,且加速了一次调频,很大程度改善了一次调频的速动性.增大水电机组容量占比(K),进一步研究水电机组容量变大的情况下,再次改变再热机组容量占比对一次调频性能及频率稳定性能的影响.运行后的仿真结果如图所示.图水电容量占比 情况下再热机组容量占比不同时系统频率响应曲线图仿真 结 果 表 明,水 电 机 组 容 量 占 总 系 统 容 量 变 大()情况下,增加再热机组容量占比,频率 首 次 下降最低值变大外,频率恢复时间及其振荡幅度依旧有着明显的降低,频率稳态值下降幅度变大,频率稳定性能降低.因此,从图、图仿真结果比较可以得出,再热机组容量比重的不同对系统的频率静态特性有轻微的影响,且随着水电机组容量占比的增大,其影响程度变大;但随着水电机组容量越大,除频率首次下降最低值有变大外,一次调频特性几乎没有改变.水电机组容量占比的不同对该区域频率稳定性能的影响取水电机组的容量占该区域内机组总容量的、,有无再热机组容量占比相同,运行后的频率仿真结果如图所示.图有无再热机容量占比相同情况下水电容量占比不同时系统频率响应曲线图根据图可知,在有无再热容量占比相同的情况下,虽然水电机组容量占比不同,但是系统频率稳定值几乎相同,对频率稳定性基本无影响;水电机组占比越小,一次调频效果更好,时间更短,且振荡幅值较小.取组水电机组容量比为、,使再热机组容量高于无再热机组容量,运行后的仿真结果如图所示.图再热机组容量大于无再热机组容量情况下水电容量占比不同时系统频率响应曲线图根据图可知,再热机组容量高于无再热机组容量时,水电容量占比越大,系统频率稳定性能越好,但差值不是很大;水电机组容量占比越大,调节时间越长,频率超调越高,若参数调整不合理,则极不易满足一次调频的要求.结语本文首先比较了传统P I D和模糊P I D控制器的特性,然后仿真分析了在相同的小波动负荷扰动下,再热汽轮机电力自动化电工技术 容量占比的不同对一次调频性能和系统频率静态稳定性的影响,最后仿真了在再热机组容量占比不同情况下,水电机组容量占比不同对一次调频性能和系统频率静态稳定性的影响,因此可以得出以下结论.()模糊P I D控制器可以根据工况实时改变参数,能更好地控制系统,提高系统的稳定性.()相同的小波动负荷扰动下,再热汽轮机容量比重的不同对一次调频的速动性和振荡幅值有着较大的影响,但对系统频率静态稳定性的影响较小;随着水电机组容量占比增大,再热汽轮机容量升高对系统频率静态稳定性的影响加强.()再热机组容量等于无再热机组容量时,水电机组容量比重越大,系统频率越易大幅值振荡,但频率稳定性基本不变.()再热机组容量大于无再热机组容量情况下,水电机组容量比重越大,会出现更大的超调,而且大大增加了频率恢复时间,影响一次调频的速动性,但是提高了系统频率的稳定性.()系统在满足一次调频速动性性能指标的要求下,水电机组容量占比越大,系统静态频率越稳定,应当加重水电机组容量占比.参考文献 吴道平,鄢波,刘冬,等适用于水电机组的改进滑模控制策略研究J水力发电学报,():巨金栋水电机组容量占比对一次调频性能及系统稳定性的影响D西安:西安理工大学,叶健忠,邹俊雄,龙霏,等地区电网火电机组孤网运行频率控制策略研究J电力系统保护与控制 ,():单振辉基于MA T L A B水轮机调节系统研究及仿真D南昌:南昌工程学院,汤可怡大型机组一次调频控制策略优化D南京:东南大学,肖洋,刘伟,王官宏,等水轮机调速系统源网协调问题研究J电网技术,():唐耀华,郭为民,崔杨水火电机组频率控制策略研究J中国电力,():,I CR e p o r t D y n a m i cm o d e l sf o rs t e a ma n dh y d r ot u r b i n e si np o w e rs y s t e ms t u d i e sJ I E E ET r a n s a c t i o n so nP o w e rA p p a r a t u sa n dS y s t e m s ,():王媛互联电网运行与控制仿真系统的研制D大连:大连理工大学,(上接第 页)检机器人自主越障运动控制方法J机床与液压,():桂前进,姚昕,汪李来,等基于分层有限状态机的检修工作票智能 防 误 技 术 J合 肥 工 业 大 学 学 报(自 然 科 学 版),():陈明媛,王钧,周智成,等基于S u mo fS q u a r e s分解技术的电力系统鲁棒综合控制方法J电机与控制应用,():田芳,周孝信,史东宇,等基于卷积神经网络的电力系统暂态稳定预 防 控制 方法 J电力 系 统保 护与 控 制,():郝广涛,韩学山,梁军,等传统电力系统和高比例可再生能源电力系统调度与控制方法综述J电力系统及其自动化学报,():于国星,宋蕙慧,马广富,等含海上风电场的V S C MT D C系统参与 电 网 调 频 的 顺 序 控 制 方 法 J电 力 系 统 自 动 化,():电工技术电力自动化