陳  文1，吳  迪2，陶  騫1，崔一鉑1，游  力1

　?。?.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國電科學(xué)技術(shù)研究院武漢分院，湖北 武漢 430077）

　　摘  要： 提出將發(fā)電機(jī)靜態(tài)頻率特性引入機(jī)組調(diào)差系數(shù)設(shè)置的一次調(diào)頻方法，然后建立其模型并利用Matlab仿真軟件對模型進(jìn)行計算分析。結(jié)果表明，引入發(fā)電機(jī)靜態(tài)頻率特性的一次調(diào)頻模型的系統(tǒng)穩(wěn)定性要好于常規(guī)的一次調(diào)頻模型。

　　關(guān)鍵詞： 發(fā)電機(jī)；靜態(tài)頻率特性；一次調(diào)頻；調(diào)差系數(shù)

0 引言

　　發(fā)電機(jī)組在參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的過程中，一般采用統(tǒng)一的機(jī)組調(diào)差系數(shù)，其目的是維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[1]。但當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，不同機(jī)組的功率變動幅度是不同的，采用統(tǒng)一的機(jī)組調(diào)差系數(shù)可能會對機(jī)組輸出有功穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響[2]。因此本文提出將發(fā)電機(jī)靜態(tài)頻率特性引入機(jī)組調(diào)差系數(shù)設(shè)置，即在設(shè)置機(jī)組調(diào)差系數(shù)時，考慮發(fā)電機(jī)組輸出功率隨頻率波動時的正常變化幅度的機(jī)組特性。本文根據(jù)上述思路建立了一次調(diào)頻模型并給出傳遞函數(shù)，利用Matlab仿真軟件對模型的傳遞函數(shù)進(jìn)行計算分析。結(jié)果表明，引入發(fā)電機(jī)靜態(tài)頻率特性的一次調(diào)頻模型的系統(tǒng)穩(wěn)定性要好于常規(guī)的一次調(diào)頻模型。

1 調(diào)差系數(shù)

　　調(diào)差系數(shù)δ也稱轉(zhuǎn)速不等率，它表示同步發(fā)電機(jī)組輸出功率發(fā)生變化時相應(yīng)的頻率（轉(zhuǎn)速）偏移，其倒數(shù)KG稱為發(fā)電機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率，即當(dāng)頻率下降或上升1Hz時發(fā)電機(jī)增發(fā)功率或減發(fā)功率的值，即：

　　KG=1/δ=-ΔPG/Δf(MW/Hz)（1）

　　KG中的負(fù)號表示發(fā)電機(jī)輸出功率與系統(tǒng)頻率變化的方向相反，其大小是可以整定的。KG越大（或δ越?。?，說明頻率發(fā)生變化時，機(jī)組輸出功率的變化越大[3]。但是受機(jī)組調(diào)速機(jī)構(gòu)的限制，機(jī)組調(diào)差系數(shù)有一定的限制范圍，一般為：

　　汽輪發(fā)電機(jī)：δ=0.04～0.06，KG=25～16.7

　　水輪發(fā)電機(jī)：δ=0.02～0.04，KG=50～25

2 發(fā)電機(jī)靜態(tài)頻率特性

　　系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，機(jī)組在調(diào)速系統(tǒng)作用下，其輸出功率P與系統(tǒng)頻率f的變化方向相反（如圖1所示），這種反映機(jī)組輸出功率P和系統(tǒng)頻率f之間關(guān)系的曲線稱為發(fā)電機(jī)靜態(tài)頻率特性，其斜率m反映了發(fā)電機(jī)輸出功率隨系統(tǒng)頻率波動的變化幅度[4]。

3 一次調(diào)頻模型

　　3.1 常規(guī)的一次調(diào)頻模型

　　汽輪發(fā)電機(jī)常規(guī)的一次調(diào)頻方式的控制流程為：當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，機(jī)組根據(jù)調(diào)差系數(shù)將電網(wǎng)頻差信號轉(zhuǎn)換為負(fù)荷偏差信號，隨即發(fā)送到DEH（Digital Electric Hydraulic Control System，汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)）使汽輪機(jī)調(diào)閥立即動作，實現(xiàn)機(jī)組有功出力的瞬時補(bǔ)償；同時發(fā)送至CCS系統(tǒng)（Coordinated Control System，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)）使鍋爐能夠及時響應(yīng)并維持對機(jī)組出力的調(diào)節(jié)[5]。

　　在上述一次調(diào)頻方式的基礎(chǔ)上，建立M臺同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的一次調(diào)頻模型如圖2所示。其電網(wǎng)頻率φs(s)對于電網(wǎng)負(fù)荷PL(s)的傳遞函數(shù)φ1(s)為：

　　圖中PL(s)為負(fù)荷的傳遞函數(shù)，αi為電網(wǎng)中第i臺機(jī)組裝機(jī)容量占全網(wǎng)裝機(jī)容量的百分比，δi為電網(wǎng)中第i臺機(jī)組的調(diào)差系數(shù)，Gi(s)為第i臺汽輪機(jī)的傳遞函數(shù)，PTi(s)為第i臺同步發(fā)電機(jī)的功率偏差值，PTΣ(s)為M臺同步發(fā)電機(jī)的功率偏差值，TαΣ為電網(wǎng)的慣性時間常數(shù)；βs為電網(wǎng)負(fù)荷的頻率特性系數(shù)；φs(s)為電網(wǎng)的頻率變化[6]。

　　3.2  考慮發(fā)電機(jī)靜態(tài)頻率特性的一次調(diào)頻模型

　　由圖1可知，不同的發(fā)電機(jī)組的靜態(tài)頻率特性不盡相同，其斜率m也不同。因此在考慮發(fā)電機(jī)組輸出功率隨頻率波動時的正常變化幅度的機(jī)組特性的情況下，利用機(jī)組本身的靜態(tài)頻率特性曲線的斜率m對該機(jī)組的調(diào)差系數(shù)δ進(jìn)行適當(dāng)修正。

　　考慮發(fā)電機(jī)靜態(tài)頻率特性的M臺同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的一次調(diào)頻模型如圖3所示。其電網(wǎng)頻率φs(s)對于電網(wǎng)負(fù)荷PL(s)的傳遞函數(shù)φ2(s)為：

　　其中mi為第i臺同步發(fā)電機(jī)的靜態(tài)頻率特性曲線的斜率。

4 仿真分析

　　利用Matlab軟件對上述兩種一次調(diào)頻模型進(jìn)行仿真計算，并對其系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析比較。

　　4.1 仿真模型

　　設(shè)定系統(tǒng)中有4臺不同容量的汽輪發(fā)電機(jī)組，其裝機(jī)容量、調(diào)差系數(shù)如表1所示。

　　采用現(xiàn)階段相同容量的主力汽輪發(fā)電機(jī)組的典型參數(shù)對各機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

　　設(shè)4臺汽輪機(jī)組傳遞函數(shù)分別為：

　　調(diào)速器傳遞函數(shù)為：

　　汽輪發(fā)電機(jī)靜態(tài)頻率特性曲線的斜率分別為：

　　m1=0.01，m2=0.01，m3=0.013，m4=0.015  （9）

　　電網(wǎng)的轉(zhuǎn)動慣量采用機(jī)組轉(zhuǎn)子飛升時間常數(shù)的實際值：

　　Tα=14s（10）

　　βs=2.6（11）

　　4.2  模型計算

　　將式（4）~式（11）分別帶入式（2）、式（3），化簡計算后得到傳遞函數(shù)φ1(s)、φ2(s)的特征根如表2所示。

　　4.3 結(jié)果分析

　　（1）傳遞函數(shù)φ1(s)、φ2(s)的全部特征根都具有負(fù)實部。根據(jù)線性系統(tǒng)穩(wěn)定的相關(guān)理論，控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是系統(tǒng)的特征方程式的根全部都具有負(fù)實部。因此這兩種一次調(diào)頻模型都能保證系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。如圖4所示。

　?。?）傳遞函數(shù)φ1(s)有16個共軛極點(diǎn)，傳遞函數(shù)φ2(s)有12個共軛極點(diǎn)。對于高階系統(tǒng)而言，共軛極點(diǎn)對應(yīng)的是衰減振蕩的程度，在瞬態(tài)響應(yīng)過程中，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定指標(biāo)由衰減振蕩的程度決定，即共軛極點(diǎn)個數(shù)越多，系統(tǒng)振蕩次數(shù)越多，衰減就越慢。因此，引入發(fā)電機(jī)靜態(tài)頻率的一次調(diào)頻模型的系統(tǒng)穩(wěn)定性要好于常規(guī)的一次調(diào)頻模型。如圖5所示。

5 結(jié)束語

　　由上述分析過程可知，將發(fā)電機(jī)靜態(tài)頻率特性引入機(jī)組調(diào)差系數(shù)設(shè)置，即滿足機(jī)組輸出功率隨頻率波動時的正常變化幅度的機(jī)組特性，又能進(jìn)一步提高一次調(diào)頻過程中系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，說明這種方法在理論計算上是可行的，可通過現(xiàn)場試驗對上述方法進(jìn)一步加以驗證和完善。

參考文獻(xiàn)

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