考虑不同水电比例的多机系统调速器优化策略_杨若朴.pdf

第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol.47 No.2 2023 年 2 月 Power System Technology Feb.2023 文章编号：1000-3673（2023）02-0510-07 中图分类号：TM 712 文献标志码：A 学科代码：47040 考虑不同水电比例的多机系统调速器优化策略 杨若朴1，陈亦平1，李崇涛2，张勇1，佘盛景2，肖亮1（1中国南方电网电力调度控制中心，广东省 广州市 510663；2西安交通大学电气工程学院，陕西省 西安市 710049）Optimization Strategy of Governor for Multi-machine System Considering Different Hydropower Ratios YANG Ruopu1,CHEN Yiping1,LI Chongtao2,ZHANG Yong1,SHE Shengjing2,XIAO Liang1(1.Power Dispatching and Control Center of China Southern Power Grid,Guangzhou 510663,Guangdong Province,China;2.School of Electrical Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,Shaanxi Province,China)ABSTRACT:Ultra-low frequency oscillations are apt to occur in a system with high proportion of hydropower formed on the hydropower DC island or asynchronous interconnection project,threatening the safe and stable operation of the power grid.Firstly,this paper studies the influence of the changes of hydropower ratios on the damping level in the system.Secondly,it analyzes the selection and sensitivity calculation methods of the strong negative damping units in a multi-machine primary frequency system.Finally,the optimization strategy of the multi-machine system governor is proposed.Combined with the transient frequency index,the balance between the stability and the speed of the primary frequency regulation in different hydropower proportional systems is realized,which provides a reference for engineering applications.KEY WORDS:hydropower ratios;primary frequency control;turbine governor parameters;transient frequency evaluation index 摘要：在水电直流孤岛或异步互联工程形成的含高比例水电的大系统中，易发生超低频振荡问题，影响了电力系统的安全稳定运行。首先研究了系统中水电比例的变化对阻尼水平的影响；其次分析了多机一次调频系统中，强负阻尼机组的选择和灵敏度计算方法；最后提出了多机系统调速器优化策略，结合暂态频率指标，实现了不同水电比例系统的一次调频在稳定性和动作速度之间的平衡，并对超低频振荡模式阻尼比的强弱进行了讨论，可为相关给工程应用提供参考。关键词：水电比例；一次调频；水轮机调速器参数；暂态频率评价指标 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1249 基金项目：中国南方电网有限责任公司科技项目(ZDKJXM20200046)。Project Supported by Science and Technology Foundation of China Southern Power Grid(ZDKJXM20200046).0 引言 水电系统作为传统的清洁能源，在我国的能源供给中占有重要地位，近年来水电装机占比持续提升1-3。然而在水电直流孤岛或异步互联工程形成的含高比例水电的大系统中，易发生周期为1020s 的超低频振荡现象，例如在我国的云南异步电网4、藏中电网、西南电网5和北欧电网6均发生过类似的问题。目前认为，水电调速系统在一次调频过程中，会向电网引入一个超低频振荡模式(frequency mode)7，当系统中水电比例较高时，由于水轮机固有的水锤效应，会向该模式提供负阻尼，诱发超低频振荡8-9，影响了电力系统的安全稳定运行。为了消除一次调频过程中的超低频振荡的隐患，文献10-12提出了优化水轮机调速系统参数、加入多种控制器共同调节、优化系统运行方式等多种解决办法。其中优化调速系统参数是较为主流的方法，指通过优化调速器的比例、微分、积分参数以提升系统在超低频段的阻尼，现有文献13-16普遍以水轮机单机阻尼为约束，通过不同的寻优算法寻找最优参数。然而，系统中水电机组的开机比例是随气候、来水、负荷等因素变化的，呈现出“枯少丰余”的特征17，对水轮机单机的优化无法定量地衡量对系统阻尼水平的影响，不能根据系统中水电开机比例有较大变化的典型方式进行灵活调节。此外，在工程实践中，布置运行方式时往往需要对系统进行小干扰计算，确保相关振荡模式阻尼比在合理的范围内，系统安全稳定计算规范中对低频振荡模式阻尼比给出了明确的要求18，即在正常第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 511 运行方式下阻尼比大于 0.03。但是目前对系统超低频振荡模式阻尼比没有统一规定，无法严格界定系统频率小扰动稳定的强弱。所以需要确定系统频率模式阻尼的合理标准，给工程实践提供参考。本文首先研究了在不同水电比例下，系统的阻尼水平的变化；其次为了适应在不同水电比例下，系统的一次调频响应在稳定性和动作性能之间的最优，提出了一种多水轮机调速器参数的优化方法，基于多机一次调频系统状态空间，通过强负阻尼机组筛选和灵敏度分析，对全系统内的水电机组调速器参数进行优化，寻找在不同系统阻尼比下最优的调速器参数，结合暂态频率评估指标，确定合适的系统超低频振荡模式阻尼比。1 不同水电比例对频率小扰动稳定的影响 为研究不同水电比例对系统频率稳定性的影响，建立包含水电和火电的一次调频模型。由于调速系统是电网频率稳定性的主要因素，故假定各发电机转子转速相等，忽略励磁系统，考虑负荷的静态模型，系统一次调频模型如图 1 所示。s1T s 图 1 含水电、火电的一次调频简化模型 Fig.1 Simplified model of primary frequency control with hydropower and thermal units 图 1 中：Ta和Ha代表火电和水电机组的占比；JT表示系统总惯量；为系统转速；ref为标称转速。原动系统的作用原理是将转速偏差通过调速器反映到原动机的阀门开度上，进而改变原动机的输出机械功率，则机械功率变化量为 mm(s)()PG(1)式中：ref；m(s)G为调速系统传递函数。根据复转矩系数法的基本思想，将振荡频率d代入m(s)G，并在坐标系中可分解为 mmdDmSm(j)()(j)()PGKK(2)式中：DmK为调速系统阻尼转矩系数，数值为正时原动系统提供正阻尼，有利于振荡衰减；SmK为机调速系统的同步转矩系数。为了论述方便首先进行简化分析，以确定不同振荡频率下mP在相平面的大致位置，只考虑调速器的调差性能并忽略延迟环节，通用的简化发电机调速系统模型，其中调速系统采用通用的简化发电机调速系统模型如图 2 所示。ba11+sTsTg11+sTp1b s 图 2 通用的简化调速系统模型 Fig.2 General simplified governor system 图 2 中：bp为调差系数；Tg表示电液伺服系统的时间常数；Ta、Tb为原动机环节的时间常数，则有：bmpga111()11+T sPbT sT s(3)当系统中发电机组全为火电机组时，此时调速系统中的aCHTT，b0T(CHT为主进气容积效应时间常数)19-20，代入阻尼转矩中可得火电调速系统的阻尼转矩系数Dm,TK为 2CHgdDm,T2222pgdCHd11(1)(1+)TTKbTT(4)令Dm0K，可得 d1CH g1T T(5)式中：d1称为分界频率，此时调速系统在该频率下相位滞后 90；当系统振荡频率d高于分界频率d1时，Dm0K，调速系统提供负阻尼；当系统振荡频率d低于分界频率d1时，Dm0K，调速系统提供正阻尼。以某火电机组的典型参数试算，CH0.2Ts，g0.2T s，代入计算可以得到分界频率为d1d1/20.796fHz。而由于电力系统频率振荡的振荡频率通常小于 0.796Hz，因此在超低频段火电机组的调速系统通常提供较大的正阻尼。考虑发电机组为水电机组的情况，此时aw0.5TT，bwTT(wT为水启动时间常数)21，代入可得 22wgwdDm,H2222pgdwd1(1.50.5)1(1)(1+0.25)T TTKbTT(6)同样地，可以得到水电机组调速系统的分界频率为 2wwdg11.50.15T TT(7)以某水电机组的典型参数试算，w2sT，g2sT，代入计算可以得到分界频率为d1d1/f 20.0563Hz，对于频率振荡，当振荡频率高于分界频率，水电机组调速系统提供负阻尼；当振荡频率低于分界频率，水电机组调速系统提供正阻尼。为了研究水电占比对系统小干扰频率稳定的影响，考虑系统中同时存在水电和火电机组，分别变化水、火电机组的占比，研究等值机的调速系统512 杨若朴等：考虑不同水电比例的多机系统调速器优化策略 Vol.47 No.2 的阻尼转矩与频率模式的变化。当系统中同时存在火电机组和水电机组时，图 1 调速系统的阻尼转矩系数为 DmTDm,THDm,HKa Ka K(8)根据式(8)进行计算，图 3 给出了不同水火电比例下系统阻尼转矩系数的曲线。图 3 不同水火电比例下系统阻尼转矩系数 Fig.3 Damping torque of system under different hydro thermal power ratio 表 1 中给出了不同水火电比例下系统频率模式的计算结果。从表中可以看出，随着水电机组比例的增加，超低频振荡模式的阻尼不断减小，频率逐渐升高。当水电机组占比超过 60%时，等值机调速系统的阻尼转矩系数由正转负，意味着调速系统在该频段提供负阻尼，此时超低频振荡模式的阻尼比也由正变负，系统有超低频振荡风险，阻尼转矩分析的结果与小干扰计算结果一致(根轨迹见附录)。表 1 不同水火比例下复转矩系数和频率模式计算结果 Table 1 Calculation results of complex torque coefficient and frequency mode 水电占比/%超低频振荡模式 KDm 特征值 频率/Hz 阻尼比 10 0.7059+0.2697i 0.0429 0.9341 177.556820 0.6254+0.5101i 0.0812 0.7749 133.082030 0.4782+0.691i 0.11 0.