一种用于频率紧急控制的水电机组出力快速调节方法与流程

本发明属于电力系统自动化技术领域，具体而言，本发明涉及一种用于频率紧急控制的水电机组出力快速调节方法。

背景技术：

频率稳定是电力系统安全稳定运行的重要因素，它反映了电力系统中有功功率供需平衡的基本状态。在正常运行状态下，系统发电量和负荷保持动态平衡，频率维持在正常运行范围之内。然而，在系统出现较大功率缺额或过剩时，例如重要联络线路突然断开，系统分裂为数个孤岛，电力系统频率将发生较大波动，将会给发电机组和系统的安全运行带来极为严重的后果。随着水电的开发，我国在西南地区已经形成了水电汇集高占比外送电网，大量水电通过交流和直流通道外送，若任一回直流双极闭锁后安控拒动，输电断面失步解列动作导致区域电网孤网运行，极易造成区域电网频率飞升，导致发电机组连锁跳闸。

目前，电网频率紧急控制方法主要有两种：一是依靠传统的一次调频技术，通过调速系统自动调节频率，但是其适用范围有限，一般只适用于较小比例的功率失衡情况。为提高传统一次调频方法的控制范围，有学者提出了孤网时自动切换pid参数的方法，该方法在区域电网孤网运行时通过切换pid参数，提高调速系统的调节能力，能在一定程度上提高传统一次调频方法的适用范围，但对不同的发电机组不同的工况需要设置不同pid参数，pid参数设置十分困难。另外，利用二次设备实施紧急控制或校正控制是目前在电网发生故障或频率出现异常时最为常用的控制方法，主要控制手段有紧急切机、高频切机等，但这类方法控制经济代价较大，且易出现超调现象。

技术实现要素：

本发明的目的是：为克服传统频率调节控制不适应严重故障，传统紧急控制控制代价大等不足，提出了一种用于频率紧急控制的水电机组出力快速调节方法。

具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的，包括下列步骤：

1)对水电汇集高占比外送电网送出通道进行监测，当水电汇集高占比外送电网送出通道发生故障时进入步骤2)，所述故障包括外送通道断开、外送直流闭锁、外送断面解列和其他能够造成区域电网频率飞升的故障；

2)判断是否启动快速调节模式，若不启动则结束本方法，否则进入步骤3)；

3)确定水电机组水门调节目标值，并给水电机组调速系统发送启动快速节指令和功率调节目标值；

4)水电机组调速系统接收到启动快速节指令和功率调节目标值后，将液压伺服系统接收的调门指令由pid调节系统切换至快速调节系统，快速调节水门开度；

5)在调节过程中实时计算在快速调节系统指令下的水门开度(记为g1)，并实时监测实际水门开度(记为g2)，当g1＜g2或dg1/dt＞0时，将液压伺服系统所接收的调门指令由快速调节系统切换回pid调节系统，本方法结束。

进一步而言，所述步骤2)中，判断是否启动快速调节模式，是判断区域电网甩负荷率是否超过事先所设置的门槛值ε，如超过则启动快速调节模式，甩负荷率η计算公式如下：

其中，pg为区域电网内发电机组实际出力，pout为损失的外送功率。

进一步而言，所述步骤3)中，确定水电机组水门调节目标值，是通过事先离线仿真制定相应的紧急控制策略表，在故障发生后查询该紧急控制策略表确定水电机组水门功率调节目标值。

本发明的有益效果如下：本发明在水电汇集高占比外送电网送出通道发生故障时直接给调速系统下发调节水门指令，调速系统接收到命令后将液压伺服系统接收的调门指令由pid调节系统切换至快速系统，并充分利用液压伺服系统允许的最大关闭速度快速调节水门开度，快速降低水电机组有功出力至目标值，抑制频率飞升；在达到快速抑制频率飞升的目的后，将液压伺服系统接收的调门指令自动切换回pid调节系统，避免出现超调现象。本发明可用于水电汇集高占比外送电网送出通道发生故障时，抑制电网频率飞升，降低电网频率出现超调的风险，改善电网频率的稳定性，提高电网运行的经济性和安全性。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为水电外送典型系统示意图。

图3为不同情况下液压伺服系统调门指令选取示意图。

图4为不同调门指令下的水门开度。

图5为传统频率控制和本发明方法仿真结果对比示意图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

实施例1：

本发明的一个实施例，其应用环境为如图2所示的水电外送典型系统，该系统中水电机组g1的部分有功功率经变压器t1通过外送通道输入主网。其中g1的额定功率为200mw，实际出力200mw，本地负荷变化范围为140～180mw。

该系统的调速系统如图3所示，包括快速调节系统、pid调节系统、液压伺服系统和水轮机4部分，调速系统接受安控系统下发的各项指令。在正常运行时，液压伺服系统接受pid调节系统的调门指令，在故障运行时，液压伺服系统接受快速调节系统的调门指令。快速调节系统能够充分利用液压伺服系统允许的最大关闭速度快速调节水门开度。调速系统分别工作在开度模式和功率模式。一般功率调节方法只适用于调速系统工作在功率模式，而本实施例的调节方法可适用于开度模式和功率模式。

本实施例通过仿真实现对水电机组出力快速调节方法，其过程如图1所示。

图1中步骤1描述的是，对水电汇集高占比外送电网送出通道进行监测，当水电汇集高占比外送电网送出通道发生故障时进入步骤2)，所述故障包括外送通道断开、外送直流闭锁、外送断面解列和其他能够造成区域电网频率飞升的故障。

本实施例在仿真时，本地负荷分别选取140、160和180mw，在10s时送出通道无故障跳闸，造成区域电网频率飞升，进入步骤2)。

图1中步骤2描述的是，判断是否启动快速调节模式，若不启动则结束本方法，否则进入步骤3)。判断由安控系统实现。

判断是否启动快速调节模式，是判断区域电网甩负荷率是否超过事先所设置的门槛值ε，如超过则启动快速调节模式。不同的电网，所设置的门槛值可能不一样，一般在5％～10％之间。甩负荷率计算公式如下：

其中，pg为区域电网内发电机组实际出力，pout为损失的外送功率。

本实施例所设置的甩负荷率门槛值为7％，根据式(1)计算区域电网甩负荷率分别为30％、20％和10％，均超出所设置的阈值7％，因此3种情况下均需启动快速调节模式，进入步骤3)。

图1中步骤3描述的是，确定水电机组水门调节目标值，并给水电机组调速系统发送启动快速节指令和功率调节目标值。确定由安控系统实现，具体为事先离线仿真制定相应的紧急控制策略表，在故障发生后查询该紧急控制策略表确定水电机组水门功率调节目标值。

本实施例经过大量的离线仿真制定的离线策略表如表1所示，安控系统通过查表确定在甩负荷率分别为30％、20％和10％时所对应的水门调节目标值分别为0.63pu、0.76pu和0.88pu，并下发至水电机组调速系统。

表1

图1中步骤4描述的是，水电机组调速系统接收到启动快速节指令和功率调节目标值后，将液压伺服系统接收的调门指令由pid调节系统切换至快速调节系统，快速调节水门开度，具体切换如图5所示，调速系统接收到安控指令，液压伺服系统接收的调门指令由pid调节系统(指令a)切换至快速调节系统(指令b)，并按照液压伺服系统所允许的最大速率(0.1pu/s)调节水门开度至安控所下发的目标值(甩负荷率30％、20％和10％对应的目标值分别为0.63pu，0.76pu和0.88pu)。

图1中步骤5描述的是，在调节过程中实时计算在快速调节系统指令下的水门开度(记为g1)，并实时监测实际水门开度(记为g2)，当g1＜g2或dg1/dt＞0时，将液压伺服系统所接收的调门指令由快速调节系统切换回pid调节系统，本方法结束。

就本实施例而言，如图4所示，在故障发生后，液压伺服系统接收的调门指令由pid调节系统(指令a)切换至快速调节系统(指令b)，此时在快速调节系统指令下的实际水门开度为g2(点线表示)；在调节过程中实时计算在pid调节系统指令下的水门开度(记为g1，虚线表示)，当g1＜g2或dg1/dt＞0时(甩负荷率30％、20％和10％，调速系统工作在开度模式和功率模式下所对应的切换时间分别为[17.36，19.98,19.19]s，[14.28,15.42,16.62]s)，液压伺服系统所接收的调门指令由快速调节系统(指令b)切换回pid调节系统(指令a)，此时运行方式如图4(a)所示，水门开度如图5中的实线所示，本方法结束。

与传统频率调节方法相比，本实施例对电网频率飞升和超调现象均具有良好的抑制作用，仿真结果如图5和表2所示。其中常规一次调频结果为虚线所示，本发明控制方法结果为实线所示。从比较结果来看，本实施例的调节方式具有更好的调节效果

表2

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。