电网解列下调速系统功率反调抑制策略及建模仿真研究

焦春雷， 祁晓笑， 朱建华

(国网新疆电力公司电力科学研究院，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830011)

电网解列下调速系统功率反调抑制策略及建模仿真研究

焦春雷， 祁晓笑， 朱建华

(国网新疆电力公司电力科学研究院，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830011)

新疆作为重要的送端电网，频率稳定问题尤为突出，对推动“疆电外送”能源战略造成重大影响，送端电网特别是弱系统送端电网频率稳定问题值得深入研究。首先从理论上分析了反调现象产生的机理以及反调对解列区域电网的影响，提出了发电机负荷突变开始时刻屏蔽干扰抑制功率反调策略，并搭建了仿真模型，最后以新疆区域电网解列为例，仿真验证了施加抑制策略后的效果,所论述的抑制措施在调速系统参数整定中值得借鉴。

电网解列;反调;频率稳定;负荷突变;转速微分

0 引 言

发电机组调速系统的一次调频是孤岛电网频率控制的主要手段，目前新疆地区电网与主网解列后，孤网主要依靠内部机组进行频率调节，因此调速系统的调频能力直接影响电网的频率稳定性。通过理论分析及国内多次事故分析表明，大多数机组均存在不同程度的反调，它不仅对系统甩负荷时的转速飞升带来不良的影响，而且对电网发生事故时的稳定性也是不利的。文献[1]分析了前馈开环控制特性使一次调频初期出现“反调”，并引发过程振荡，闭环控制特性则使一次调频静态调节能力下降，但未给出合适的参数调整方法。文献[2] 研究了原动机与调速器建模在云南电网稳定分析中应用研究，主要研究调速系统建模方法但未考虑系统的反调特性。文献[3] 将反馈微分博弈应用于电力系统频率控制中，较好解决了一二次调频冲突的问题。文献[4]证实了有功型PSS的反调特性，并提出对应的对策，但没有涉及调速系统的反调特性分析。文献[5] 基于实时数字仿真系统对PSS1A，PSS2B，PSS4B电力系统稳定器模型抑制反调的效果进行了验证和比较，指出合理的参数配置可以减小反调的发生。文献[6]阐述了加入转速微分校正环节和加入负的功率微分校正环节两种方法来抑制调速系统反调，由于引入转速或功率微分信号，就需要对微分信号的放大倍数进行整定，这个参数不太好整定。文献[7-8]均研究了直流孤岛系统下调速器的频率控制特性，但未对交流电网孤网下调速器稳定问题进行分析。

综合上述文献，本文重点分析调速系统调节过程中产生反调的机理，阐述了发电机负荷突变开始时刻屏蔽干扰抑制功率反调的方法，并利用建模仿真的方法研究了反调对交流孤网频率的影响以及所提方法对反调的抑制效果。

1 电网解列下调速系统的反调现象

目前国内主流的汽轮机调速系统为功频电液调速器。功频系统有两种：一种是以测量汽轮机功率作为功率信号，另一种是以测量发电机功率作为功率信号。图1为典型的电液调节系统控制图。

图1 电液调节系统控制图

汽轮发电机突然甩去全负荷，则汽轮机转速迅速上升，关小调节阀，减少汽轮机功率，最后建立起新的平衡。甩负荷时发电机负荷信号PE、转速信号ω、和汽轮机功率信号PT的变化曲线如图2所示。由图2可以看到，由于转速的变化是发电机负荷变化所引起的，所以转速信号的变化ω落后于发电机负荷信号PE；而汽轮机功率的变化又是由于转速的变化引起的，所以汽轮机功率信号PT变化又落后于转速ω的变化。

对于以汽轮机功率作为功率信号的系统，由于汽轮机功率信号始终落后于转速信号，甩负荷后二者之差始终为正，所以不可能出现反调，而对于以发电机功率作为功率信号的系统，转速信号落后于发电机功率信号，甩负荷后初始阶段二者之差为负值，它将使调节汽阀开大而不是关小，因此会出现反调现象，反调效应示意图如图3中a处所示。

图2 甩负荷时状态量变化

图3 反调效应的示意图

由于汽轮机功率难以测量，实际应用中常采用发电机功率信号代替汽轮机功率信号，两者在稳态时无差异，但在动态差异较大。应用发电机功率代替汽轮机功率，即外扰负信号参与汽轮机的调节，在发电机突增、突减负荷时将出现功率反调。反调现象的出现对机组及电力系统的安全运行带来很大的危害。

2 抑制功率反调策略研究

2.1 负荷突变开始时刻屏蔽干扰抑制反调策略

调速系统负荷控制器的偏差e输入由以下方程式：

e=Pref+kΔω-PE

(1)

式中Pref为汽轮机功率给定指令；kΔω为调频控制器输出。

当发电机负荷PE发生突变时，汽轮机功率给定指令Pref没有发生改变，调频控制器的输出kΔω小于发电机负荷突变量ΔPE，由于二者符号相反，所以负荷控制器的偏差输入e与发电机负荷突变量ΔPE符号相同，发电机负荷突变量ΔPE在一开始就引导负荷控制PID向错误的方向调节，这也就是引起汽轮机功率反调的原因。经过一段时间后调频控制器的输出kΔω大于发电机负荷突变量ΔPE，负荷控制器的偏差输入e与调频控制器的输出kΔω符号相同，引导负荷控制器PID向正确的方向调节。

当发电机负荷PE刚发生突变时，偏差输入e为反方向最大的时刻，如果从此时刻开始强制偏差输入e=0，那么负荷控制器PID就会保持输出不变，就能抑制功率反调，并且此时的抑制效果最明显。随着时间推移，偏差输入e从反方向最大向0逼近，只要在偏差输入e为反方向的这段时间里面，强制偏差输入e=0，就能抑制功率反调。

当偏差输入e变为正方向时，取消强制效果，使负荷控制器PID按照偏差输入e正确调节。

在对偏差输入e进行强制的这段时间里，由于调频控制器输出作用于负荷控制器PID之后，所以在这段时间里，调速系统本身没有静止不动，并且调节的作用方向还是正确的。这样就很好的解决了反调问题。

图2中e=Uω-UPE，在T0时刻，Uω-UPE<0且|Uω-UPE|为负数时的最大值，此时，如果强制e=0，则抑制反调效果最明显；在T0到T1这段时间，e=Uω-UPE<0但逐渐减少到0，抑制反调效果逐渐减弱，如果这段时间保持e=0，则彻底的消除了反调干扰；在T1时刻之后，e=Uω-UPE<0，取消强制作用，使e作用于负荷控制器PID。

由此可见，采用本方法整定参数时，主要是确定T0到T1这段时间长度，由于在前期T0抑制反调效果最明显，所以在工程实践中只要时间整定参数能覆盖大部分T0到T1的时间长度就可以。

2.2 发电机负荷突变开始时刻屏蔽干扰抑制功率反调策略实现

本文所提的策略主要整定参数是从T0到T1的时间长度，而在T0时刻抑制反调效果最明显，所以即使这个时间参数整定的不太精确，只要调速系统能够从T0时刻开始抑制反调，在T1时刻附近结束，那么就能达到很好的效果。该方法只在发电机负荷发生突变时短时生效，在其他时间段中对原有调速系统控制策略没有影响，整定后的时间参数可以在其他工程实施中借鉴，通用性强。

本方法主要分三个步骤进行：

①识别由发电机外部负荷变化引起的负荷突变量；

②判断发电机负荷突变量是否超出设定值；

③当发电机负荷突变量第一次超出设定值时，负荷控制器在设定时间内输出保持不变，在设定时间外根据负荷控制器输入进行调节；当发电机负荷突变量没有超出设定值或者在规定时间内非第一次超出设定值时，负荷控制器根据负荷控制器输入进行调节。

电力系统分析综合程序[9](PSASP)设计了功能强大的用户自定义(UD)建模方法，提供了自行建模来研究电力系统新装备、新装置的得力工具[10-12]。在调速器数学仿真模型[13-14]的基础上叠加如图4所示逻辑框图来实现通过发电机负荷突变开始时刻屏蔽干扰抑制功率反调。其中逻辑图中PG代表发电机功率信号，e代表负荷控制器偏差输入，PID代表负荷控制器，该方法在PSASP中的实现主要是在e和PID之间加入了附加控制。

图4 增加紧急汽门控制后的调速器

3 解列电网下反调抑制控制策略仿真

图5为新疆地区电网的网架图。以伊犁地区电网解列为例，进行反调抑制策略仿真，仿真中机组励磁系统模型、调速器模型均采用实测参数，其中在自定义调速器模型的基础上叠加反调抑制控制策略进行仿真，得到系统暂态响应曲线对比如图6和图7，采用反调措施后，暂态过程中发电机功率突变减小、频率稳定性提高。

图5 新疆地区电网的网架图

图6 加入抑制反调措施前后的发电机功率曲线

图7 加入抑制反调措施前后的孤网频率

4 结束语

本文针对当前功频电液调速器控制系统普遍存在的反调问题，从理论上分析了反调现象产生的机理以及反调对解列区域电网的影响，提出了发电机负荷突变开始时刻屏蔽干扰抑制功率反调策略，最后以新疆区域电网解列为例仿真验证了发电机调速系统采用反调抑制措施后，孤网内发电机的暂态过程中功率突变减小、频率稳定性提高。本文得到以下几点结论：

(1)调速器控制系统中采用发电机功率信号代替汽轮机功率信号是发电机产生反调的根本原因，本文所论述的方法仅仅是抑制反调，从根本上解决反调的方法是机械功率实测。

(2)通过区域电网解列后频率稳定性仿真研究，发电机负荷突变开始时刻屏蔽干扰抑制功率反调的方法具有较好的抑制效果。

(3)对于易发生电网解列的区域电网，调速器反调现象更容易诱发严重的频率稳定问题，本文所论述的抑制措施在调速系统参数整定中值得借鉴，尤其适应于新疆弱送端电网的发电机组。

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[ 2 ] 王林莽．原动机与调速器建模在云南电网稳定分析中应用研究[D]．北京：华北电力大学，2012．

[ 3 ] 卢润戈，陈皓勇，叶荣,等．电力系统一二次调频的反馈微分博弈协同控制[J]．控制理论与应用,2014,31(9):1182-1189.

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A Research on the Power Anti-regulation Suppression Strategy for the Speed Regulation System in Case of Grid Splitting

Jiao Chunlei, Qi Xiaoxiao, Zhu Jianhua

(Electric Power Research Institute, State Grid Xinjiang Electric Power Co., Urumqi Xinjiang Uyaur Zizhiqu 830011, China)

Frequency stability is a prominent issue for Xinjiang, an important supplying-end power grid, and it exerts major influence upon promotion of the energy strategy of “power transmission from Xinjiang”. Frequency stability of the supplying-end grid, especially the supplying-end grid of the weak system deserves a deep study. First, this paper makes a theoretical analysis of the mechanism of anti-regulation as well as its affection upon the power grid of the split area. Furthermore, it proposes a strategy to shield interference and suppress power anti-regulation at the moment when the sudden change of the generator load starts, and establishes a simulation model. Finally, with grid splitting in Xinjiang area taken as an example, simulation is made to verify the effect of the suppression strategy. The proposed suppression measure is worth learning from in the parameter setting of the speed regulation system.

grid splitting; anti-regulation; frequency stability; sudden load change; differential of speed

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.023

TM711

A

1000-3886(2017)04-0078-03

定稿日期: 2016-11-25

焦春雷 (1983-)，男，河南唐河人，工学硕士，高级工程师，主要从事电力系统建模仿真及分析计算、网源协调方面的研究工作。 祁晓笑(1980)，女，新疆乌鲁木齐人，工学硕士，高级工程师，主要从事电力系统控制理论及分析计算研究工作。 朱建华 (1986)，男，河南洛阳人，工学硕士，工程师，主要从事电力系统建模仿真及分析计算、网源协调方面的研究工作。