陳 文1，吳 迪2，陶 騫1，崔一鉑1，游 力1
（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國電科學技術研究院武漢分院，湖北 武漢 430077）
摘 要： 提出將發電機靜態頻率特性引入機組調差系數設置的一次調頻方法，然后建立其模型并利用Matlab仿真軟件對模型進行計算分析。結果表明，引入發電機靜態頻率特性的一次調頻模型的系統穩定性要好于常規的一次調頻模型。
關鍵詞： 發電機；靜態頻率特性；一次調頻；調差系數
0 引言
發電機組在參與電網一次調頻的過程中，一般采用統一的機組調差系數，其目的是維持系統穩定運行[1]。但當系統頻率發生變化時，不同機組的功率變動幅度是不同的，采用統一的機組調差系數可能會對機組輸出有功穩定產生不利影響[2]。因此本文提出將發電機靜態頻率特性引入機組調差系數設置，即在設置機組調差系數時，考慮發電機組輸出功率隨頻率波動時的正常變化幅度的機組特性。本文根據上述思路建立了一次調頻模型并給出傳遞函數，利用Matlab仿真軟件對模型的傳遞函數進行計算分析。結果表明，引入發電機靜態頻率特性的一次調頻模型的系統穩定性要好于常規的一次調頻模型。
1 調差系數
調差系數δ也稱轉速不等率，它表示同步發電機組輸出功率發生變化時相應的頻率（轉速）偏移，其倒數KG稱為發電機組的單位調節功率，即當頻率下降或上升1Hz時發電機增發功率或減發功率的值，即：
KG=1/δ=-ΔPG/Δf(MW/Hz)（1）
KG中的負號表示發電機輸出功率與系統頻率變化的方向相反，其大小是可以整定的。KG越大（或δ越小），說明頻率發生變化時，機組輸出功率的變化越大[3]。但是受機組調速機構的限制，機組調差系數有一定的限制范圍，一般為：
汽輪發電機：δ=0.04～0.06，KG=25～16.7
水輪發電機：δ=0.02～0.04，KG=50～25
2 發電機靜態頻率特性
系統穩定運行時，機組在調速系統作用下，其輸出功率P與系統頻率f的變化方向相反（如圖1所示），這種反映機組輸出功率P和系統頻率f之間關系的曲線稱為發電機靜態頻率特性，其斜率m反映了發電機輸出功率隨系統頻率波動的變化幅度[4]。
3 一次調頻模型
3.1 常規的一次調頻模型
汽輪發電機常規的一次調頻方式的控制流程為：當系統頻率發生變化時，機組根據調差系數將電網頻差信號轉換為負荷偏差信號，隨即發送到DEH（Digital Electric Hydraulic Control System，汽輪機數字電液控制系統）使汽輪機調閥立即動作，實現機組有功出力的瞬時補償；同時發送至CCS系統（Coordinated Control System，協調控制系統）使鍋爐能夠及時響應并維持對機組出力的調節[5]。
在上述一次調頻方式的基礎上，建立M臺同步發電機并列運行的一次調頻模型如圖2所示。其電網頻率φs(s)對于電網負荷PL(s)的傳遞函數φ1(s)為：
圖中PL(s)為負荷的傳遞函數，αi為電網中第i臺機組裝機容量占全網裝機容量的百分比，δi為電網中第i臺機組的調差系數，Gi(s)為第i臺汽輪機的傳遞函數，PTi(s)為第i臺同步發電機的功率偏差值，PTΣ(s)為M臺同步發電機的功率偏差值，TαΣ為電網的慣性時間常數；βs為電網負荷的頻率特性系數；φs(s)為電網的頻率變化[6]。
3.2 考慮發電機靜態頻率特性的一次調頻模型
由圖1可知，不同的發電機組的靜態頻率特性不盡相同，其斜率m也不同。因此在考慮發電機組輸出功率隨頻率波動時的正常變化幅度的機組特性的情況下，利用機組本身的靜態頻率特性曲線的斜率m對該機組的調差系數δ進行適當修正。
考慮發電機靜態頻率特性的M臺同步發電機并列運行的一次調頻模型如圖3所示。其電網頻率φs(s)對于電網負荷PL(s)的傳遞函數φ2(s)為：
其中mi為第i臺同步發電機的靜態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頻模型進行仿真計算，并對其系統穩定性進行分析比較。
4.1 仿真模型
設定系統中有4臺不同容量的汽輪發電機組，其裝機容量、調差系數如表1所示。
采用現階段相同容量的主力汽輪發電機組的典型參數對各機組調速系統的相關參數進行設置。
設4臺汽輪機組傳遞函數分別為：
調速器傳遞函數為：
汽輪發電機靜態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）
電網的轉動慣量采用機組轉子飛升時間常數的實際值：
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φ1(s)、φ2(s)的特征根如表2所示。
4.3 結果分析
（1）傳遞函數φ1(s)、φ2(s)的全部特征根都具有負實部。根據線性系統穩定的相關理論，控制系統穩定的充分必要條件是系統的特征方程式的根全部都具有負實部。因此這兩種一次調頻模型都能保證系統趨于穩定。如圖4所示。
（2）傳遞函數φ1(s)有16個共軛極點，傳遞函數φ2(s)有12個共軛極點。對于高階系統而言，共軛極點對應的是衰減振蕩的程度，在瞬態響應過程中，整個系統的穩定指標由衰減振蕩的程度決定，即共軛極點個數越多，系統振蕩次數越多，衰減就越慢。因此，引入發電機靜態頻率的一次調頻模型的系統穩定性要好于常規的一次調頻模型。如圖5所示。
5 結束語
由上述分析過程可知，將發電機靜態頻率特性引入機組調差系數設置，即滿足機組輸出功率隨頻率波動時的正常變化幅度的機組特性，又能進一步提高一次調頻過程中系統運行的穩定性，說明這種方法在理論計算上是可行的，可通過現場試驗對上述方法進一步加以驗證和完善。
參考文獻
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