电力系统扩展频率响应模型及综合程序研发

发布时间：2018-07-15 20:20

【摘要】：近几年以来,由于电力系统频率发生大范围偏移所引起的频率崩溃以及国内外电网大停电的事故不断增加。随着大规模可再生能源接入电力系统,同一扰动的情况下,电力系统的频率偏移范围将变得更大。当频率偏移超出电力系统允许范围时,由于频率偏移导致电力系统连锁故障的可能性大大增加,严重情况下甚至将出现频率崩溃的现象。目前对频率的相关研究大多是基于频率响应曲线的求取,全时域仿真模型和简化频率响应计算模型是获取电力系统频率响应最常用的方法,但是简化模型无法考虑频率和锅炉/辅机设备动态特性之间的相互影响。由于火力发电厂中有大量的辅机设备,其出力与频率密切相关,而辅机的出力又会影响发电机的出力。因此,为了更好的阐述频率大范围偏移时电力系统的频率响应特性,需要建立考虑频率偏移对锅炉/辅机影响的频率响应扩展模型。全时域仿真模型随着系统规模的不断扩大,求解所需的时间渐渐无法满足快速求解的需求。因此,需要保证在可接受的精度范围内,通过简化模型来快速求解电力系统的频率响应曲线。全时域仿真已经在许多商业软件中得到了广泛的应用,但是目前仍然缺少简化模型频率响应计算软件包,因此研发一个综合的电力系统频率响应计算软件包对研究频率的安全稳定与紧急控制具有十分重要的意义。本文的主要内容如下:首先,针对锅炉,汽轮机-调速系统,发电机转子方程以及发电厂辅机(给水泵)的特点及其动态行为,建立了考虑频率偏移对锅炉/辅机影响的频率响应扩展模型。模型考虑了锅炉汽包压力及主蒸汽压力的控制系统,"炉跟机"协调控制系统和主蒸汽流量及给水泵给水流量的调节过程。本文研究了模型中参数的对应关系,通过对实际运行数据进行分析和数据拟合,将扩展模型中的各参数之间建立数学联系。其次,研究了系统频率响应扩展模型对系统频率稳定性的影响。通过扩展模型,在考虑频率对电厂辅机(给水泵)影响的情况下,分析了系统频率稳定性。扩展模型中以给水流量为主要控制量,通过频率对给水流量的影响控制锅炉燃料的输入,进而达到间接控制发电机输出功率的目的。通过模型仿真,阐述当电力系统发生大范围频率偏移时系统的频率特性。然后,为了进一步分析系统频率的静态特性,以前述的频率响应扩展模型为研究对象。通过施加固定的负荷突增扰动,仿真得到下一个功频运行点;重复上述的步骤,最终得到更大频率范围内的发电机机组的静态功频特性曲线。依据得到的机组静态功频曲线,提出了静态稳定运行区域和稳定区域边界,并进行了频率静态稳定性分析和暂态稳定性分析,进一步发现并提出"频率不稳定"平衡点的概念。最后,全时域仿真已经有较为成熟的商业软件,并且已经得到了广泛的应用。然而目前仍缺少软件支持基于简化方法的频率响应计算软件包,开发一个涵盖这些简化模型的软件包可以大大增加频率动态分析的系统性和灵活性。软件包程序使用常用的高级语言(Python)及编译器,程序结构具有模块化结构。程序应用接口的应用能较好的体现出软件包可编程化和开放性的特点,程序应用接口不仅能实现基本的程序功能,还能实现更为复杂的高级应用。已实现的功能和高级应用包括:频率响应计算、低频减载整定、频率安全评估和紧急切负荷临界量。
[Abstract]:In recent years, the frequency crashes caused by the large frequency shift of the power system and the large blackout at home and abroad are increasing. With the large-scale renewable energy access to the power system, the frequency offset of the power system will become greater when the power system is connected to the power system, and the frequency offset is beyond the power system permission. In the range, the probability of the cascading failure of the power system is greatly increased because of the frequency offset, and the frequency collapse may even occur in serious cases. Most of the researches on the frequency are based on the frequency response curve, and the full time domain simulation model and the simplified frequency response model are the most effective ways to obtain the frequency response of the power system. But the simplified model does not take into account the interaction between the frequency and the dynamic characteristics of the boiler / auxiliary equipment. Because there are a large number of auxiliary equipment in the thermal power plant, its output is closely related to the frequency, and the output of the auxiliary machine will affect the generator's output. Therefore, the power system is better described in a large frequency range migration. The frequency response characteristic of the system needs to set up a frequency response expansion model considering the effect of frequency offset on the boiler / auxiliary engine. With the continuous expansion of the system scale, the time required for the whole time domain is gradually unable to meet the demand for rapid solution. Therefore, it is necessary to ensure that the model can be fast through the simplified model in the range of the acceptable precision. The frequency response curve of the power system is solved. The full time domain simulation has been widely used in many commercial software, but there is still a lack of the software package for the simplified model frequency response calculation. Therefore, the development of a comprehensive software package for the frequency response calculation of the power system is very important for the study of the safety and stability of frequency and the emergency control. The main contents of this paper are as follows: firstly, based on the characteristics and dynamic behavior of the boiler, steam turbine speed control system, generator rotor equation and power plant auxiliary machine (feed water pump), a frequency response extended mode considering the effect of frequency offset on boiler / auxiliary engine is established. The model takes into account the boiler drum pressure and the main steam pressure. The control system, the coordination control system of the "furnace heel machine" and the regulation process of the main steam flow and feed water flow rate of the feed pump. This paper studies the corresponding relation of the parameters in the model. By analyzing the actual running data and fitting the data, the mathematical connection between the parameters in the extended model is established. Secondly, the extended mode of the system frequency response is studied. The influence of the type on the frequency stability of the system. Through the expansion model, the frequency stability of the system is analyzed in the case of the influence of frequency on the auxiliary engine (feed water pump). In the extended model, the water flow is the main control quantity, the input of the boiler fuel is controlled by the effect of frequency on the water flow, and then the output of the generator is controlled indirectly. The purpose of power is to describe the frequency characteristics of the system when a large frequency shift occurs in a power system. Then, in order to further analyze the static characteristics of the system frequency, the frequency response expansion model described above is the research object. By applying the fixed load sudden increase disturbance, the next power frequency operation point is simulated and repeated. The above steps finally get the static power frequency characteristic curve of the generator set in a larger frequency range. Based on the static power frequency curve obtained, the static stable operation region and the stable region boundary are put forward, and the static stability analysis and transient stability analysis are carried out, and the "frequency instability" leveling is further discovered and proposed. In the end, full time domain simulation has more mature commercial software and has been widely used. However, there is still a lack of software support for frequency response computing packages based on simplified methods. Developing a software package that covers these simplified models can greatly increase the systematicness and flexibility of frequency dynamic analysis. The software package program uses the common advanced language (Python) and compiler, the program structure has the modular structure. The application of the program application interface can better reflect the features of the programmability and openness of the software package. The program application interface can not only realize the basic program function, but also realize the more complex advanced application. The application of the program application interface is realized. Functional and advanced applications include frequency response calculation, low frequency load shedding, frequency safety assessment and critical load shedding.
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM712;TP311.52

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本文编号：2125269