新疆农业大学
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课 程 论 文
电力系统频率控制技术
电力系统自动化
刘奇
电气工程及其自动化
电气104
103736419
石砦
职称:
2013年11月11日
题课姓
专班学指
电力系统频率控制技术
作者：刘奇 指导教师：石砦
摘要：电力系统频率是电力系统运行参数中最重要的参数之一。对系统频率控制的分析与研究是电力系统安全运行中一个不可忽视的部分。随着电力市场环境的产生与发展，系统在满足安全性及可靠性的前提下，如何准确地进行频率控制以实现电力市场的经济目标成为一大挑战。本文简单介绍了电力系统频率控制的基本概念及相关问题，并在此基础上对该领域今后的研究方向作了展望，给出了系统频率控制领 域今后重点研究的方向。
关键词：：频率控制 电力市场 安全性 自动发电控制
前言：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。频率异常将会给发电机和系统的安全运行以及用户带来极为严重的后果，例如发电机组和厂用电辅机等设备将偏离工况，从而使它们的效率降低，电厂运行偏离经济性，还影响整个电网的经济运行。频率过低时，还会危及全系统的安全运行。因此，电力系统频率一方面作为衡量电能质量的指标，需加以动态监测以作为实施安全稳定控制的重要状态反馈量；另一方面必须对系统频率进行有效控制。对于频率测量方法已取得较丰硕的成果，诸如基于改进递归小波的电力系统频率测量方法和基于数字微分算法的系统频率快速测量方法，以及一些有效的频率估计新方法，都可以提高频率测量的精度、计算速度和测量的鲁棒性。但由于电力系统负荷的动态和惯性特性，尽管技术不断进步，系统辨识精度不断提高，从系统检测到负荷波动，判断其所引起的系统频率变化是否超出所允许的范围，到准确控制、调节原动机、发电机出力，总会有不同程度的时差和误差。本文主要介绍电力系统频率控制相关的概念，由于目前电力市场环境下的频率控制问题主要通过AGC 辅助服务来解决，所以重点论述了AGC 相关的频率控制方法。
1、电力系统频率的基本概念
频率是电力系统中同步发电机产生的交流正弦电压的频率。在稳态运行条件下，所有发电机同步运行，整个电力系统的频率是相等的。并联运行的每一台发
pn电机组的转速与系统频率的关系为f式中, p —— 发电机转子极对数,n 60—— 发电机组的转速，r/min,f —— 电力系统频率，Hz,系统频率的变化是由于负荷功率与原动机输入功率之间失去平衡所致。由于机械惯性的作用，原动机输入功率变化较缓慢，负荷的变化使系统频率产生波动。假如分离的区域没有参与速度调节的旋转备用，则有三种因素会导致分离区域的系统频率 下降：①过负荷的量（即发电出力的缺额）；②作用于区域负荷的负荷阻尼系数；③代表区域内所有发电机总转动惯量的惯性常数。
2、电力系统的频率特性及其控制 2.1频率特性
要确定频率控制，首先要明确频率特性是指有功功率−频率静态特性，它反映了稳态运行状况下有功功率和频率变化之间的关系。它包括负荷、同步发电机组和电力系统的频率特性。电力系统功率平衡是一个供需功率随时平衡的动态过程。当系统频率波动时，同步发电机的调速器控制作用和负荷的频率调节效应是
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同时进行的。在分析 LFC 时，考虑的是系统中所有发电机的整体性能，而没有考虑机间振荡和输电系统性能。策略上假定所有发电机对系统负荷变化的同调响应，并把它们等效于一台发电机，等效发电机的惯性常数Meq等于所有机组惯性常数之和，如图1 所示。考虑了电力系统的复合调节特性1/β，而-PDf1RD ，Req —— 速度调节率， D —— 负荷集中影响的阻尼eq常数。
2.2 电力系统频率控制的基本任务和要求
调整发电功率进行频率调整，即频率的三次调整控制。而电力系统频率控制与有功功率控制密切相关，其实质就是当系统机组输入功率与负荷功率失去平衡而使频率偏离额定值时，控制系统必须调节机组的出力，以保证电力系统频率的偏移在允许范围之内。为了实现频率控制，系统中需要有足够的备用容量来应对计划外负荷的变动，而且还须具有一定的调整速度以适应负荷的变化。
现代电力系统频率控制的研究主要有两方面的任务：①分析和研究系统中各种因素对系统频率的影响，如发电机出力、其本身的特性及相应的调速装置、负荷波动和旋转备用容量等，从而可以准确地寻找有效进行调频的切入点。②建立频率控制模型，即在某一特定的系统条件下，选择恰当的发电机和负荷模型(在互联系统中还应考虑多系统互联的模型)，并采用最优算法确定模型参数，在维持系统频率在给定水平的同时，考虑机组负荷的经济分配和保持电钟的准确性。根据GB/T 15945—1995，我国电力系统的额定频率fN 为50Hz，电力系统正常频率允许偏差为±0.2Hz（该标准适用于电力系统，但不适用于电气设备中的频率允许偏差），系统容量较小时可放宽到±0.5Hz。
3、电力系统频率控制模型及方法 3.1传统的LFC 方法 早在 20 世纪50 年代，Kirchmayer 根据经典控制理论中的传递函数原理，提出了互联系统LFC 的数学模型，研究了PI 控制方式；1970 年，Elgerd和Fosha 首次把现代控制理论应用于互联系统的LFC 问题，但是由于采用集中控制，使LFC 在信息传递问题上遇到大系统“维数灾”问题。提出的互联电力系统分散偏压双模式控制器，考虑了调速器死区（Governor Deadband，GDB）和发电机变化率约束（Generation Rate Constraint，GRC）所产生的非线性，具有比例和积分两种模式。该控制器不仅稳定了系统，还减小了系统频率和联络线功率振荡以及输出响应时间，其结构简单且闭环稳定性极好，明显改善了传统的PI 控制性能。但是不足的是，这种双模式偏压控制器对系统参数的变化不甚灵敏。传统的控制方法对发电机输出功率进行调整和控制存在以下问题：①被控对象的数学模型难以确定；②系统的控制参数调整困难；③确定后不变的PID 参数在性能上很难同时满足跟踪设定值与扰动的抑制或模型参数的变化，从而常常引起系统快速性和
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超调量之间的矛盾。
3.2 基于滑模技术的 LFC 方法
提出了基于Ackermann 公式的分散滑模LFC 方法。对于一个由N 个区域组成的互联电力系统，考虑不确定性并把关联项作为系统的扰动，可得区域i 的动态模型 x(t)AxB(Uf(x,t))式中 fi(xi，t)是具有已知上确界iiiiiiii.f0i(xi，t)的非线性干扰。该方法简单有效，在滑模上具有所期望的动态响应，并且对于系统参数变化和外部干扰具有很强的鲁棒性，可确保整个系统是渐近稳定的，并可推广应用到多区域互联电力系统的LFC 中。但是该方法中符号函数的幅值对系统动态有一定的影响，而且设计成局部状态反馈控制器的滑模控制器运行在滑模上时，对系统参数的变化不敏感。基于传统区域控制偏差（Area Control Error，ACE）的PI 辅助控制器虽然能够有效地调节联络线功率偏差、频率偏差和ACE 到零，但很难同时维持频率偏移引起的电钟误差累积值和净交换功率偏差引起的交换电量偏差累积值为零。Kothari 等学者在中首先提出了基于新区域控制偏差（NewArea Control Error，ACEN）的LFC 方法，弥补了这些缺陷，但该方法没考虑GRC 和GDB 非线性的影响及系统的鲁棒性等问题。结合基于ACEN 的PI 控制和滑模变结构控制二者的优点提出的多区域互联电力系统的PI 滑模LFC 方法同时发挥了基于ACEN 的比例积分控制和滑模控制的优点。在考虑GRC 和具有控制死区条件下，该综合控制方法仍能使系统取得较好的性能，而且克服了各自单一控制的不足；各区域控制器和滑模面的设计只与本区域的状态有关，不涉及其他区域的状态信息，从而可实现系统的分散控制。
3.3 基于人工智能技术（Artificial Intelligence，AI）的LFC 方法
近年来，随着AI 技术的不断发展，以人工神经网络（Artificial Neural Networks，ANN）、遗传算法（Genetic Algorithm，GA）和模糊技术为代表的智能理论方法在电力系统领域得到了十分广泛的应用。ANN 具有对故障与暂态稳定之间函数映射的逼近功能和并行处理能力，因而用ANN 进行电力系统的切负荷控制有着良好的适应性和实时性[25]。将ANN 成功应用于电力系统中的非线性控制，用前向反馈网络通过训练控制发电机组，克服负荷变化引起的频率变化。针对神经网络学习时间长、难以收敛、学习中陷入局部最优解、对全局数据的敏感性以及神经元数量随输入数据数量以指数上升的“维数灾”等问题，提出了一种新的基于小波和ANN 技术，并结合传统PID 控制的LFC 控制器模型，保留了传统的两级PID 控制，从而减少神经网络的节点数量。该方法可应用于互联电力系统的LFC，比传统控制方法具有更好的控制效果和鲁棒性、更快的响应速度及更小的超调量。综合了ANN 和综合控制技术的优点，提出的一种新的非线性ANN 控制器结构简单且操作灵活。其性能比基于μ 的鲁棒控制器更好，对所有允许的不确定性和负荷变化都能保证系统的稳定性，可应用于实际的复杂电力系统中。GA 是基于自然选择规律的一种优化方法，它能够成功地解决变量中的离散问题，避免常规数学优化方法的局部最优现象。近年来将遗传算法引入电力系统中取得了一定的经验和成果，如就基于GA 提出了最优积分增益的控制方法，可以很好地改善系统的动态特性。另外，模糊控制器良好的动态行为和强鲁棒性能更好地适应系统中存在的不确定性因素，如负荷扰动及系统参数的变化所带来的不确定影响。因此，一些学者提出了将模糊逻辑理论应用到电力系统频率控制的想法。在应用模糊控制理论研究复杂的多区域互联电力系统LFC 方面做了开拓性的工作，提出了改进的带修正因子的模糊控制规则。这种方法与传统PID 控制器相比，具
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有较好的动态品质和鲁棒性，而且还具有一定的通用性，可用来研究不同的控制对象。但是由于模糊量化等级有限，控制规则又难以做到尽善尽美，故其稳态精度往往不高。文献[31]提出的变结构控制系统具有反应快、对对象参数不敏感及对外界干扰鲁棒性好等特点；当系统时间参数Tp 变化20%时，系统的动态特性几乎不受影响。但该方法在考虑GRC 及死区非线性的影响时，系统往往不收敛，有时会引起不稳定。为此，将二者结合起来，提出了一种变结构模糊控制器在某电网区域安全稳定控制中的应用结构。变结构模糊控制器实现简单，鲁棒性好，可用于某些用常规控制方法难以实现或控制效果欠佳的场合。采用该算法的系统频率控制不仅改善了系统的动态性能，而且还提高了系统的静态性能指标，但是该方法为保证控制器的正常工作，在不同状态下对采样频率要求很高。此外，预定模糊增益的比例积分控制器可用于单区域和两区域系统，与传统的PI 控制相比具有更好的超调值和动态特性，且不需要关于系统参数的任何信息，因而可以产生高质量的电能。
3、4自动发电控制技术 3.4.1 AGC 的基本原理
AGC 是指根据系统频率、输电线负荷变化或它们之间关系的变化，对某一规定地区内发电机有功功率进行调节，以维持计划预定的系统频率或其他地区商定的交换功率在一定限制之内。它是以控制调整发电机组输出功率来适应负荷波动的反馈控制，利用计算机来实现控制功能，是一个小型的计算机闭环控制系统。AGC 的基本目的包括LFC 和经济调度控制，前者通过调整特定发电机的输出，使其频率恢复到指定的正常值并保证控制区域之间的功率交换为给定值；后者考虑全网购电费用的微增率和网损修正等条件对调频机组进行最佳负荷分 配，使总的发电成本最低。这就使得这种控制方法能够较好地结合电力市场环境的要求，在频率控制质量和经济性之间找到很好的交叉点。互联电力系统中的AGC 是由联络线功率偏差加上一个用偏差因子加权的频率偏差构成ACE 来维持频率和邻近区域的纯功率交换在给定值。ACE计算式的不同决定了AGC 模式的不同，现代大型电力系统或互联电力系统中常采用的调频方式是频率联络线功率偏差控制[37]，其计算式为ACE=ΔP+BΔF。式中 B—— 偏差因子ΔP—— 两系统之间的传输功率偏差因子的选择对静态特性并不重要，但是对动态性能影响很大。从动态考虑，一般设置频率偏差因子B近似等于区域负荷频率响应特性系数。现代 AGC 是将联络线传输功率、系统频率和机组有功出力等信息电传到调度中心，由那里的计算机确定每个控制区域的控制方案。P.Kunder 提出的典型AGC 系统功能框图如图2 所示。实际 AGC 系统应通过简单、鲁棒性和可靠性好的控制策略来实现燃料费用最小，避免发电机组持续运行在不希望的区域内并避免机组不必要的动作，以使设备的磨损最小等控制目标。在AGC 的具体实施中，应考虑到ACE 的滤波、发电机出力的变化速度限制、时间偏差修正、执行频率、频率偏差设定、紧急状态运行以及GDB 的影响等因素。
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AGC 系统的加入有效地改善了系统频率控制的效果，但是其自身的成本也应给予考虑。
结论：频率控制作为电力系统最重要的一种控制，内容十分丰富，国内外学者经过不断的研究提出的多种电力系统频率控制方法在不同程度上维持了系统频率的稳定，在系统运行中能为运行人员提供更加准确的频率信息和有效的频率控制方法，而且有些已经得到了实际应用，其所积累的丰富经验将为该领域进一步的发展提供更有利的条件。但是从本文的分析可以看出，单一控制往往不能使频率控制效果最优，实际工程中必须根据不同情况和要求进行选择或将不同方法相结合，达到优势互补，从而可设计出可行的最优方案。
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