火電機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)非線性特性與控制研究.pdf

1、自動(dòng)發(fā)電控制(Automatic Generation Control，AGC)是電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)、發(fā)電機(jī)組調(diào)度與控制的一項(xiàng)重要內(nèi)容，一直備受關(guān)注。一旦電力系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)荷擾動(dòng)，AGC技術(shù)可迅速調(diào)整區(qū)域內(nèi)機(jī)組出力及聯(lián)絡(luò)線交換功率，恢復(fù)發(fā)電功率與用電負(fù)荷之間的平衡，維持頻率穩(wěn)定。然而，隨著電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式越來(lái)越復(fù)雜多樣，電力系統(tǒng)與電廠機(jī)組的動(dòng)態(tài)交互特性及相互影響越發(fā)明顯，尤其是非線性特性使得AGC系統(tǒng)傳統(tǒng)控制器的調(diào)節(jié)性能降低，以致電能質(zhì)量

2、受到影響。
　　在參與AGC調(diào)節(jié)的機(jī)組中，火電機(jī)組占有較大比重，其功率響應(yīng)能力影響著電力系統(tǒng)頻率的控制性能?，F(xiàn)階段，全國(guó)電網(wǎng)各機(jī)組實(shí)施的“兩個(gè)細(xì)則”制定了機(jī)組AGC性能的考核內(nèi)容，對(duì)火電機(jī)組參與調(diào)頻提出了嚴(yán)格的要求。電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和新能源發(fā)電的并網(wǎng)引起電力系統(tǒng)不確定性和隨機(jī)負(fù)荷擾動(dòng)問題日益突出，如何在保證動(dòng)態(tài)性能的條件下，增強(qiáng)對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)的抑制能力，對(duì)AGC控制策略提出了新要求。因此，研究火電機(jī)組功率與電網(wǎng)頻率的交互特性以及AGC控

3、制策略對(duì)于保障電網(wǎng)與機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。本文以火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(Coordinated Control System，CCS)優(yōu)化、機(jī)組與電網(wǎng)的交互特性分析以及AGC控制策略研究三個(gè)方面，開展了以下工作:
　　為提高火電機(jī)組AGC性能，基于電廠機(jī)組的歷史數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了電廠側(cè)計(jì)算AGC性能指標(biāo)的方法。結(jié)合計(jì)算出的AGC性能指標(biāo)和主蒸汽壓力的ITAE指標(biāo)，設(shè)計(jì)了新的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并基于此目標(biāo)函數(shù)，開展CCS系統(tǒng)控制器參數(shù)

4、的遺傳優(yōu)化研究，證明了所提目標(biāo)函數(shù)在保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)可提升AGC性能。最后，基于機(jī)組與電網(wǎng)交互的AGC系統(tǒng)模型，分析了CCS系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)AGC頻率特性的影響，證明了負(fù)荷擾動(dòng)發(fā)生后基于所提目標(biāo)函數(shù)的CCS系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化提高了機(jī)組的AGC性能，降低了電網(wǎng)頻率偏差最大變化量。
　　為深入分析電力系統(tǒng)非線性特性，提出了一種基于Adomian分解法(Adomian Decomposition Method，ADM)的改進(jìn)解析數(shù)值集成算

5、法。應(yīng)用微分變換理論求解得到了解析解的矩陣表達(dá)形式，簡(jiǎn)化了ADM各階解分量的解析表達(dá)式。根據(jù)所定義的遞歸誤差，實(shí)現(xiàn)了步長(zhǎng)和截?cái)嚯A數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，提高了算法進(jìn)行全局仿真的精度和迭代步長(zhǎng)。針對(duì)耦合非線性系統(tǒng)存在多個(gè)子系統(tǒng)的情況，分析了不同的截?cái)鄻?biāo)準(zhǔn)對(duì)求解系統(tǒng)的精度的影響?；谒崴惴?，對(duì)電力單機(jī)無(wú)窮大(Single Machine Infinite Bus，SMIB)系統(tǒng)進(jìn)行了非線性動(dòng)力學(xué)研究，證明了隨著擾動(dòng)幅值的增大，電力系統(tǒng)出現(xiàn)1周期到多

6、周期的分岔現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)混沌。
　　考慮到電力系統(tǒng)發(fā)生有功功率擾動(dòng)會(huì)引起系統(tǒng)振蕩，基于電力單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)的Phillips-Heffron模型，建立了聯(lián)合自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)(Automatic Voltage Regulation，AVR)回路和自動(dòng)發(fā)電控制回路的含雙飽和環(huán)節(jié)的耦合模型。分析了耦合模型中的發(fā)電機(jī)變化率約束（Generation Rate Constraint，GRC）和勵(lì)磁飽和約束特性。采用所提的ADM改進(jìn)解析數(shù)值集成

7、算法，求解得到了所建立的耦合非線性系統(tǒng)的ADM解析解，仿真研究了AGC的PI參數(shù)和飽和環(huán)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)頻率與有功功率的影響，AGC系統(tǒng)PI控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)會(huì)引起頻率與有功功率振蕩或者發(fā)散，而適當(dāng)?shù)陌l(fā)電機(jī)變化率約束和勵(lì)磁飽和約束對(duì)AGC系統(tǒng)的發(fā)散現(xiàn)象可產(chǎn)生抑制作用。在周期性汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開度擾動(dòng)或周期性負(fù)荷擾動(dòng)的條件下發(fā)生共振時(shí)，在合理的范圍內(nèi)，提高PI控制器比例系數(shù)會(huì)增大耦合系統(tǒng)的共振頻率，而提高積分系數(shù)會(huì)增大耦合系統(tǒng)的共振振幅。通過(guò)周期性

8、擾動(dòng)下飽和特性分析，表明GRC和勵(lì)磁飽和環(huán)節(jié)參數(shù)會(huì)影響到耦合系統(tǒng)的共振振幅。
　　針對(duì)AGC系統(tǒng)存在GRC和時(shí)延問題，應(yīng)用Hopf分岔勞斯判據(jù)和時(shí)延系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)，在分別計(jì)算出了AGC系統(tǒng)的飽和PI穩(wěn)定域和時(shí)延PI穩(wěn)定域的基礎(chǔ)上，根據(jù)ADM改進(jìn)解析數(shù)值集成算法，分別得到了AGC飽和非線性系統(tǒng)和AGC時(shí)延系統(tǒng)的ADM解析解，并通過(guò)控制系統(tǒng)的時(shí)序圖及相位圖驗(yàn)證了所求PI穩(wěn)定域的正確性。AGC系統(tǒng)被等效為負(fù)荷頻率控制回路與機(jī)組控制回路組成

9、的串級(jí)控制系統(tǒng)，通過(guò)將PI穩(wěn)定域轉(zhuǎn)化為控制器參數(shù)優(yōu)化的約束條件，對(duì)AGC串級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行了內(nèi)外環(huán)PI控制器參數(shù)遺傳尋優(yōu)研究，保證串級(jí)系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)均有良好的動(dòng)態(tài)性能。
　　針對(duì)AGC系統(tǒng)存在的參數(shù)不確定性和隨機(jī)擾動(dòng)的難題，分析了魯棒方差控制(Robust Variance Control，RVC)極點(diǎn)配置與噪聲抑制之間的關(guān)系，并在構(gòu)造了綜合穩(wěn)態(tài)狀態(tài)方差和控制能量的性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出了具有最優(yōu)性能指標(biāo)的魯棒方差控制策略。根據(jù)構(gòu)造的性能指