火電機組自動發(fā)電控制系統(tǒng)非線性特性與控制研究.pdf

1、自動發(fā)電控制(Automatic Generation Control，AGC)是電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)、發(fā)電機組調(diào)度與控制的一項重要內(nèi)容，一直備受關(guān)注。一旦電力系統(tǒng)出現(xiàn)負荷擾動，AGC技術(shù)可迅速調(diào)整區(qū)域內(nèi)機組出力及聯(lián)絡(luò)線交換功率，恢復發(fā)電功率與用電負荷之間的平衡，維持頻率穩(wěn)定。然而，隨著電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行方式越來越復雜多樣，電力系統(tǒng)與電廠機組的動態(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)的機組中，火電機組占有較大比重，其功率響應能力影響著電力系統(tǒng)頻率的控制性能?，F(xiàn)階段，全國電網(wǎng)各機組實施的“兩個細則”制定了機組AGC性能的考核內(nèi)容，對火電機組參與調(diào)頻提出了嚴格的要求。電網(wǎng)規(guī)模的擴大和新能源發(fā)電的并網(wǎng)引起電力系統(tǒng)不確定性和隨機負荷擾動問題日益突出，如何在保證動態(tài)性能的條件下，增強對隨機擾動的抑制能力，對AGC控制策略提出了新要求。因此，研究火電機組功率與電網(wǎng)頻率的交互特性以及AGC控

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

4、的遺傳優(yōu)化研究，證明了所提目標函數(shù)在保證機組穩(wěn)定運行的同時可提升AGC性能。最后，基于機組與電網(wǎng)交互的AGC系統(tǒng)模型，分析了CCS系統(tǒng)參數(shù)變化對AGC頻率特性的影響，證明了負荷擾動發(fā)生后基于所提目標函數(shù)的CCS系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化提高了機組的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)的改進解析數(shù)值集成算

5、法。應用微分變換理論求解得到了解析解的矩陣表達形式，簡化了ADM各階解分量的解析表達式。根據(jù)所定義的遞歸誤差，實現(xiàn)了步長和截斷階數(shù)的自動調(diào)整，提高了算法進行全局仿真的精度和迭代步長。針對耦合非線性系統(tǒng)存在多個子系統(tǒng)的情況，分析了不同的截斷標準對求解系統(tǒng)的精度的影響?；谒崴惴?，對電力單機無窮大(Single Machine Infinite Bus，SMIB)系統(tǒng)進行了非線性動力學研究，證明了隨著擾動幅值的增大，電力系統(tǒng)出現(xiàn)1周期到多

6、周期的分岔現(xiàn)象，甚至會出現(xiàn)混沌。
　　考慮到電力系統(tǒng)發(fā)生有功功率擾動會引起系統(tǒng)振蕩，基于電力單機無窮大系統(tǒng)的Phillips-Heffron模型，建立了聯(lián)合自動電壓調(diào)節(jié)(Automatic Voltage Regulation，AVR)回路和自動發(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)電機變化率約束（Generation Rate Constraint，GRC）和勵磁飽和約束特性。采用所提的ADM改進解析數(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)置不當會引起頻率與有功功率振蕩或者發(fā)散，而適當?shù)陌l(fā)電機變化率約束和勵磁飽和約束對AGC系統(tǒng)的發(fā)散現(xiàn)象可產(chǎn)生抑制作用。在周期性汽輪機調(diào)節(jié)閥開度擾動或周期性負荷擾動的條件下發(fā)生共振時，在合理的范圍內(nèi)，提高PI控制器比例系數(shù)會增大耦合系統(tǒng)的共振頻率，而提高積分系數(shù)會增大耦合系統(tǒng)的共振振幅。通過周期性

8、擾動下飽和特性分析，表明GRC和勵磁飽和環(huán)節(jié)參數(shù)會影響到耦合系統(tǒng)的共振振幅。
　　針對AGC系統(tǒng)存在GRC和時延問題，應用Hopf分岔勞斯判據(jù)和時延系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)，在分別計算出了AGC系統(tǒng)的飽和PI穩(wěn)定域和時延PI穩(wěn)定域的基礎(chǔ)上，根據(jù)ADM改進解析數(shù)值集成算法，分別得到了AGC飽和非線性系統(tǒng)和AGC時延系統(tǒng)的ADM解析解，并通過控制系統(tǒng)的時序圖及相位圖驗證了所求PI穩(wěn)定域的正確性。AGC系統(tǒng)被等效為負荷頻率控制回路與機組控制回路組成

9、的串級控制系統(tǒng)，通過將PI穩(wěn)定域轉(zhuǎn)化為控制器參數(shù)優(yōu)化的約束條件，對AGC串級系統(tǒng)進行了內(nèi)外環(huán)PI控制器參數(shù)遺傳尋優(yōu)研究，保證串級系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)均有良好的動態(tài)性能。
　　針對AGC系統(tǒng)存在的參數(shù)不確定性和隨機擾動的難題，分析了魯棒方差控制(Robust Variance Control，RVC)極點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的基礎(chǔ)上，提出了具有最優(yōu)性能指標的魯棒方差控制策略。根據(jù)構(gòu)造的性能指