自动发电控制(AGC)的基本理论

自动发电控制(AGC)的基本理论

自动发电控(Automatic Generation Control)简称AGC ，作为现代电网控制的一项基本功能，它是通过控制发电机有功出力来跟踪电力系统的负荷变化，从而维持频率等于额定值，同时满足互联电力系统间按计划要求交换功率的一种控制技术。它的投入将提高电网频率质量，提高经济效益和管理水平。 自动发电控制有四个基本目标：

（1）使全系统的发电出力和负荷功率相匹配；

（2）将电力系统的频率偏差调节到零，保持系统频率为额定值；

（3）控制区域问联络线交换功率与计划值相等，实现各区域内有功功率的平衡；

（4）在区域内各发电厂间进行负荷的经济分配。

上述第一个目标与所有发电机的调速器有关，即与频率的一次调整有关。第二和第三个目标与频率的二次调整有关，也称为负荷频率控制LFC(Load

Frequency Control)。通常所说的AGC 是指前三项目标，包括第四项目标时，往往称为AGC 但DC(经济调度控制，即Economic Dispatching Control)，但也有把EDC 功能包括在AGC 功能之中的。

负荷频率控制通过对区域控制偏差(ACE)调整到正常区域或零来实现系统频率和网间的联络线交换功率的调整。ACE 表达式如下：

()()()[]S A T S A S A T T K f f B P P ACE -+---=10 (1．1) 试中：A P ,S P 分别表示实际、预定联络线线功率；A T 、S T 分别表示实际电钟时间和标准时间；A f 、S f 分别表示实际、预定系统频率；B 表示系统频率偏差系数；T K 表示电钟偏差系数。

联络线频率偏差控制方式，TBC(Tie Line Bias Control)，ACE 按上式形成；定频控制方式，。CFC(Constant FrequencyControl)，ACE 不含(S A P P -)；定净交换功率控制方式CNIC(Constant Net Interchange Control)，ACE 不含(S A f f -)。 ACE 体现的是电网中电力供需不平衡的程度，即在电网实际运行中，由于系统总的发电水平和负荷水平的不一致，导致系统的频率或(和)联络线交换功率与其额定值(计划值)的偏差。负荷频率控制将ACE 分配给AGC 受控机组，通过调整机组的出力来改变系统总的发电水平，以达到将ACE 减到零的目的。

自动发电控制(AGC)的基本理论

1 自动发电控制(AGC)概述

自动发电控制在当今世界已是普遍应用的一项成熟与综合的技术。它是能量管理系统(Energy Management System ，即EMS)中最重要的控制功能。它的投入将提高电网频率质量，提高经济效益和管理水平。

电力系统频率和有功功率自动控制统称为自动发电控制(AGC)。由于系统发电机组的输出功率不能与系统总负载功率相平衡，引起系统频率变化。在系统紧

急状念时，大量功率缺额引起系统频率的很大偏移。系统正常运行时，因系统中众多负载瞬息万变，引起系统频率变化[58]，如图3．1所示。由于各种负载变动性质差异，引起系统频率动态响应的性质也不同。负载变动性质可归纳为三种：

图3．1 负载变动性质

第一种是幅值小但波动频率较高的随机分量，称为随机波动的负荷分量[59]，变化周期一般小于10s，可以由发电机组的惯性和负荷本身的调节效应自然地吸收掉。对应的调整方式是发电机组的一次调节。如图3．2：

图3．2 扰动后一次调节的频率曲线

第二种是变化幅值较大的脉动分量，称为分钟级负荷分量，变化周期是l0s 到(2~3)min之间，由于脉动分量引起的频率偏移较大，一次调频是有差调节，调整结束后，存在频率偏移和联络线交换功率不能维持规定值，更不能保证系统功率的经济分配。这就需要旌加外界的控制作用，即二次调频，才能将频率调整到允许范围之内。二次调频是用手动或通过自动装置改变调速器的频率(或功率)给定值，调节进入原动机的动力元素来维持电力系统频率的调节方法，也称为电力系统的二次调节。可见，脉动分量是AGC需要调节的主要变量。如图3．3：

实际转速/额定转速实际出力/额定出力

20804060100102

104

10698

96100

图3.3 二次调节

第三种是变化缓慢的持续分量，它的变化有一定规律，可根据经验用负荷预测的方法预先估计出来，通过调度部门预先编制系统发电计划与之平衡。

2自动发电控制的一般过程

图3.4表示某一联合电力系统，由3个区域及3条联络线组成。各区域内部有较强的联系，各区域间有较弱的联系。正常情况下，各区域应负责调整自己区域内的功率平衡。例如，在图3.4的区域B 中接入一个新的负荷时，起初联合电力系统全部汽轮机的转动惯性提供能量，整个联合电力系统的频率下降。系统中所有机组调节器动作，加大出力，提高频率到某一水平，这时整个电力系统发电与负荷达到新的平衡。一次调节留下了频率偏差f 和净交换功率偏差，

AGC

因

此而动作。提高区域B 的发电功率，回复频率达到正常值（0f ）和交换功率到计划值，这就是所谓的二次调节。此外，AGC 将随时调整机组出力执行发电计划（包括机组停机），或在非预计的负荷变化积累到一定程度时按经济调度原则重新分配出力，这就是所谓的三次调节。

B

A C

负荷

图3.4 联合电力系统

3自动发电控制的基本功能和控制方式

在互联电力系统中，各区域承担各自的负荷，与外区域按合同卖卖电力。各区域的调度中心要维持电力系统频率，维持区域间净交换功率为计划值，并希望

区域运行最经济。自动发电控制是满足以上要求的闭环控制系统。具体地说自动发电控制有以下四个基本控制目标：

（1） 使全系统的发电出力和负荷功率相匹配;

（2） 将电力系统的频率偏差调节到零，保持系统频率为额定值；

（3） 控制区域间联络线交换功率与计划值相等，实现各控制区域有功功率平

衡；

（4） 在区域内各发电厂间进行负荷的经济分配。

上述的第一个目标与所有发电机的调速器有关，即与频率的一次调整有关。第二和第三个目标与频率的二次调整有关，也称为负荷频率控制(LoadFrequency Control,即LFC)。通常所说的AGC 是指前三项指标，包括第四项指标时，往往被称为AGC ／EDC(经济调度控制，即Economic Dispatching Control)，也有把EDC 功能包括在AGC 控制功能之中的。在讨论CPS 控制策略时，只针对狭义的AGC ，即LFC 。

为了实现AGC ，要求在调度中心的计算机上运行AGC 程序。AGC 程序的控制目标是使由于负荷变动所产生的区域控制偏差ACE(Area Control Error)不断减少直至为零。根据具体控制方式的不同，ACE 可以定义为系统频率偏差f ?、联络线交换功率偏差P ?、联络线交换电量偏差E ?或系统电钟时间与天文时间偏差t ?等变量的函数。

根据ACE 中控制变量的选取不同，有三种基本的频率功率控制模式：

(1)定频率控制方式FFC

采用定频率控制方式可以保持电网频率不变，即0=?f ，该方式适合于独立的电网或联合电网中的主网中。

其区域控制偏差为：

f K ACE ?= (3．1)

式中K 值采用全系统的频率响应特性值β。由于系统中的运行条件不断变化，设定K 值只能在实际测定的条件下达到最好的调节效果，对其它运行条件则不一定给出很精确的频率特性。然而，只要ACE 取负号，频率下降时发电则总是增加的。

(2)定交换功率控制方式FTC

采用定交换功率控制方式能保持联络线交换功率的恒定，可用于联合电网中的小容量电网，这时有主网采用定频率控制，以维持整个联合电网频率稳定。 其区域控制偏差为：

T P ACE ?= (3．2)

式中：T P ?一联络线交换功率偏差。

但是这样的控制方式存在问题：

a ．采用FFC 控制的区域在频率和功率控制中必须进行大量的发电出力调整，让一个区域来负担全部系统的频率变化，显然是不公平的。特别是当电厂为汽轮机组，经常运行在扰动的输出功率情况下，会降低效率，增加机组磨损。

b ．FTC 控制模式不能对FFC 控制的区域提供有效的帮助，且存在使系统频率恶化

的反方向的重复调整。

c．FFC区域存在大量重复调整。

(3)定频率定交换功率控制方式TBC

采用定频率定交换功率控制方式要同时检测系统的频率偏差Ⅳ和联络线交换功率偏差AP，判断出负荷变化发生的区域，即由该区域内的调频机组做出相应的响应，平衡负荷的变动。这是一种同时兼顾了上述两种控制方式的综合控制方式。即ACE既反映频差Ⅳ又反映功差△P，这种方式又称为联络线交换功率和频率偏差控制(Tie line Bias Control)方式。

其区域控制偏差为：

+

?

= (3．3)

P

f

K

ACE?

现代大型互联系统几乎无一例外地采用这种控制方式。采用这一控制模式，可以使系统运行达到较理想运行状态。

TBC控制模式有以下特点：

a．在正常运行时，各区域均履行各自的控制任务。规定各区域内发生的负荷变化都由该区域调节发电功率来达到平衡，即各区域发电功率的变化是根据区域负荷的变化来决定。在各区域调节平衡(ACE=0)的稳念情况下，联络线传输的净交换功率维持在计划值，所有区域共同负担系统频率调节任务，维持系统频率为正常值。

b．在事故状态或紧急状态下，如果系统中一个或几个区域不能履行它们的控制任务，只要整个系统仍处于同步状态，则正常区域可对事故区域进行紧急功率支援。即在某一区域仍处于调整的暂态过程中或没有能力使ACE=0的非正常情况下，允许区域传输的净交换功率偏离计划值，通过联络线向事故区域提供支援(此时非事故区域ACE=0)，以免发生反向调整。

c．不存在FTC控制模式的重复调整的问题。不发生负荷变化的区域ACE=0，不会出现重复调整。

d．式3．3中K系数通常设定为区域的自然频率响应特性β值。在f?=0条件下，全部区域相当于以FTC模式控制；如果不考虑联络线交换功率的变化，即去掉△P 项，则全部区域相当于以FFC模式控制运行。

e．用TBC控制的电网，当某一区域因备用不足不能使其ACE恢复到零，则由于没有任何一个区域对系统频率负责，系统频率会在较长时间存在偏差。

虽然每个区域的净交换功率维持在计划值，但并不意味着各条联络线的潮流都会维持在计划值。尽管每个区域的净交换功率与计划值相符合，在功率调整的暂态过程中，联络线上的潮流不但可能在数值上与计划值不符，甚至还可能在方向上相反。

因此，TBC模式的控制具有比FFC和FTC明显的优点，这也是北美电力可靠性委员会(NERC)制定CPS标准中，规定各个区域必须采用的控制方式。

3．4自动发电控制的基本原理

自动发电控制(AGC)由自动控制器装置和计算机程序对频率和有功功率进行二次调整实现的。所需的信息(如频率，发电机的实发功率，联络线的交换功率等等)是通过SCADA系统经过上行通道传递到调度控制中心的。然后根据AGC的计算机软件功能形成对各发电厂(或发电机)的AGC命令，通过下行通道传送到各调

频发电厂(或发电机)。

此时，ACE 的计算公式可写成：

)(10)(10S A S A T f f B P P f B P ACE ---=?-?= (3．4)

式中：A P 一实际交换功率，是本区域所有对外联络线实际交换功率代数和； S P —计划交换功率，是本区域所有对外联络线计划交换功率代数和； A f 一电网实际频率；

S f 一电网计划频率；

B 一电网频率偏差系数，MW ／0.1Hz ，为负值。

自动发电控制(AGC)功能通常是分成两部分实现的。既负荷频率控制(LFC)和经济调度(EDC)。通过调节电网中可控发电机组的出力来改变A P 和A f ，从而可达到减小ACE 的目的。这种调节成为LFC 的ACE 调节。同时，LFC 还要完成经济调节。经济调节包括两个内容，一是计算机组经济基点值，一是计算机组经济调节增量。机组经济基点值是在每个ED 周期内由ED 程序模块自动启动计算，并递交给LFC 。机组经济调节增量也是通过ED 模块计算出各机组的经济分配系数，然后按次分配系数将发电偏差值(DG)分配到各机组上。经济基点值加上经济调节量就构成了机组的经济出力。

3．5互联系统频率控制分析

在研究电力系统负荷—频率控制问题时，当然要研究这一控制系统的特性，而在研究系统特性之前首先要研究这一控制系统中各基本环节的控制特性。

对于负荷—频率控制而言，不论所研究的发电机组是处于一个孤立发电厂中供给一个小地区的独立负荷或是处于一个大联网系统中，发电机组的调速器总是负荷—频率控制系统中最基本的控制工具。

3.5.1与系统频率有关的元件模型

(1)调速器模型(频率一次调节控制单元)

一个最原始的汽轮机调速器示意图如图3．5所示：

图3.5 汽轮机调速器

它包含以下几个基本部分：

①飞球调速器。这是调速系统的心脏，用于检测转速(即系统频率)的改变。当转速增加时飞球向外运动，从而连杆机构上B 点向下运动。而转速减少时，飞球向里运动，B 点向上运动。

@液压机构。它包含一个伺服阀和一个液压伺服马达。利用这套装置，伺服阀的低功率水平的运动被转化为伺服马达高功率水平的运动。这样就能对高压蒸汽管道中的蒸汽阀进行必要的开闭操作。

@连杆机构。ABC 是以B 为支点的刚性杆而CDE 是以D 点为支点的刚性杆。连杆机构可以向控制阀提供一个与转速改变成正比的位移，同时它通过连杆乙，又从蒸汽阀运动中获得反馈。

④转速改变器。如果由于负荷的改变使系统频率发生变化，则可以用这个装置使系统在稳态下恢复原有频率。例如，当它向下移动时，就将伺服阀上活塞打开，从而蒸汽阀开启度加大，于是有更多的蒸汽进入透平，使发电机产生更多的功率输出，以补偿负荷的增加，并使频率上升到原来值。

设此调速系统开始时处于稳定工作状态，即连杆机构处于平衡状态，伺服阀上下活塞口均闭合，蒸汽阀开启在一定程度上，透平以一定转速转动，而发电机

发出的功率与负荷平衡，而且设：0f 为系统工作频率；0G P 为忽略发电机损失下

发电机的输出功率，它也是汽轮机的输出功率；0A Y 为蒸汽阀的开启给定值。

设连杆机构A 点向下运动A Y ?的位移。这就是一个增加透平输出功率的讯号，所以可以写成：

C C A P K Y ?=? (3．5)

式中：C P ?是所要求增加的功率。

这实际上是一系列运动或者反应的结果：C 点向上运动，从而D 点向上运动，伺服阀上活塞口打开，高压油从这个口进入伺服马达活塞上部，蒸汽阀开启度加大，蒸汽轮机转速增加，从而频率上升。分析控制特性就要分析这个过程。 C 点的运动是由两方面引起的：

(1)由A Y ?引起的A Y L L ?-1

2，或者写成A Y K ?-1，也就是C C P K K ?-1。 (2)由于频率的增加使飞球向外运动，从而B 点向下运动，位移量为f K ?2，此时视A 点不动，c 点向下移的距离为f K f K L L L ?=?+221

21)(。而C 点的净位移为： f K P K K Y C C C ?+?-=?21 (3．6)

D 点的位移D Y ?也就是伺服阀上活塞的位移。它是由C Y ?与B Y ?两者引起的： B C B C D Y K Y K Y L L L Y L L L Y ?+?=?++?+=?434

34434)()( (3．7)

假如进入伺服马达的高压油流速正比于D Y ?，则进入伺服马达的油量就正比于D Y ?的积分。而E Y ?就是这个油量的体积除以伺服马达油简的截面积。从而

??-=?t

D E dt Y K Y 0

5)( (3．8)

由图2．5可知，正的D Y ?(向下)总是引起负的E Y ?(向上)。

对(2．6)、(2．7)和(2．8)式取拉普拉斯变换，得

)()()(21s F K s P K K s Y C C C ?+?-=? (3.9)

)()()(43s Y K s Y K s Y B C D ?+?=? (3.10) )(1)(5s Y s

K s Y D E ?-=?(3.11) 消去)(s Y C ?与)(s Y D ?，可得

)1()(1)()()()()(5

43231s T K s F R s P K s K s F K K s P K K K s Y g g C C C E +???????-?=+?-?=? (3.12) 式中：调速器时间常数。调速器增益；调速器的调节速度==

====544

312

11;K K T K K K K K K K K R g C g C 式(2．12)可用图2．6的方框图表示。

注意，调速器速度调节实际上又等于： ..0u p N N N R R

-= (3．13)

式中：N 。为空负荷转速；N 为满负荷转速：R N 为额定转速；p ．u ．为标么值单位。

调速器的物理模型如图3．6所示：

∫蒸汽阀门

原动机速度测量装置

KG 蒸汽f

f0

fg -+

图3．6 调速器物理模型

由于积分环节的动作，只有Ⅳ变成零时，系统才达到稳定值，也即实现了频率的无差调节。但是恒速调节控制器不能用于两台或多台机组并列运行，因为这要求每一台发电机组都准确地具有完全相同的速度。否则每一台机组都力图控制系统以自己的设定速度运行，各机组问不能实现负荷的合理分配，因此引入反馈环节如图3．7所示。 ∫

蒸汽阀门

原动机速度测量装置

KG 蒸汽f

f0fg -+R

引入反馈+

-

图3．7 加入反馈后的调速器物理模型

（2）原动机模型

在负荷一频率控制系统中，另一个重要的环节就是汽轮机。汽轮机的控制特性是指汽机输出功率的变化与蒸汽阀开启度变化△E 之间的关系。在汽轮机中，阀门位置的变化使进汽量也变化，从而导致发电机出力的增减。由于调节阀门与第一喷嘴间有一定的空间存在，当阀门开启或关闭时，进入阀门的蒸汽量虽有改变，但这个空间的压力却不能突变。这就形成了机械功率滞后于阀门开度变化的现象，称为汽容影响。在大容量的汽轮机中，汽容对调节过程的影响很大。这种现象可用一个惯性环节来表示。对于再热式汽轮机还要考虑再热段的充气时延。以有再热的汽轮机为例。

一般来说，这样一个两级汽轮机的动特性应当含有两个时间常数。但为了便于分析起见，通常可以用一个时间常数来模拟，即

s

T K s Y s P t t E t +=??1)()( (2.14) 通常，t T 在0．2s 到0．5s 之间。

而对于水轮机，其控制特性一般可以表示为：

12

1)()(+-=??s T s T s Y s P u u V t (3.15) 其中，u T 一般在0．5s 到4s 之间，它与进水管长度、水头、水速均有关。

（3）发电机与负荷模型

负荷一频率控制中，另一个重要环节就是发电机和负荷特性模型。发电机的功率来自透平而用以满足负荷的要求，因此，对于发电机和负荷模型，其输入增量为)(D G P P ?-?。

这里，假定发电机本身损失不计，则D G P P ?=?，即发电机所发出的功率增量就等于透平输出功率增量，而D P ?是负荷的变化量。

根据有功负荷与频率的关系，可将负荷分为以下几类：

①频率变化基本无关的负荷，如照明、电热和整流负荷等；

@与频率成正比的负荷，如切削机床、球蘑机、往复式水泵、压缩机等； @与频率的二次方成正比的负荷，如变压器中的涡流损耗：

④与频率的三次方成正比的负荷，如静水头阻力不大的循环水泵等： ⑤与频率的更高次方成正比的负荷，如静水头阻力很大的给水泵等。 在额定频率e f 时，系统负荷功率为De P ；当频率下降时，负荷功率将减少；当频率升高时，负荷功率将增加。这就是说，当系统中有功功率失去平衡而引起频率变化时，系统负荷也参与对频率的调节，其特性将有助于系统中有功功率在新的频率值下重新获得平衡，这种现象称为负荷的频率调节效应。

对于发电机和负荷模型来说，这个功率输入增量由两方面被系统所吸收： a ．在发电机转子中，引起动能，增加转速。

在某一指定频率，0f 时，储存在发电机转子中的动能可以表示为：

T k HP W =0 (3．16)

这里，T P 是透平一发电机组的额定功率，而H 是它的惯性常数。

b ．当频率改变时，负荷也会改变。而当频率有一个微小变动时，

f

P D ??可以视作是一个常数，从而此时负荷变化为： f B f f P D ?=???)( (3．17) 对于主要是电动机负荷来说，B 是正的。

前面已经讨论了一个电网中各主要环节的控制特性。这里是指一个孤立的电厂(用一个汽轮发电机组来代表)供给一个地区负荷而言。在这个系统中，C P ?是

给定输入讯号，用来按要求改变汽轮机转速，D P ?而是负荷变化，在这个系统中它是送料干扰。

5.2互联系统频率控制的二次调节

联合电力系统的二次调频从根本上来说就是当发生有功功率平衡破坏时(如负荷增加、减少或发电机跳闸等)，在一次控制实现的频率和联络线潮流有差调节基础上，各个区域启动辅助控制环节，通过改变发电机调速器整定以使有功功率重新达到额定点上的平衡，即实现频率的无差调节。通常把本区域调频过程中产生调节(控制)信号称为区域控制误差ACE(Area Control Error)，这个信号通过恢复性积分环节作用于发电机，如图3．8所示。

K/S ACE

发电机出力整定

图3．8 二次调节控制

(1)联合电力系统频率二次调节控制方式介绍

根据控制目的的不同，互联系统中单个区域的二次调频对应不同的ACE 定义有以下三种控制方式：

a ．ACE=f ?，由于积分控制环节的作用，达到静态稳定时f ?=0，也即实现频率无差调节，故称为恒定频率控制(FFC ：Flat Frequency Control)。

b ．ACE=t P ?，由于积分控制环节的作用，达到静态稳定时t P ?=0，也即实现联络线保持计划值这一目标，故称为恒定净交换功率控制(CNIC ：Constant Net Interchange Control)。

c ．)0(≠?+?=B P f B ACE t ，此时将联络线功率偏差和频率偏差都引入组成控制信号，其中B 为频率偏差系数，该方式称为联络线和频率偏差控制(TBC ：Tie-1ineBias Control)。

将上述单区域二次调频方式进行组合，可以实现多种互联系统频率无差调节的方案，这些方案主要有：

a ．在整个互联系统中指定一个区域用来调节系统频率(也即采用FFC 控制方式)，而其他区域则致力于使各个区域间联络线功率潮流维持在计划值(也即采用CNIC 控制方式)。这种方式的缺陷是将引起过多的区域问无意交换。

b ．整个互联系统中指定一个区域用来调节系统频率(也即采用FFC 控制方式)，而其他区域则不参加二次调频，在有功失衡过程中只利用一次调节产生的裕量进行频率支援。这种方式的缺陷是负荷的缺额均由采用FFC 的区域承担，使之负担过重。

c ．互联系统均采用FFC 控制方式，这种方式在实践中存在的困难是由于各子系统

频率测量的误差，导致系统间有功功率的振荡。

d．互联系统均采用CNIC控制方式，这种方式同样有前述第三种方式的缺陷，同时在系统发生有功失衡时不能够进行相互之间的支援，也无法保证频率的恒定。e．互联系统均采用TBC控制方式，这种方式是由科恩首先提出来，并且己广泛地应用在互联系统的自动发电控制中，这种方式的优越性将在下面的文章中详述。

(2)TBC控制方式下的互联系统频率控制

所有的模块都是非线性、时变的和／或非最小相位的。在每个控制区，许多发电机被看成是一个机组。负荷在设定点的扰动影响了所有区域的频率和潮流线上的功率偏差。由于电力系统的参数不确定性，所以这必定会引起频率的瞬时震荡。它们的速度调节器越快去进行调整就越好。负荷频率控制一般需要在双区域电力系统中通过两个不同的控制行为实现：一次调节与二次调节。

因此，采用TBC控制方式可实现频率的无差调节，同时实现本区域的有功缺额由本区域的调频机组承担(单个区域的调度中心通过分配系数的设定将ACE分配到各调频机组)，而其他区域原则上只参加一次调频，通过联络线在频率下降的初期进行支援。随着频率的恢复，联络线上的支援功率趋向零，联络线上功率恢复为计划值。