鄢　波， 何　鈞， 齊　聰

(1. 國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，南昌 330096；　2. 江西省電力設(shè)計(jì)院，南昌 330096)

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火電機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模方法與優(yōu)化

鄢波1， 何鈞1， 齊聰2

(1. 國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，南昌 330096；2. 江西省電力設(shè)計(jì)院，南昌 330096)

為了提高火電機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性和可靠性，根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算對(duì)調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)的總體要求，從信號(hào)輸出和采集、模型構(gòu)建和實(shí)測、模型參數(shù)仿真校核三個(gè)方面提出了建模試驗(yàn)的優(yōu)化思路及方法；同時(shí)針對(duì)火電機(jī)組運(yùn)行的多變性和強(qiáng)非線性的特點(diǎn)，在模型參數(shù)校核時(shí)提出了“汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)協(xié)同曲線”概念，對(duì)模型進(jìn)行修正。實(shí)踐結(jié)果表明：辨識(shí)所得的模型參數(shù)能夠滿足電力系統(tǒng)分析對(duì)汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型準(zhǔn)確性的要求。

火電機(jī)組； 汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)； 模型構(gòu)建； 電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

現(xiàn)代電網(wǎng)是世界上最大的人造系統(tǒng)，其控制運(yùn)行高度依賴于數(shù)字仿真，汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)中重要的動(dòng)態(tài)元件，其模型參數(shù)對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分析有著決定性的影響。

不同于純理論研究的建模，汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模是一項(xiàng)應(yīng)用性很強(qiáng)的工作，是以已經(jīng)建立的汽輪機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)理論模型為基礎(chǔ)，通過機(jī)組運(yùn)行工況的變化得到各種工況下的多個(gè)實(shí)測模型參數(shù)，再根據(jù)模型參數(shù)建立一個(gè)既考慮到電網(wǎng)頻率計(jì)算安全裕度，又與現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖辔呛系哪軌虮碚鞲鞣N運(yùn)行工況下調(diào)速系統(tǒng)特性的仿真模型 。但是，由于汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)也不完全一致，這就導(dǎo)致不同的模型結(jié)構(gòu)差異較大，模型參數(shù)的準(zhǔn)確性也存在問題。為了建立一套統(tǒng)一的、能夠滿足電網(wǎng)穩(wěn)定性分析需求的調(diào)速系統(tǒng)建模方法，筆者對(duì)火電機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模方法進(jìn)行分析與優(yōu)化。

1　汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模的關(guān)鍵點(diǎn)

電網(wǎng)穩(wěn)定性分析的計(jì)算結(jié)果將直接應(yīng)用于電網(wǎng)安全性評(píng)估，因此模型參數(shù)的準(zhǔn)確性是其最基本的要求，必須達(dá)到一定的精度才能應(yīng)用在分析計(jì)算中。汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測與建模包括信號(hào)輸出和采集、模型構(gòu)建和實(shí)測、功率閉環(huán)仿真校核[1]三個(gè)部分：

(1) 信號(hào)輸出和采集是基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)采集精度直接影響到建模質(zhì)量。突出問題是數(shù)據(jù)刷新率不夠，如果靜態(tài)不能確定刷新率，動(dòng)態(tài)時(shí)發(fā)現(xiàn)不合格也沒有辦法修改。

(2) 模型構(gòu)建和實(shí)測是關(guān)鍵，突出問題是對(duì)模型了解不夠清晰，現(xiàn)場可操作性與數(shù)據(jù)有效性存在矛盾，模型構(gòu)建不夠細(xì)致，偏差較大。

(3) 功率閉環(huán)仿真是提升，在前面的基礎(chǔ)上得出經(jīng)得住檢驗(yàn)的模型參數(shù)。

提高汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)的準(zhǔn)確性，必須從以上三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化和提高。

2　汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模方法優(yōu)化

2.1 建模信號(hào)采集方法優(yōu)化

建模試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集是建模成功與否的先決條件。為了保證模型的精確度，要求采集的模擬量數(shù)據(jù)刷新頻率要大于20 Hz。一般來說，優(yōu)先采用DCS系統(tǒng)的AO端子輸出。但是采用這種方法采集數(shù)據(jù)，受DPU運(yùn)算速度影響，大部分機(jī)組DCS系統(tǒng)運(yùn)算速率都大于100 ms，采集數(shù)據(jù)過少，影響建模的精確度。

為了提高數(shù)據(jù)刷新率，將設(shè)備串聯(lián)接入變送器回路進(jìn)行采集。但是如果將信號(hào)線直接串接容易使信號(hào)受到干擾，對(duì)機(jī)組的安全造成影響。此外，采集設(shè)備具有一定的阻抗，有些DCS板卡負(fù)載能力不夠，無法推動(dòng)串聯(lián)的儀器。

為了解決上述問題，采用一路輸入兩路輸出的電流環(huán)隔離器(見圖1)。

圖1　建模信號(hào)采集框圖

由圖1可見：

(1) 由于三路通道完全隔離，避免了共模干擾對(duì)測量精度的影響，也避免了地電位不同對(duì)機(jī)組和采集設(shè)備帶來的危害。

(2) 該隔離器外接24 V電源，負(fù)載能力強(qiáng)，可推動(dòng)采集設(shè)備。

2.2 模型構(gòu)建和參數(shù)實(shí)測方法優(yōu)化

通過對(duì)汽輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)模型進(jìn)行理論分析，典型的火電機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可劃分為控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、原動(dòng)機(jī)三部分(見圖2)[2]。調(diào)速系統(tǒng)建模試驗(yàn)的目的就是為了獲取這三部分部分結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)，進(jìn)行分環(huán)節(jié)建模、實(shí)測、校核，組合各部分實(shí)測結(jié)果得到整體模型參數(shù)。

圖2　典型火電機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖

2.2.1 控制系統(tǒng)模型構(gòu)建和實(shí)測方法優(yōu)化

由于火力發(fā)電機(jī)組的控制邏輯比較復(fù)雜，不同機(jī)組的控制方法也不盡相同。為了得到準(zhǔn)確的建模結(jié)果，首先必須對(duì)其控制邏輯進(jìn)行簡化，對(duì)一些關(guān)鍵的控制方式和切換條件進(jìn)行全面了解，簡化時(shí)必須仔細(xì)閱讀控制系統(tǒng)SAMA圖，讀圖時(shí)注意：

(1) 把握宏觀，大的控制方式、切換條件需要先了解。

(2) 逆向讀圖，從閥門指令開始，向控制PID不斷跳轉(zhuǎn)。

(3) 關(guān)注主線，與正常運(yùn)行條件控制無關(guān)的環(huán)節(jié)一律忽略不計(jì)。將控制系統(tǒng)簡化成由延時(shí)模塊、一階慣性模塊、速率限制模塊和PID模塊等組成的框架結(jié)構(gòu)。

其次，由于不同的DCS廠家 PID 模塊運(yùn)算公式不一致，PID參數(shù)與實(shí)際表現(xiàn)出來的運(yùn)算效果不一致，所以必須進(jìn)行PID參數(shù)校準(zhǔn)，即在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下，將DCS負(fù)荷控制回路PID環(huán)節(jié)單獨(dú)設(shè)置為P、I、D環(huán)節(jié)，及PI、PD、PID環(huán)節(jié)[3]。強(qiáng)制PID環(huán)節(jié)的輸入量，測取PID環(huán)節(jié)的輸出量。通過錄波曲線觀察是否與設(shè)置參數(shù)一致，如果不一致，需要尋找數(shù)據(jù)的規(guī)律，找到建模需要的PID實(shí)際參數(shù)。

最后，為了檢測控制系統(tǒng)模型是否準(zhǔn)確，須進(jìn)行靜態(tài)一次調(diào)頻功能校核仿真,即在停機(jī)狀態(tài)下，以調(diào)頻環(huán)節(jié)的頻差為輸入量，做階躍擾動(dòng)，用設(shè)備采集功率控制輸出量。將延時(shí)模塊、一階慣性模塊、速率限制模塊和PID模塊串聯(lián)起來，對(duì)一次調(diào)頻功率回路進(jìn)行總體靜態(tài)仿真校核，確保仿真和實(shí)測的偏差值在允許范圍之內(nèi)。

2.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型構(gòu)建和實(shí)測方法優(yōu)化

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型構(gòu)建主要是測取執(zhí)行機(jī)構(gòu)電液轉(zhuǎn)換PID控制部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟時(shí)間To、執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉時(shí)間Tc以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)限值等相關(guān)參數(shù)。

采用“黑匣子”的方法對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行解耦，也就是將其中一部分參數(shù)看成“黑匣子”，對(duì)“黑匣子”以外的參數(shù)進(jìn)行測量，從而達(dá)到模型參數(shù)的分步獲取。具體實(shí)施方法采用執(zhí)行機(jī)構(gòu)大階躍擾動(dòng)和小階躍擾動(dòng)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)大階躍擾動(dòng)指將執(zhí)行機(jī)構(gòu)電液轉(zhuǎn)換PID控制部分看成一個(gè)“黑匣子”(執(zhí)行機(jī)構(gòu)大幅度動(dòng)作時(shí)，PID環(huán)節(jié)不起作用)，在停機(jī)狀態(tài)下，進(jìn)行指令的大幅度擾動(dòng)(一般大于60%)。通過測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移曲線獲得時(shí)間常數(shù)，即關(guān)閉時(shí)間常數(shù)Tc、開啟時(shí)間常數(shù)To，同時(shí)獲得執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上、下限幅值(見圖3)。在進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)大幅度擾動(dòng)時(shí)，容易進(jìn)入閥門的非線性區(qū)域(如閥門零位、滿位限速以及限幅)。一旦進(jìn)入，所測取的時(shí)間就不再是正常開關(guān)時(shí)的時(shí)間常數(shù)。如果出現(xiàn)這種情況，試驗(yàn)時(shí)初始閥位與終點(diǎn)閥門避開全開、全關(guān)位，而只進(jìn)行閥門中間值的大幅度擾動(dòng)。

圖3　執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)解耦框圖(時(shí)間常數(shù)及限幅)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)小階躍擾動(dòng)是將執(zhí)行機(jī)構(gòu)零位、滿位限速以及限幅部分看成一個(gè)“黑匣子”，在停機(jī)狀態(tài)下，進(jìn)行閥門指令的小幅度擾動(dòng)(一般小于20%)。通過測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移曲線，進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)電液轉(zhuǎn)換PID控制器參數(shù)校核。由于對(duì)模塊參數(shù)定義的不同，DEH的閥位控制器模塊組態(tài)中讀取的數(shù)值往往和實(shí)際值存在偏差，小階躍擾動(dòng)就是獲取真實(shí)的PID參數(shù)(見圖4)。

圖4　執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)解耦框圖(PID參數(shù))

測試時(shí)閥位反饋通道的慣性時(shí)間T2很難直接從環(huán)節(jié)兩端取信號(hào)，可以利用閥門指令擾動(dòng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)通過辨識(shí)獲取，也可以考慮取一經(jīng)驗(yàn)值代替。

2.2.3 原動(dòng)機(jī)模型構(gòu)建與實(shí)測方法優(yōu)化

汽輪機(jī)原動(dòng)機(jī)模型構(gòu)建和實(shí)測，主要是測試管路的容積時(shí)間參數(shù)，即高壓汽室容積時(shí)間常數(shù)TCH、再熱器容積時(shí)間常數(shù)TRH、低壓連通管容積時(shí)間常數(shù)TCO以及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子飛升時(shí)間Ta。

為了獲得更精確的數(shù)據(jù)，在機(jī)組停機(jī)時(shí)，修改控制系統(tǒng)組態(tài)，在閥位指令處直接施加階躍擾動(dòng)，使得高壓調(diào)節(jié)閥以最快速率開啟，獲得較好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)波形，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，便于進(jìn)行模型參數(shù)辨識(shí)。

原動(dòng)機(jī)的實(shí)測建模試驗(yàn)應(yīng)在閥控方式下進(jìn)行。試驗(yàn)前負(fù)荷大于80%，機(jī)組壓力、功率應(yīng)保持穩(wěn)定，試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行汽輪機(jī)閥控方式的總閥位指令的上、下階躍，引起不小于3%的負(fù)荷變化，測取主蒸汽壓力、調(diào)節(jié)級(jí)壓力、冷再壓力、熱再壓力、中排壓力、機(jī)組負(fù)荷、高壓調(diào)節(jié)閥反饋等相關(guān)測點(diǎn)，用BPA或PSASP進(jìn)行仿真，辨識(shí)出TCH、TRH、TCO等相關(guān)參數(shù)。

甩負(fù)荷試驗(yàn)的主要目的是測試轉(zhuǎn)子飛升時(shí)間，由于此參數(shù)對(duì)機(jī)組動(dòng)態(tài)特性影響很大，需實(shí)際測量。然而，出于對(duì)安全和經(jīng)濟(jì)性的考慮，有時(shí)候電廠會(huì)要求不進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)，造成參數(shù)無法直接測量。

如不能實(shí)測，只能通過理論計(jì)算的方法來獲取其理論值或近似值。對(duì)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子飛升時(shí)間的計(jì)算，可由以下公式[4]獲得：

Ta=Jω0/M

(1)

M≈9 550P/n0

(2)

式中：P為汽輪機(jī)的額定功率，kW；M為汽輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，N·m；n0為汽輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min；J為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ω0為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子額定角速度，rad/s。

2.3 模型參數(shù)校核方法優(yōu)化

對(duì)于已經(jīng)辨識(shí)出汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)，為了確保參數(shù)的準(zhǔn)確和可靠性，必須進(jìn)行模型參數(shù)功率閉環(huán)校核。在機(jī)組協(xié)調(diào)運(yùn)行方式下，進(jìn)行頻率擾動(dòng)試驗(yàn)，擾動(dòng)頻差一般應(yīng)不小于0.15 Hz，負(fù)荷不低于5%(有條件的情況下，可以電網(wǎng)實(shí)際發(fā)生過的歷史擾動(dòng)的頻率變化曲線為輸入，進(jìn)行一次調(diào)頻的響應(yīng)測試)，錄取功率、主汽壓等相關(guān)參數(shù)曲線。將測取的參數(shù)在BPA或PSASP綜合程序上進(jìn)行整體的機(jī)組閉環(huán)仿真，與實(shí)際的參數(shù)曲線進(jìn)行比對(duì)、分析和校核。

鑒于火電機(jī)組運(yùn)行的多變性和強(qiáng)非線性特點(diǎn)，如何對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)是校核應(yīng)該考慮的主要問題?？紤]到省內(nèi)電網(wǎng)機(jī)組型式、容量的多樣性，同一機(jī)組在功率不同階段或一臺(tái)機(jī)組同一功率但調(diào)節(jié)閥位置不同階段(單閥、順序閥)，帶負(fù)荷能力和特性相差比較大，通過對(duì)典型汽輪機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究表明汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)呈現(xiàn)強(qiáng)非線性， 為此，引入汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)協(xié)同曲線[5]對(duì)調(diào)速系統(tǒng)模型進(jìn)行修正，以便在全工況范圍適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)的功頻響應(yīng)特性(見圖5)。

圖5　汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型修正

3　試驗(yàn)的其他注意事項(xiàng)

3.1 模型結(jié)構(gòu)的確定

現(xiàn)場試驗(yàn)前，首先需要確定模型的結(jié)構(gòu)。模型結(jié)構(gòu)確定后，才能進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)測點(diǎn)的選取。目前電力系統(tǒng)穩(wěn)定性計(jì)算軟件ASP或PSASP自帶模型庫中汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的模型能反映大部分機(jī)組的實(shí)際情況，但是由于機(jī)組的復(fù)雜和多樣性，特別是控制方法的多樣性，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)與自帶模型相差較大的情況，為取得更好的仿真效果，應(yīng)該自定義模型。

3.2 辨識(shí)方法的確定

模型參數(shù)辨識(shí)是建模的關(guān)鍵部分，辨識(shí)方法對(duì)結(jié)果有很大的影響。通常辨識(shí)采用常規(guī)的時(shí)域或頻域辨識(shí)方法，這種方法對(duì)試驗(yàn)擾動(dòng)信號(hào)的要求較高，一般要求是階躍信號(hào)；一旦現(xiàn)場條件

滿足不了，則不能采用階躍方法進(jìn)行試驗(yàn)，可以考慮采用遺傳算法、粒子群算法等對(duì)擾動(dòng)信號(hào)要求不高的辨識(shí)方法。

4　結(jié)語

根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性計(jì)算對(duì)調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)的總體要求，闡述了汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模試驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了建模試驗(yàn)的優(yōu)化思路及方法，并給出了試驗(yàn)過程中常見的一些問題及相應(yīng)的優(yōu)化措施。從該火力發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模試驗(yàn)的實(shí)施情況來看，上述方法切實(shí)可行，得到的模型參數(shù)也是準(zhǔn)確可靠的。

[1] 顧正皓. 數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真和參數(shù)辨識(shí)研究[J].浙江電力，2003,28(2):21-24.

[2] 李陽海,張才穩(wěn),楊濤,等. 基于電網(wǎng)穩(wěn)定性分析的汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模試驗(yàn)研究[J]. 汽輪機(jī)技術(shù),2011,53(4): 290-294.

[3] 高偉,李陽海. 600 MW 汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)試驗(yàn)及辨識(shí)研究[J]．汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48 (4): 284-286.

[4] 焦春雷, 李曉君, 于永軍. 調(diào)速系統(tǒng)建模及存在問題研究[J]. 新疆電力技術(shù), 2013(3):1-4.

[5] 勵(lì)剛,曹路,李建華,等. 基于全工況試驗(yàn)修正的汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型研究[J]. 華東電力, 2014,42(5):939-942.

Modeling Method of Turbine Speed Governing System in Thermal Power Units and its Optimization

Yan Bo1, He Jun1, Qi Cong2

(1. State Grid Jiangxi Electric Power Research Institute, Nanchang 330096, China;2. Jiangxi Electric Power Design Institute, Nanchang 330096, China)

To improve the model accuracy and reliability of a turbine speed governing system in thermal power units, and according to the overall requirements of the power system stability calculation on the model parameters, optimization ideas and methods were put forward from three aspects, namely the signal output and acquisition, the model measurement and building, and the simulation verification of model parameters. Also, the concept of “coordinated turbine governing system curve” was proposed to modify the model according to the variability and strong nonlinearity during operation of relevant thermal power units. Practice results show that the model parameters identified can meet the accuracy requirements on the model of turbine governing system in the process of power grid stability analysis.

thermal power unit; turbine governing system; modeling; power grid stability analysis

2015-11-03

鄢波(1982—)，男，高級(jí)工程師，主要從事火電廠熱工控制系統(tǒng)研究和應(yīng)用工作。

E-mail: 13870670731@163.com

TK323

A

1671-086X(2016)04-0219-04