陳彥峰

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測工作是電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算的基礎(chǔ)性試驗(yàn)項(xiàng)目，汽輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)模型的完善程度是影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析可靠性和精確性的重要因素〔1－5〕。近年來，有關(guān)汽輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的建模研究工作已取得了一定成果:文獻(xiàn)〔6〕論述了汽輪機(jī)所采用的調(diào)速控制方式和參數(shù)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算的影響；文獻(xiàn) 〔7〕給出了計(jì)及回?zé)崞餍顭嵝?yīng)的汽輪機(jī)動態(tài)模型；文獻(xiàn) 〔8〕給出了考慮到高壓缸功率過調(diào)效應(yīng)的再熱凝汽式汽輪機(jī)數(shù)學(xué)模型。其中部分成果已被一些電力系統(tǒng)專用計(jì)算程序 (如電力系統(tǒng)綜合分析程序PSASP，PSD-BPA)引用。

常用電力系統(tǒng)專用計(jì)算程序中的汽輪機(jī)調(diào)速器模型一般不考慮機(jī)組實(shí)際閥門流量特性的影響，或者認(rèn)為汽輪機(jī)閥門流量函數(shù)能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際的閥門流量特性。然而工程應(yīng)用中，存在汽輪機(jī)閥門流量特性曲線與機(jī)組實(shí)際閥門流量特性不匹配的情況，通常是由閥門的制造、組裝、檢修或更換所引起的〔9〕。反映到汽輪機(jī)調(diào)速器模型上，會使仿真計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)場記錄存在差異，進(jìn)而影響建模精度。所以在建模過程中考慮實(shí)際汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥門流量特性的影響以建立精確的汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，使其能夠用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析。

1 再熱汽輪機(jī)模型及其結(jié)構(gòu)分析

1.1 再熱汽輪機(jī)數(shù)學(xué)模型

以電力系統(tǒng)綜合分析程序 (PSASP 6.26)為例，其內(nèi)置的4型調(diào)速器模型由3個(gè)子模型組成:電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電液伺服機(jī)構(gòu)、汽輪機(jī)模型。其中電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型

該模型包括3種控制模式:調(diào)節(jié)級壓力控制方式、閥控方式、功率控制方式。調(diào)速器模型中的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用是運(yùn)算生成用于控制伺服機(jī)構(gòu)的閥位指令。伺服機(jī)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 電液伺服機(jī)構(gòu)模型

電液伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)閥位指令值形成實(shí)際的閥門開度。當(dāng)主汽壓力不變時(shí)，閥門開度對應(yīng)著一定的蒸汽流量。蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)的高、中、低壓缸后膨脹做功最終輸出汽輪機(jī)總體機(jī)械功率。汽輪機(jī)模型如圖3所示。

圖3 再熱汽輪機(jī)模型

圖3中，TCH是高壓蒸汽容積時(shí)間常數(shù)；TRH是再熱蒸汽容積時(shí)間常數(shù)；TCO是連通管容積時(shí)間常數(shù)；FHP為高壓缸功率系數(shù)；FIP為中壓缸功率系數(shù)； FLP為低壓缸功率系數(shù)； FHP＋FIP＋FLP＝1。

1.2 閥門流量特性對汽輪機(jī)模型結(jié)構(gòu)的影響分析

通常情況下，汽輪機(jī)并網(wǎng)后中調(diào)門保持全開狀態(tài)，此時(shí)汽輪機(jī)的電液伺服機(jī)構(gòu)指的是高壓缸調(diào)節(jié)汽門 (高調(diào)門)。而汽輪機(jī)的高調(diào)門通常有4或6個(gè)，根據(jù) 《同步發(fā)電機(jī)原動機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測與建模導(dǎo)則》，當(dāng)高調(diào)門動作特性基本一致時(shí)，單個(gè)電液伺服機(jī)構(gòu)可以模擬多個(gè)高調(diào)門。

由于汽輪機(jī)調(diào)門－蒸汽流量是非線性關(guān)系，所以實(shí)際的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)并不會直接形成閥位指令，而是通過閥門流量特性函數(shù)對流量指令進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而形成與之對應(yīng)的閥位指令。因此，實(shí)際電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 實(shí)際電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)

由圖4可知，電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量指令經(jīng)閥門流量特性函數(shù)折算成閥位指令，伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)閥位指令動作形成調(diào)門的實(shí)際開度。主汽壓力不變，汽輪機(jī)調(diào)門的開度對應(yīng)一定的蒸汽流量。因此只有當(dāng)閥門流量函數(shù)能夠真實(shí)反映汽輪機(jī)實(shí)際閥門流量特性時(shí)，則可以不考慮調(diào)門指令和蒸汽流量的非線性關(guān)系，即可認(rèn)為調(diào)門開度與蒸汽流量是線性對應(yīng)關(guān)系。此時(shí)用再熱汽輪機(jī)模型模擬并網(wǎng)汽輪機(jī)組是合適的。而實(shí)際上由于調(diào)節(jié)閥門的制造、安裝、更換等因素都有可能使閥門的實(shí)際特性與閥門流量函數(shù)存在偏差。這時(shí)就必須在電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算中考慮閥門流量特性對再熱汽輪機(jī)模型的影響。

2 計(jì)及閥門流量特性的再熱汽輪機(jī)數(shù)學(xué)模型及其仿真校驗(yàn)

對某火電廠再熱汽輪機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)。在協(xié)調(diào)控制方式下，人為地模擬汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速階躍變化，快速改變汽輪機(jī)出力，從而考察該機(jī)組的頻率響應(yīng)特性。該機(jī)組的協(xié)調(diào)控制是基于鍋爐跟隨方式的，因此當(dāng)主汽壓力在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，可以不考慮主汽壓力的影響，則該機(jī)組協(xié)調(diào)控制邏輯如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)邏輯框圖

圖5中的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用前饋—反饋控制。該控制系統(tǒng)功率給定值為原始設(shè)定值與一次調(diào)頻目標(biāo)值之和。其PID控制器的輸出經(jīng)速率限制環(huán)節(jié)(變化率限值為30 MW/min)后與一次調(diào)頻前饋量之和形成流量指令。一次調(diào)頻目標(biāo)值和前饋量由DEH轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過轉(zhuǎn)速不等率函數(shù)生成，分別疊加至協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)前饋與反饋設(shè)定值上。作為PID控制器反饋量的功率信號通過一階慣性環(huán)節(jié)以減小和抑制信號波動對機(jī)組控制的不利影響。

圖6一次調(diào)頻試驗(yàn)曲線

該機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)現(xiàn)場錄波如圖6所示，當(dāng)機(jī)組模擬轉(zhuǎn)速階躍改變后，根據(jù)轉(zhuǎn)速變化的DEH一次調(diào)頻功率調(diào)整值相應(yīng)改變，從而使流量指令階躍增加。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)CCS中的一次調(diào)頻功能使其功率給定值增加。在汽機(jī)主控調(diào)節(jié)器的作用下，流量指令隨功率給定值與實(shí)際功率的偏差相應(yīng)改變。40 s后，功率曲線基本不再變化，機(jī)組處于平衡狀態(tài)。由于DEH一次調(diào)頻功能的功率調(diào)整值是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的前饋信號，且功率前饋系數(shù)為1，當(dāng)機(jī)組閥門流量函數(shù)能夠反映實(shí)際閥門流量特性時(shí)，則初始流量指令改變量將等于穩(wěn)態(tài)流量指令改變量。而圖6中初始流量指令改變量/穩(wěn)態(tài)流量指令改變量約為1.2，如果再考慮到試驗(yàn)過程中主汽壓力有所降低，則初始改變量與穩(wěn)態(tài)改變量的比值將更大。所以有必要在該再熱汽輪機(jī)組建模過程中考慮閥門流量特性的影響。

2.1 計(jì)及閥門流量特性的再熱汽輪機(jī)模型

建立考慮閥門流量特性的再熱汽輪機(jī)模型，模型假設(shè)流量指令等效于閥位指令，即閥門流量特性函數(shù)f(x)＝x。而實(shí)際閥位－蒸汽流量特性為非線性關(guān)系，對實(shí)際閥門流量特性進(jìn)行線性化處理，將其簡化為一分段線性函數(shù)，即假設(shè)閥門與蒸汽流量呈線性關(guān)系，只是在不同的工況下，斜率不同。

在使用改進(jìn)模型之前，需根據(jù)工況點(diǎn)確定分段線性函數(shù)的斜率K。利用圖6中一次調(diào)頻試驗(yàn)數(shù)據(jù)，K為初始流量指令改變量/穩(wěn)態(tài)流量指令改變量。

利用電力系統(tǒng)綜合分析程序 (PSASP)的用戶自定義建模功能建立圖5的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型，如圖7所示。

圖7 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

圖7中，滯后環(huán)節(jié)為一階慣性環(huán)節(jié)，其慣性時(shí)間常數(shù)為 5.125 s。速率限制環(huán)節(jié)的限制值為30 MW/min，折算成標(biāo)幺值為0.001 43。

汽輪機(jī)模型的主要參數(shù)通過對機(jī)組進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)測試的動態(tài)擾動試驗(yàn)獲得，其辨識的結(jié)果見表1。

表1 汽輪機(jī)模型仿真的參數(shù)取值

2.2 改進(jìn)模型的仿真校驗(yàn)

利用該機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對改進(jìn)模型進(jìn)行仿真校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 增負(fù)荷仿真曲線與實(shí)際錄波

圖9 減負(fù)荷仿真曲線與實(shí)際錄波

圖8、圖9中，原始模型由于未考慮閥門流量特性的影響，仿真曲線與實(shí)際錄波存在一定的偏差。而計(jì)及閥門流量特性的修正模型則能夠與實(shí)際錄波更好地吻合，如果考慮到對閥門流量特性線性化處理引起的誤差以及試驗(yàn)錄波過程中的噪聲干擾，計(jì)及閥門流量特性的修正模型的仿真曲線與實(shí)際有功功率響應(yīng)的偏差可以忽略。

3 結(jié)論

1)在電力系統(tǒng)綜合分析程序中，建立計(jì)及調(diào)節(jié)閥門流量特性的汽輪機(jī)調(diào)速器模型。對該模型進(jìn)行仿真校驗(yàn)，仿真結(jié)果表明與原模型相比，改進(jìn)模型能夠更好地模擬實(shí)際機(jī)組的響應(yīng)特性。

2)通過仿真發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥門的流量特性對其功率響應(yīng)過程有重要影響，因此當(dāng)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的閥門流量函數(shù)與實(shí)際閥門流量特性不匹配時(shí)，就必須考慮閥門流量特性對模型結(jié)構(gòu)和仿真精度的影響。

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