蒼國(guó)超

（國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司，北京 100033）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是我國(guó)“西電東送、南北互供和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”工程的開展，推動(dòng)了我國(guó)互聯(lián)電網(wǎng)的快速發(fā)展［1］。電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性提出了更為嚴(yán)格的要求，電力系統(tǒng)的隨機(jī)擾動(dòng)（如頻率、功率等）嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［2］。在由“源—網(wǎng)—荷”構(gòu)成的復(fù)雜電力系統(tǒng)中，電源起著舉足輕重的作用，常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) （例如：一次調(diào)頻試驗(yàn)、AGC能力試驗(yàn)等）在一定程度上可以評(píng)價(jià)電源點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性能，從而提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析與運(yùn)行管理水平［3-4］。

在做好電源常規(guī)入網(wǎng)檢測(cè)和評(píng)估試驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真和實(shí)測(cè)可以更有效地分析電網(wǎng)安全穩(wěn)定性。原動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)承擔(dān)著系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰的重要任務(wù)，為促進(jìn)大區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)穩(wěn)定性分析向更好的方向發(fā)展，研究原動(dòng)機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的影響十分必要［5］。

文獻(xiàn)［6］給出了再熱凝汽式汽輪機(jī)通用模型，用以描述火電機(jī)組的涉網(wǎng)特性，然而事故數(shù)據(jù)追憶和典型工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析均表明該模型與實(shí)際數(shù)據(jù)存在一定的誤差［7］。文獻(xiàn)［8］用機(jī)理建模的方法建立了考慮回?zé)嵯到y(tǒng)的汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)模型。文獻(xiàn)［9］在分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理的基礎(chǔ)上，建立了適用于電網(wǎng)穩(wěn)定性分析的電液伺服及執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型。文獻(xiàn)［10］在電力系統(tǒng)分析綜合程序（PSASP）中搭建了OPC保護(hù)響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)典型事故進(jìn)行仿真對(duì)比驗(yàn)證了模型的正確性。文獻(xiàn)［11］將發(fā)電機(jī)高轉(zhuǎn)速啟動(dòng)條件納入PLU保護(hù)控制的觸發(fā)邏輯，建立新的穩(wěn)定計(jì)算仿真模型，采用典型網(wǎng)側(cè)故障數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校核。文獻(xiàn)［12］結(jié)合機(jī)電暫態(tài)仿真與中長(zhǎng)期仿真的特點(diǎn)，考慮單元機(jī)組的主要?jiǎng)討B(tài)特性與非線性特性，提出了一種適用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的火電機(jī)組動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。由此可見目前的研究工作多側(cè)重于火電機(jī)組涉網(wǎng)特性的精細(xì)化建模，而關(guān)于火電機(jī)組涉網(wǎng)模型參數(shù)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的擾動(dòng)影響分析仍有待進(jìn)一步開展。

綜合考慮回?zé)嵯到y(tǒng)、PLU控制回路等因素，建立相對(duì)完善的火電機(jī)組涉網(wǎng)特性分析模型。結(jié)合單機(jī)無(wú)窮大的電網(wǎng)模型，基于RTDS系統(tǒng)，搭建了網(wǎng)源協(xié)調(diào)仿真模型，開展多工況下的參數(shù)擾動(dòng)特性仿真研究，以此分析模型參數(shù)變化對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響，進(jìn)一步完善機(jī)組涉網(wǎng)特性模型。

1 火電機(jī)組涉網(wǎng)特性模型

與汽機(jī)側(cè)相比，鍋爐側(cè)的過(guò)程響應(yīng)特性相對(duì)緩慢，因此，在研究火電機(jī)組涉網(wǎng)特性模型時(shí)，一般僅考慮汽輪機(jī)及其控制系統(tǒng)。因此，火電機(jī)組涉網(wǎng)特性模型主要包括：汽輪機(jī)本體模型、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型、回?zé)嵯到y(tǒng)模型和控制系統(tǒng)模型等。

1.1 汽輪機(jī)本體模型

汽輪機(jī)的主要?jiǎng)討B(tài)特性通過(guò)蒸汽容積效應(yīng)模型來(lái)描述，用于電網(wǎng)仿真的汽輪機(jī)模型普遍采用簡(jiǎn)化形式如圖 1 所示［6］。

圖 1 中，F(xiàn)HP，F(xiàn)IP，F(xiàn)LP分別為高壓缸功率系數(shù)、中壓缸功率系數(shù)、低壓缸功率系數(shù)；TCH，TRH，TCO分別為高壓汽室蒸汽容積時(shí)間、再熱蒸汽容積時(shí)間、低壓連通管蒸汽容積時(shí)間；λ為高壓缸功率過(guò)調(diào)系數(shù)。

常規(guī)模型是按照高、中和低壓缸分別建模后進(jìn)行串聯(lián)獲得?？紤]實(shí)際回?zé)嵯到y(tǒng)對(duì)機(jī)組并網(wǎng)特性的影響，后續(xù)建模將按照各級(jí)抽汽點(diǎn)來(lái)分割缸體的蒸汽容積效應(yīng)。

圖1 再熱凝汽式汽輪機(jī)通用模型

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型

調(diào)速系統(tǒng)遲緩率［9］用以描述由于各部件的摩擦、卡澀、不靈活等因素造成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作遲緩程度。因此，為提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型仿真的精度，將LVDT測(cè)量延遲和精度效應(yīng)、滑閥和油動(dòng)機(jī)死區(qū)等影響因素納入傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)模型［6］中，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，TC為閥門開啟時(shí)間，TO為閥門關(guān)閉時(shí)間，其他符號(hào)說(shuō)明可參考文獻(xiàn)［6］。

1.3 回?zé)嵯到y(tǒng)模型

文獻(xiàn)［8］通過(guò)機(jī)理分析建立了考慮回?zé)嵯到y(tǒng)的汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)模型，該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)能夠有效地反映出回?zé)崞鲗?duì)汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 改進(jìn)電液伺服系統(tǒng)模型

圖3中，αri為抽汽份額系數(shù)；Ci為級(jí)組功率系數(shù)；Wi（S）為回?zé)崞鲃?dòng)態(tài)特性傳遞函數(shù)，其中 i為功率級(jí)數(shù)；K1，K2，K3為靜態(tài)參數(shù)，直接用熱平衡計(jì)算得到的參數(shù)。

圖3 給水回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)的信號(hào)流圖

1.4 PLU控制回路模型

功率負(fù)荷不平衡［11］（Power Load Unbalance，PLU）是用于功率及負(fù)荷之間的不平衡對(duì)機(jī)組進(jìn)行保護(hù)的控制方案，典型PLU邏輯如圖4所示。當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷瞬間減少且發(fā)電機(jī)功率與機(jī)械功率的差值大于保護(hù)限值時(shí)，觸發(fā)PLU保護(hù)動(dòng)作，快速關(guān)閉高、中調(diào)閥，抑制汽機(jī)超速。

圖4 PLU邏輯

2 RTDS仿真模型搭建

2.1 RTDS簡(jiǎn)介

實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀 （Real Time Digital Simulator，RTDS）由加拿大曼尼托巴RTDS公司開發(fā)制造，主要用來(lái)對(duì)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行全數(shù)字模擬。RTDS可在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)里完成各種狀態(tài)量的求解計(jì)算，計(jì)算精度和模型的合理性已通過(guò)多年的國(guó)內(nèi)外運(yùn)行驗(yàn)證，是目前世界上應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)［13-15］。

2.2 仿真模型搭建

利用RTDS中的元件模塊庫(kù)，搭建了改進(jìn)的火電機(jī)組涉網(wǎng)特性分析模型，模型主要包括機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模塊（如圖5所示）、高調(diào)閥模塊（如圖6所示）、高壓缸模塊（如圖7所示）、PLU控制模塊（如圖8所示）和電網(wǎng)側(cè)模型等模塊。

圖5 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模塊（RTDS）

圖6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊（RTDS）

圖7 高壓缸模塊（RTDS）

2.3 模型分析研究

2.3.1 模型對(duì)比仿真研究

為檢驗(yàn)所建立的火電機(jī)組涉網(wǎng)特性模型的準(zhǔn)確性，將所建模型與文獻(xiàn)［6］中提及的傳統(tǒng)模型進(jìn)行RTDS仿真對(duì)比。仿真過(guò)程描述：在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，給系統(tǒng)側(cè)電壓疊加一個(gè)階躍擾動(dòng)，使系統(tǒng)側(cè)電壓從500 kV升至550 kV（類似觸發(fā)電網(wǎng)頻率振蕩周期1.2 Hz的擾動(dòng)），模型響應(yīng)特性對(duì)比如圖9所示。

圖9 改進(jìn)模型與傳統(tǒng)模型結(jié)果對(duì)比

由圖9看出，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生頻率擾動(dòng)時(shí)，相比于傳統(tǒng)模型，新建模型振蕩時(shí)間更長(zhǎng)。這是由于該模型考慮了閥門的非線性和回?zé)嵯到y(tǒng)等因素的影響，導(dǎo)致模型出現(xiàn)了更長(zhǎng)時(shí)間的震蕩過(guò)程，這也與實(shí)際情況中的電網(wǎng)波動(dòng)更為符合。

2.3.2 PLU模塊的影響分析

以PLU為代表的保護(hù)回路是保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的基石，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生某些特定故障時(shí)，用于維持電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。仿真過(guò)程描述：系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，模擬電網(wǎng)短時(shí)短路故障，造成發(fā)電機(jī)功率突然減小，滿足PLU觸發(fā)條件，模型響應(yīng)特性對(duì)比如圖10所示。

由圖10可以看出，PLU投入與否對(duì)火電機(jī)組涉網(wǎng)模型的響應(yīng)特性影響較大。因此，在涉網(wǎng)特性建模中對(duì)該類型控制保護(hù)回路進(jìn)行考慮可以提高模型的適用性，進(jìn)而提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖10 PLU投入對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

3 模型參數(shù)敏感性研究

為進(jìn)一步研究火電機(jī)組涉網(wǎng)特性模型參數(shù)波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，基于RTDS中搭建的網(wǎng)源協(xié)調(diào)仿真分析模型，針對(duì)不同的模型參數(shù)變動(dòng)進(jìn)行擾動(dòng)仿真試驗(yàn)，具體參數(shù)設(shè)置情況如下：

1）工況1，模型原參數(shù)不變；

2）工況2，再熱容積時(shí)間常數(shù)變?yōu)樵瓉?lái)2倍，其他參數(shù)不變，如圖11所示；

3）工況3，高壓缸蒸汽容積時(shí)間常數(shù)變?yōu)樵瓉?lái)2倍，其他參數(shù)不變，如圖12所示；

4）工況4，油動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)變?yōu)樵瓉?lái)2倍，其他參數(shù)不變，如圖13所示；

圖12 高壓缸容積時(shí)間常數(shù)敏感性分析

圖13 油動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)敏感性分析

5）工況 5，回?zé)崞鲿r(shí)間常數(shù)變?yōu)樵瓉?lái) 1/2，其他參數(shù)不變，如圖14所示；

圖14 回?zé)崞魅莘e時(shí)間常數(shù)敏感性分析

6）工況6，功率前饋系數(shù)從0.3變?yōu)?.7，其他參數(shù)不變，如圖15所示。

從圖11～15的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生頻率擾動(dòng)時(shí)，高壓缸容積時(shí)間常數(shù)、油動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)的不確定性會(huì)對(duì)并網(wǎng)機(jī)組有功功率的響應(yīng)特性產(chǎn)生更為明顯的影響，而再熱蒸汽容積時(shí)間常數(shù)、回?zé)崞鲬T性時(shí)間常數(shù)以及功率前饋系數(shù)的不確定性均不會(huì)對(duì)并網(wǎng)機(jī)組有功功率的響應(yīng)特性產(chǎn)生明顯影響。

圖15 功率前饋系數(shù)敏感性分析

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)機(jī)理分析對(duì)汽輪機(jī)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行建模研究，獲得了較為完善的火電機(jī)組涉網(wǎng)特性分析模型。在RTDS上對(duì)模型進(jìn)行仿真并與傳統(tǒng)模型進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果表明新模型具有更好的仿真精度。

基于仿真模型對(duì)模型參數(shù)的擾動(dòng)特性進(jìn)行仿真，得出高壓缸容積時(shí)間常數(shù)、油動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)的不確定性會(huì)對(duì)并網(wǎng)機(jī)組有功功率的響應(yīng)特性產(chǎn)生較大的影響，而再熱蒸汽容積時(shí)間常數(shù)、回?zé)崞鲬T性時(shí)間常數(shù)以及功率前饋系數(shù)的影響較小，明確了各參數(shù)的敏感特性，可用于指導(dǎo)后續(xù)的火電機(jī)組涉網(wǎng)特性模型參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作。