火電機(jī)組及其控制系統(tǒng)的自定義建模

田新首，石 巖

(1.華北電力大學(xué)，北京 102206;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192;3.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011)

火電機(jī)組及其控制系統(tǒng)的自定義建模

田新首1，2，石 巖3

(1.華北電力大學(xué)，北京 102206;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192;3.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011)

現(xiàn)有系統(tǒng)仿真軟件一般認(rèn)為，在暫態(tài)過(guò)程中，火電廠的出力是不變的，把鍋爐、汽輪機(jī)等的動(dòng)態(tài)過(guò)程做簡(jiǎn)單的線性處理，而慢動(dòng)態(tài)的存在可能是導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生中長(zhǎng)期失穩(wěn)的重要原因.根據(jù)當(dāng)代火力發(fā)電設(shè)備的特點(diǎn)，得到比較詳細(xì)的火電單元機(jī)組及其控制系統(tǒng)的模型，并在電力系統(tǒng)分析綜合程序中進(jìn)行了自定義建模和系統(tǒng)仿真.

控制系統(tǒng);調(diào)速系統(tǒng);自定義建模;火電單元機(jī)組

在我國(guó)，火電一直占據(jù)著電力供應(yīng)的重要地位，到2010年年底，其比重仍在70%左右.2011年1月6日召開(kāi)的國(guó)家能源局全國(guó)能源工作會(huì)議表示，“十二五”時(shí)期，火電將仍然是我國(guó)的主力電源.基于火電在電力系統(tǒng)中占據(jù)的重要地位，對(duì)火電機(jī)組運(yùn)行特性的研究是電網(wǎng)仿真分析的重要部分.

火電單元機(jī)組具有大容量、高參數(shù)的特點(diǎn)，這對(duì)火電單元機(jī)組控制水平的要求越來(lái)越高.單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有多種控制功能，能夠滿足不同工況、不同運(yùn)行方式的控制要求，可以把汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組和鍋爐作為一個(gè)整體進(jìn)行控制.對(duì)電網(wǎng)的仿真應(yīng)包含比較詳細(xì)的單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型.

現(xiàn)有系統(tǒng)仿真軟件關(guān)注的焦點(diǎn)往往是暫態(tài)過(guò)程，一般并不具有較完備的鍋爐、汽輪機(jī)及其控制系統(tǒng)的仿真部分，而認(rèn)為在暫態(tài)過(guò)程中，火電廠的出力是不變的，把鍋爐、汽輪機(jī)等的動(dòng)態(tài)過(guò)程做簡(jiǎn)單的線性處理，或者是只考慮調(diào)速器的調(diào)節(jié)作用.

這種考慮方式與火電機(jī)組大慣性、非線性、遲滯及參數(shù)慢時(shí)變等特點(diǎn)是吻合的，所以在進(jìn)行電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真過(guò)程中，不考慮或者簡(jiǎn)化考慮火電機(jī)組模型，對(duì)電力系統(tǒng)仿真的結(jié)果影響不大.但隨著互聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各種新型動(dòng)態(tài)元件接入電網(wǎng)，使得電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題變得日趨復(fù)雜［1－5］，慢動(dòng)態(tài)的存在可能是導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)的重要原因［6］.

綜上所述，在電力系統(tǒng)仿真的研究工作中，開(kāi)展單元機(jī)組及其控制系統(tǒng)建模的研究，可以更好地開(kāi)展大區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)穩(wěn)定性的分析.

1 火電廠單元機(jī)組的數(shù)學(xué)模型

在機(jī)電暫態(tài)仿真中，仿真過(guò)程一般在十幾秒的范圍內(nèi)，在此情況下可以假設(shè)主蒸汽壓力不變，調(diào)速器控制的汽門(mén)開(kāi)度控制決定汽輪機(jī)機(jī)械功率的大小.而在全過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真中，時(shí)間跨度大，鍋爐的壓力在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)有可能發(fā)生變化，此假設(shè)已不適合，必須考慮鍋爐的動(dòng)態(tài)特性［7］.IEEE推薦的鍋爐模型如圖1 所示［7］.

圖1 鍋爐模型框圖

文獻(xiàn)［8－9］中有對(duì)該鍋爐模型更為詳細(xì)的描述和注釋?zhuān)瑘D1經(jīng)過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化后更容易理解.

汽包爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)受控對(duì)象的非線性數(shù)學(xué)模型的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，該模型已分別在300 MW和600 MW單元機(jī)組上進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)，且得到了實(shí)際的驗(yàn)證［10－11］.

圖2 單元機(jī)組協(xié)調(diào)被控對(duì)象模型框圖

圖1和圖2中:p1為汽機(jī)一級(jí)壓力;pb為汽包(或分離器)壓力;M為燃料量;μT為汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度;函數(shù)發(fā)生器f7(x)表征燃料量變化引起爐膛熱負(fù)荷變化的非線性增益;D為鍋爐蒸汽量;T0為4階慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，用以代替燃料量改變至爐膛熱負(fù)荷變化的滯后時(shí)間τM;DB為汽機(jī)旁路通汽量;DQ為用蒸汽流量單位表示的鍋爐汽水容積吸熱量;RT為汽機(jī)動(dòng)態(tài)流通阻力;Cb為蓄熱系數(shù)，表示當(dāng)鍋爐汽包壓力每改變1 MPa時(shí)鍋爐所釋放出來(lái)的蒸汽量;Rgr=(pb－pT)/f5(pb－pT)，為過(guò)熱器的動(dòng)態(tài)阻力;DT為汽機(jī)通汽量;DTB為鍋爐產(chǎn)汽量;CM為蒸汽母管的容量系數(shù);pT為機(jī)前壓力;NP為原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率(在熱工控制系統(tǒng)仿真環(huán)境下，NP才可以等同于發(fā)電機(jī)有功功率NE);f2(x)－f6(x)的作用參見(jiàn)文獻(xiàn)［10］.

為了采用多種研究工具在各種不同的研究環(huán)境下開(kāi)展工作，文獻(xiàn)［12］通過(guò)數(shù)學(xué)方法，進(jìn)一步將該數(shù)學(xué)模型由方框圖描述轉(zhuǎn)換為若干數(shù)學(xué)公式:

式(9)為頻域描述，其他為時(shí)域描述.

2 單元機(jī)組的控制系統(tǒng)模型

較為完整的單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)如圖3所示，該模型提供了狀態(tài)反饋、前饋、預(yù)測(cè)控制等功能，還有單元手動(dòng)控制、機(jī)跟爐、爐跟機(jī)和機(jī)爐協(xié)調(diào)4種控制方式.如果仿真過(guò)程中不需要使用某些功能，可以通過(guò)加法器的參數(shù)設(shè)置來(lái)加以選擇.

圖3 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)總體仿真方案

制粉系統(tǒng)暫時(shí)簡(jiǎn)化為慣性環(huán)節(jié).這一方案中考慮了幾種常用的運(yùn)行方式，按DEH是否接受CCS的指令，可以變換不同的控制方式.

3 火電單元機(jī)組及其控制系統(tǒng)的自定義建模與仿真

借鑒文獻(xiàn)［13］提出的一種動(dòng)態(tài)模型的用戶自定義建模方法，據(jù)此在PSASP中建立火電單元機(jī)組及其控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行包含火電單元機(jī)組及其控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真.

將該模型接入電力系統(tǒng)，其中火電單元機(jī)組及其控制系統(tǒng)的模型與系統(tǒng)的連接如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)模型連接示意圖

圖4中:Δm為燃煤的增量;Δμ為汽門(mén)開(kāi)度的增量;ΔT為汽輪機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增量;ΔId，ΔIq為I在d，q軸上的分量的增量;ΔVd，ΔVq分別為V 在d，q軸上的分量的增量;Δω為電角速度增量;Δδ為公角增量;ΔTφ為電磁轉(zhuǎn)矩增量;ΔP為系統(tǒng)功率的增量.

圖5為在PSASP仿真環(huán)境中采用36節(jié)點(diǎn)8機(jī)系統(tǒng)作為試驗(yàn)算例的系統(tǒng)單線圖.結(jié)合圖2和圖3在PSASP仿真環(huán)境下建立用于描述火電機(jī)組及其控制系統(tǒng)的自定義模型，并在2號(hào)機(jī)上進(jìn)行調(diào)用.

實(shí)驗(yàn)分2種情況，發(fā)電機(jī)BUS2采用調(diào)用新建仿真模型與傳統(tǒng)調(diào)速器模型，其他機(jī)組不調(diào)用調(diào)速器模型.為了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與可比性，2種模型中相同意義的參數(shù)采用相同參數(shù)值.在機(jī)電暫態(tài)過(guò)程中由于時(shí)間較短，燃煤量的變化比較小可以認(rèn)為其不變化，機(jī)械功率的變化僅由汽門(mén)開(kāi)度的大小決定.實(shí)驗(yàn)采用2種故障方式:三相短路接地瞬時(shí)故障;三相短路接地永久性故障.

圖5 36節(jié)點(diǎn)8機(jī)系統(tǒng)單線圖

圖6 發(fā)電機(jī)有功功率變化曲線

圖7 系統(tǒng)頻率變化曲線

設(shè)線路BUS9－BUS23在母線BUS9側(cè)2%處三相短路接地永久性故障，1 s時(shí)刻開(kāi)始持續(xù)0.1 s后切

圖8 發(fā)電機(jī)有功功率變化曲線

設(shè)線路BUS9－BUS23在母線BUS9側(cè)2%處發(fā)生三相短路接地瞬時(shí)故障，故障1 s時(shí)刻開(kāi)始，持續(xù)0.1 s重合閘成功.按上述方案進(jìn)行仿真，發(fā)電機(jī)有功功率與系統(tǒng)頻率變化仿真曲線如圖6與圖7所示.除故障線路.按上述方案進(jìn)行仿真，發(fā)電機(jī)有功功率與系統(tǒng)頻率變化仿真曲線如圖8與圖9所示.

圖9 系統(tǒng)頻率變化曲線

由以上變化曲線可知，新建火電單元機(jī)組及其控制系統(tǒng)模型考慮了單元機(jī)組內(nèi)部的非線性過(guò)程.在電網(wǎng)三相短路接地瞬時(shí)故障情況下，初始階段新建仿真模型的發(fā)電機(jī)有功功率振蕩幅度稍大，幾秒鐘之后與調(diào)用傳統(tǒng)模型的發(fā)電機(jī)有功功率變化過(guò)程類(lèi)似，這與原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率輸出的變化趨勢(shì)是一致的;系統(tǒng)頻率變化的區(qū)別主要體現(xiàn)在初始階段.在電網(wǎng)三相短路永久性故障情況下，初始階段新建仿真模型的發(fā)電機(jī)有功功率調(diào)節(jié)幅度稍大，幾秒鐘之后與調(diào)用傳統(tǒng)模型類(lèi)似，最后2個(gè)模型的有功功率均能回到初始值上來(lái);對(duì)系統(tǒng)頻率有影響，故障初始階段系統(tǒng)頻率變化稍大.

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了火電單元機(jī)組及其控制系統(tǒng)模型在電力系統(tǒng)仿真中的自定義建模方法，并進(jìn)行了模型搭建和系統(tǒng)仿真.仿真結(jié)果顯示，在線路三相短路接地瞬時(shí)故障與在線路三相短路接地永久性故障情況下，新建模型與傳統(tǒng)模型對(duì)系統(tǒng)的影響略有差別，主要體現(xiàn)在故障的初始變化階段.仿真結(jié)果驗(yàn)證了新建仿真模型的調(diào)節(jié)效果是合理的.

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Custom Modeling on Thermal Power Unit and Its Control System

TIAN Xin-shou1，2，SHI Yan3
(1.North China Electric Power University，Beijing 102206，China;2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China;3.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The existing system simulation software thinks that the output of thermal power plant is constant in the transient process，and the turbine，boiler and other dynamic processes are linearly done，meanwhile the existing of slow dynamics may be the important reason of long-term instability on power system.Based on the characteristics of modern thermal power generation equipment，a more detailed thermal power unit and its control system model are obtained，and a custom modeling and system simulation is finished in the power system analytic program.

control system;speed control system;custom modeling;thermal power unit

1002－5634(2012)03－0051－04

2012－02－21

田新首(1985—)，男，河南濮陽(yáng)人，博士研究生，主要從事電力系統(tǒng)分析與可再生能源方面的研究.

(責(zé)任編輯:杜明俠)