基于PSD—BPA和Simulink的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與仿真校核

梁超

【摘 要】汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型是電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以某電廠1號機(jī)組為研究對象，對其調(diào)速器系統(tǒng)模型參數(shù)進(jìn)行辨識。本文采用基于PSD-BPA的模型參數(shù)辨識方法，并利用Matlab及其Simulink工具箱予以實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)例證實(shí)，基于PSD-BPA和Simulink的模型可很好對汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)進(jìn)行仿真校核，取得了一定的效果。

【關(guān)鍵詞】調(diào)速系統(tǒng) 參數(shù)辨識 Simulink工具箱 PSD-BPA

近年來，我國電網(wǎng)發(fā)展迅速，電網(wǎng)的裝機(jī)容量與規(guī)模越來越大，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性是近年來重點(diǎn)關(guān)注的課題[1-2]。汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行控制中起著非常重要的作用，其特性直接影響機(jī)組的穩(wěn)定性。對汽輪機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)及辨識研究是十分必要的。本文利用Matlab/simulink工具箱及電力系統(tǒng)潮流及暫態(tài)穩(wěn)定程序PSD-BPA的聯(lián)合仿真建模方法，實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模和仿真校核[3-4]。

1 模型分析

在電力系統(tǒng)潮流及暫態(tài)穩(wěn)定程序PSD-BPA中，用于穩(wěn)定計(jì)算用的汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型主要由電液伺服機(jī)構(gòu)、汽輪機(jī)模型和電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)幾部分組成。其中，電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要調(diào)整閥位指令時(shí)可依據(jù)控制方式和控制目的來調(diào)節(jié)；電液伺服機(jī)構(gòu)是用來控制進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量，而這是通過閥位指令改變執(zhí)行器（汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門）的開度來實(shí)現(xiàn)的；蒸汽流量在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功為機(jī)械功率，而機(jī)械功率經(jīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電磁功率最終進(jìn)入電網(wǎng)[5]。

1.1 電液伺服機(jī)構(gòu)

控制系統(tǒng)中電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)框圖見圖1。圖中PN：原動(dòng)機(jī)額定輸出功率MW；TC：油動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間常數(shù)s；TO：油動(dòng)機(jī)開啟時(shí)間常數(shù)s；VELopen、VELlose：過速開啟、關(guān)閉系數(shù)（標(biāo)么值）；PMAX、PMIN：原動(dòng)機(jī)最大、最小輸出功率（標(biāo)么值）；PCV：閥位指令值；PGV：調(diào)門開度；T2：LVDT變送器時(shí)間常數(shù)s；KP：電液轉(zhuǎn)換器PID比例環(huán)節(jié)倍數(shù)；KD：電液轉(zhuǎn)換器PID微分環(huán)節(jié)倍數(shù)，KD=TD （s）；KI：電液轉(zhuǎn)換器PID積分環(huán)節(jié)倍數(shù)，KI=1/TI （1/s）；INTG_MAX、INTG_MIN：電液轉(zhuǎn)換器PID積分環(huán)節(jié)限幅上限、下限；PID_MAX、PID_MIN：PID輸出限幅環(huán)節(jié)的上限、下限。

1.2 汽輪機(jī)模型

圖2為汽輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)，圖3汽輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的模型。圖3中TCS：高壓調(diào)門后和調(diào)節(jié)級汽室蒸汽容積時(shí)間常數(shù)s；TRH ：中間再熱蒸汽容積時(shí)間常數(shù)s；TCO：低壓連通管蒸汽容積時(shí)間常數(shù)s；FHP、FIP、FLP：高、中、低三缸所占整機(jī)的功率百分比，又稱功率系數(shù)，滿足：FHP+FIP+FLP=1；：高、中壓缸功率自然過調(diào)系數(shù)。

1.3 電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)

圖4為調(diào)速器傳遞函數(shù)模型，圖中PCV：閥位指令值；PM：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械功率輸出（實(shí)際為電功率），相對值；：轉(zhuǎn)速變送器時(shí)間常數(shù)s；ε：遲緩率；K：轉(zhuǎn)速偏差放大倍數(shù)。由圖可知，該電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制方式包括：1）調(diào)節(jié)級壓力反饋控制；2）純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，負(fù)荷開環(huán)給定控制（PREF為負(fù)荷給定）；3）負(fù)荷反饋控制（正常工作模式）。

2 模型參數(shù)辨識

2.1 現(xiàn)場試驗(yàn)

某廠1號汽輪機(jī)是哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的CJK350/275-24.2/0.64/566/566型超臨界凝汽式汽輪機(jī)，配以哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)QFSN-350-2型發(fā)電機(jī)。DEH數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及DCS系統(tǒng)采用的是國電智深EDPF-NT+。

現(xiàn)場試驗(yàn)包括靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)兩部分，靜態(tài)試驗(yàn)為機(jī)組停機(jī)情況下完成，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)為機(jī)組帶負(fù)荷完成。

2.2 PSD-BPA簡介

潮流程序的計(jì)算方法采用P-Q分解法，與牛頓-拉夫遜算法相結(jié)合。利用matlab及其simulink工具箱實(shí)現(xiàn)此算法的調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)辨識原理如下：

首先，利用matlab/simulink工具箱建立未知參數(shù)的系統(tǒng)模型；然后將現(xiàn)場采樣得到的激勵(lì)信號加入到模型中的相關(guān)輸入點(diǎn)，為了提高收斂性，通常是先采用P-Q分解法進(jìn)行初始迭代，然后再轉(zhuǎn)入牛頓-拉夫遜法求解。最終獲得最小的最優(yōu)模型參數(shù)。

2.3 模型仿真校核

以某廠1號機(jī)并網(wǎng)負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為辨識數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，PSD-BPA程序用戶應(yīng)選用TB卡，模型框圖如圖5所示，利用PSD-BPA及Simulink對圖5所包含的未知參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算后的辨識結(jié)果如表1所示。

仿真時(shí)選取了CCS方式有功功率下階躍擾動(dòng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。實(shí)測發(fā)電機(jī)功率與仿真系統(tǒng)輸出的對比圖如圖6所示。而實(shí)測與仿真結(jié)果的誤差表如表2所示，由表可見，仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)之間誤差滿足要求，獲得較高的仿真精度，可以滿足科研的需要。

3 結(jié)語

通過對某電廠1號汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)仿真校核，得到了該機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性參數(shù)，此方法對于仿真研究等方面的研究都具有一定的參考價(jià)值。并且，與傳統(tǒng)的參數(shù)辨識方法相比，基于PSD-BPA和Simulink的參數(shù)辨識方法在仿真校核時(shí)容易實(shí)現(xiàn)，計(jì)算速度較快且精度高，同時(shí)可在一定程度上解決傳統(tǒng)方法在進(jìn)行汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)辨識時(shí)遇到的困難，這對開展類似工作具有很好的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

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