CN103089342B - 汽轮机及其调速系统模型参数修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种汽轮机及其调速系统模型参数修正方法，该方法包括：建立电网发电机组的汽轮机及其调速系统模型，并输入发电机组侧信号；在扰动工况下验证所述汽轮机及其调速系统模型的输出数据是否超过误差阈值，如果所述输出数据超过误差阈值，进行动态不等率修正、回热系统修正及非线性特性修正中的至少一修正操作，生成修正后的汽轮机及其调速系统模型。本发明能够模拟正常运行工况以及各事故工况之间的过渡过程，能够得到与实际数据结果匹配较好且具有鲁棒性的模型。
Description
技术领域
本发明是关于汽轮机模型参数修正技术，特别是关于一种汽轮机及其调速系统模型参数修正方法。
背景技术
汽轮机调节系统是保证机组安全、稳定和经济运行的重要部件。调节系统性能的退化和故障的发生，主要表现在系统各个组成环节的参数变化上。通过参数辨识的方法，检测系统参数的变化，可以监测系统的状态，预测系统的性能，确定系统的故障。此外，通过参数辨识实现故障诊断还具有物理概念明确，易于实现故障分离，检测故障的适应面较广等特点。
但无论是采用传统的非参数模型辨识方法还是参数模型辨识方法都有一定的局限性。主要问题体现在发生电力系统故障时，模型缺乏鲁棒性，即所辨识参数及模型无法与故障下系统数据很好对应。
现有技术中根据某汽轮发电机组调速系统建模工作实际需要，开发了基于Matlab的汽轮发电机组调速系统参数辨识与仿真软件，结合汽轮机及其调速系统模型，进行现场测试数据预处理、参数辨识和仿真校验等工作，该软件提供多种参数辨识方法，以快速有效地辨识出调速系统模型中线性和非线性环节的参数，软件功能如图1所示。
上述利用仿真软件辨识参数的方法重点是解决汽轮机组调速系统的参数辨识问题，辨识出相应的阀门参数及容积时间常数等。这种方法辨识出来的参数及数学模型无法适用于变工况过程，例如在实际工作过程中，主蒸汽压力会发生变化，机组不等率将并不是固定的数值，回热抽汽系统会对系统动态特性产生影响等，无法正确得出系统的响应特性曲线。
现有技术还利用BPA的程序中的汽轮机及其调速系统模型，结合图2的串联组合、单再热器汽轮机模型进行电力系统分析。但是，该BPA软件平台中汽轮机模型仍然没有考虑回热抽汽系统的动态影响以及不等率的动态变化。因此，在电力系统故障模式下，该模型无法正确反映各环节对系统动态特性的影响。
发明内容
本发明提供一种汽轮机及其调速系统模型参数修正方法，以得到与实际数据结果匹配较好且具有鲁棒性的模型。
为了实现上述目的，本发明提供一种汽轮机及其调速系统模型参数修正方法，该方法包括：建立电网发电机组的汽轮机及其调速系统模型，并输入发电机组侧信号；在扰动工况下验证所述汽轮机及其调速系统模型的输出数据是否超过误差阈值，如果所述输出数据超过误差阈值，进行动态不等率修正、回热系统修正及非线性特性修正中的至少一修正操作，生成修正后的汽轮机及其调速系统模型。
进一步地，进行动态不等率修正操作时，生成修正后的汽轮机及其调速系统模型，包括：进行动态不等率修正操作，并验证不等率修正操作后的所述输出数据是否超过误差阈值，如果不等率修正操作后的所述输出数据未超过误差阈值，生成不等率修正后的汽轮机及其调速系统模型。
进一步地，如果不等率修正操作后的所述输出数据超过误差阈值，进行回热系统修正，并验证回热系统修正操作后的所述输出数据是否超过误差阈值，如果回热系统修正后的所述输出数据未超过误差阈值，生成回热系统修正后的汽轮机及其调速系统模型。
进一步地，如果回热系统修正操作后的所述输出数据超过误差阈值，进行非线性特性修正，生成非线性特性修正后的汽轮机及其调速系统模型。
进一步地，所述的不等率修正包括对汽轮机及其调速系统模型中参数K的调节。
进一步地，所述的回热系统修正包括将回热加热系统模型引入所述的汽轮机及其调速系统模型，生成简化的回热修正参数。
进一步地，所述的非线性特性修正包括分析锅炉气压扰动对发电机组阀门开度及功率的影响。
本发明实施例的有益效果在于，本发明能够模拟正常运行工况以及各事故工况之间的过渡过程，能够得到与实际数据结果匹配较好且具有鲁棒性的模型。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为现有技术中的一软件功能结构图；
图2为现有技术中串联组合、单再热器汽轮机模型示意图；
图3为本发明实施例汽轮机及其调速系统模型参数修正方法示意图；
图4为本发明实施例控制系统模型示意图；
图5为本发明实施例执行机构模型示意图；
图6为本发明实施例汽轮机模型示意图；
图7为本发明实施例汽轮机及其调速系统模型的数据输入示意图；
图8为本发明实施例汽轮机及其调速系统模型参数修正方法的详细流程图；
图9为调节系统的静特性曲线；
图10不等率的不同对单机系统转速变化影响示意图；
图11为本发明实施例修正不等率后确定的汽轮机及其调速系统模型示意图；
图12为本发明实施例考虑回热系统蓄热效应影响的汽轮机及其调速系统模型示意图；
图13为本发明实施例回热系统对汽轮机组频率特性的影响曲线；
图14为本发明实施例回热系统逆止阀开关对汽轮机功率变化的影响曲线；
图15为本发明实施例回热系统逆止阀开关对汽轮机频率变化的影响曲线；
图16为本发明实施例回热系统逆止门开关对汽轮机回热器压力变化的影响曲线；
图17为本发明实施例回热系统逆止阀开关对汽轮机功率变化的影响曲线；
图18为本发明实施例修正回热系统后确定的汽轮机及其调速系统模型示意图；
图19为本发明实施例锅炉气压扰动-0.01扰动下功率的变化曲线；
图20为本发明实施例锅炉气压扰动-0.01时阀门开度的变化曲线；
图21为本发明实施例周波扰动0.01下不同转子时间常数的功率响应曲线；
图22为本发明实施例周波扰动0.01下不同转子时间常数的阀门开度响应曲线；
图23为本发明实施例修正非线性特性后确定的汽轮机及其调速系统模型示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图3所示，本发明提供一种汽轮机及其调速系统模型参数修正方法，该方法包括：
步骤S301：建立电网发电机组的汽轮机及其调速系统模型，并输入发电机组侧信号。
汽轮机及其调速系统模型为发电机组的基本数学模型，是本领域公知的模型。汽轮机及其调速系统模型包括控制系统模型、执行机构模型及汽轮机模型。
控制系统模型如图4所示，控制系统模型的参数GJ卡如表1所示。
| 测试参数或项目 | 符号 | 单位 | 数值 |
| 转速变换时间常数 | T1 | s | |
| 转速偏差死区 | ε | Hz | |
| 一次调频的负荷变化幅度限制 | \ | ％ | |
| 转速偏差放大倍数 | K(1/δ) | \ | |
| 控制方式选择 | I1 | \ | |
| 负荷控制前馈系数 | K2 | \ | |
| PID比例环节倍数 | KP | \ | |
| PID微分环节倍数 | KD | \ | |
| PID积分环节倍数 | KI | 1/s | |
| PID积分环节限幅上限 | INTG_MAX | \ | |
| PID积分环节限幅下限 | INTG_MIN | \ | |
| PID输出限幅环节的上限 | PID_MAX | \ | |
| PID输出限幅环节的下限 | PID_MIN | \ | |
| 系统机构迟缓率 | ε | ％ |
执行机构模型如图5所示，执行机构GA卡的模型参数如表2所示。
| 测试参数或项目 | 符号 | 单位 | 数值 |
| 机组额定功率 | Pe | MW | |
| 高调门1关闭时间常数 | Tc | s | |
| 高调门1开启时间常数 | To | s | |
| 高调门2关闭时间常数 | Tc | s | |
| 高调门2开启时间常数 | To | s | |
| 高调门3关闭时间常数 | Tc | s | |
| 高调门3开启时间常数 | To | s | |
| 高调门4关闭时间常数 | Tc | s | |
| 高调门4开启时间常数 | To | s | |
| 汽机最大输出功率(标幺) | PMAX | \ | |
| 汽机最小输出功率(标幺) | PMIN | \ | |
| 调门行程反馈时间常数 | T2 | s | |
| 电液转换器放大系数(开启) | KEHO | \ | |
| 电液转换器放大系数(关闭) | KEHC | ||
| 伺服阀限幅下限 | EHCclose | \ | |
| 伺服阀限幅上限 | EHCopen | \ | |
| 伺服卡PID比例环节倍数 | KP | \ | |
| 伺服卡PID微分环节倍数 | KD | \ | |
| 伺服卡PID积分环节倍数 | KI | \ | |
| 伺服卡PID积分上限 | INTG_MA | \ | |
| 伺服卡PID积分下限 | INTG_MI | \ | |
| 伺服卡PID输出上限 | PID_MAX | \ | |
| 伺服卡PID输出下限 | PID_MIN | \ |
汽轮机模型如图6所示，汽轮机模型参数TB卡如表3所示。
| 测试参数或项目 | 符号 | 单位 | 数值 |
| 高压缸蒸汽容积时间常数 | Tch | s | |
| 再热器蒸汽容积时间常数 | Trb | s | |
| 中压及低通容积时间常数 | Tco | s | |
| 高压缸功率比 | FHP | \ | |
| 中压缸功率比 | FIP | \ | |
| 低压缸功率比 | FLP | \ | |
| 高压缸功率自然过调系数 | λ | \ | |
| 有功功率滞后转速变化时间 | ms |
图4至图6的汽轮机及其调速系统模型建立之后，需要将发电机组侧信号传送给汽轮机及其调速系统模型。流程如图7所示，利用功角测量装置PMU采集发电机组调节器的信号：包括一次调频动作信号、一次调频修正前负荷指令信号、一次调频修正后负荷指令信号、有功功率信号、机组频率信号、转速信号和压力信号在内的发电机组侧信号等。
PUM装置将采集的所述发电机组侧信号传送给电网侧WAMS平台(广域测量)数据平台系统进行处理并储存，之后通过专用网络将符合条件的数据传输给汽轮机及其调速系统模型。
步骤S302：在扰动工况下验证所述汽轮机及其调速系统模型的输出数据是否超过误差阈值，如果所述输出数据超过误差阈值，进行动态不等率修正、回热系统修正及非线性特性修正中的至少一修正操作，生成修正后的汽轮机及其调速系统模型。
步骤S302中的扰动工况是指机组在正常运行情况下工况，即为随机扰动事件。
在扰动工况下，从汽轮机及其调速系统模型的输出数据将会出现误差，当误差超过预设的误差阈值范围时，就需要进行修正。
图8为本发明实施例汽轮机及其调速系统模型参数修正方法的详细流程图，该流程包括如下步骤：
步骤S801：建立电网发电机组的汽轮机及其调速系统模型，并输入发电机组侧信号。
步骤S802：在扰动工况下验证所述汽轮机及其调速系统模型的输出数据是否超过误差阈值范围，如果输出数据超过误差阈值范围，进行步骤S803，否则，无需修正。具体实施时，最大误差一般不能超过3％，平均误差小于1％。
步骤S803：修正动态不等率。
图9为调节系统的静特性曲线，空负荷(NT＝0)时的转速na与额定负荷(NT＝NT0)时的转速nb之差，与额定转速之比称为调节系统的不等率(又称不均匀度或速度变动率)，用δ来表示，即：
可以看出，不等率是在调节系统控制下的汽轮机负荷变化100％引起的转速相对变化的稳态值。它是表征调节系统静特性的重要参数，对于发电用汽轮机通常选取δ＝3.5～6％。我国生产的汽轮机的不等率一般在4～5％左右。
动态不等率是汽轮机动率对不同变化速度的电网周波偏差信号的响应特性，它用汽轮机功率与电网周波偏差信号之间的闭环幅频特性来表示
在电网周波变化较慢的时候，动态不等率就等于静态不等率：动态不等率的修正是调整图4中的参数
以一个简单系统为例，仿真分析其不等率的变化对系统输出的影响，如图10所示，可以看出，不等率的变化对稳态时间和频率稳定值都有较大影响，对于图10所示系统，不等率变化200％时(从0.02到0.04)，转速稳态值变化也为100％。
步骤S804：比较不等率修正后的输出数据是否超过误差阈值范围，如果是，进行步骤S805。
否则，进行步骤S808，确定汽轮机及其调速系统模型，流程结束。修正不等率后确定的汽轮机及其调速系统模型如图11所示。
步骤S805：修正回热系统。
考虑回热系统蓄热效应影响的汽轮机及其调速系统模型如图12所示。以图12所示的系统为例，仿真中取典型值δ＝0.04；TRHi＝9s；αH＝1/3；Tsi＝0.2s；TVHi＝0.2s；Ta＝8s；β＝0.02。对于一个汽轮机组，在考虑和不考虑回热系统动态特性两种情况下，其频率特性曲线比较如图13所示。
以图12所示系统为例，将逆止门全关相当于不考虑回热系统，逆止门全开则表明回热系统正常工作，由图14及图15即可看出回热系统对系统特性的影响。
再如图16及图17中对汽轮机高负荷运行所示，主汽阀开度达到极限的工作情况下，回热系统抽汽逆止门全开、半开、全关三种工况下的功率变化和回热器压力变化进行对比分析。可以看出，图16中，回热系统抽汽逆止门全开时回热器压力为额定值，而抽汽逆止门半开时回热器压力略有下降，抽汽逆止门全关时，回热器压力由额定值逐渐减小到0。图17中，回热系统抽汽逆止门全开时为额定功率，而抽汽逆止门半开时，功率增加0.5％左右，抽汽逆止门全关时，功率增加可达到7％。由此可以看出是否考虑回热系统作用对系统动态特性及稳态特性的影响都比较大。
步骤S806：比较回热系统修正后的输出数据是否超过误差阈值范围，如果是，进行步骤S807。
否则，进行步骤S808，确定汽轮机及其调速系统模型，流程结束。修正回热系统后确定的汽轮机及其调速系统模型如图12所示，等效模型图如图18所示。
步骤S807：修正非线性特性。
1、考虑主蒸汽压力波动
在原汽轮机及其调速系统模型中，没有考虑锅炉气压扰动。但是对于实际系统来讲，在变负荷过程中，锅炉气压会发生波动。图19及图20为锅炉气压波动对发电机组阀门开度及功率的影响。
2、考虑系统参数摄动
数学模型的建立往往要求工况波动不大，这样才能够应用小偏差线性化等建模方法。在实际的机组运行过程中，往往模型中的一些参数会随着工况的变化而发生变化，以转子时间常数在运行过程中的参数摄动为例，图21及图22仿真了在这种情况下的转速功率以及阀门开度的变化曲线，从这些曲线中可以读出该过渡过程的衰减率和超调量，例如转子时间按常数变化30％(由6s到8s)时，汽轮机功率的动态过程超调量差异最大可达2％。
步骤S808：确定非线性特性修正后的汽轮机及其调速系统模型。图23为非线性特性修正后的汽轮机及其调速系统模型。
图11、图12、图18及图23确定的汽轮机及其调速系统模型将会发送给调度中心，这里不再赘述。
本发明实施例的有益效果在于，本发明能够模拟正常运行工况以及各事故工况之间的过渡过程，能够得到与实际数据结果匹配较好且具有鲁棒性的模型。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种汽轮机及其调速系统模型参数修正方法，其特征在于，所述的方法包括：
建立电网发电机组的汽轮机及其调速系统模型，并输入发电机组侧信号；
在扰动工况下验证所述汽轮机及其调速系统模型的输出数据是否超过误差阈值，如果所述输出数据超过误差阈值，进行动态不等率修正、回热系统修正及非线性特性修正中的至少一修正操作，生成修正后的汽轮机及其调速系统模型；其中，
进行动态不等率修正操作时，生成修正后的汽轮机及其调速系统模型，包括：
进行动态不等率修正操作，并验证不等率修正操作后的所述输出数据是否超过误差阈值，如果不等率修正操作后的所述输出数据未超过误差阈值，生成不等率修正后的汽轮机及其调速系统模型；
如果不等率修正操作后的所述输出数据超过误差阈值，进行回热系统修正，并验证回热系统修正操作后的所述输出数据是否超过误差阈值，如果回热系统修正后的所述输出数据未超过误差阈值，生成回热系统修正后的汽轮机及其调速系统模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果回热系统修正操作后的所述输出数据超过误差阈值，进行非线性特性修正，生成非线性特性修正后的汽轮机及其调速系统模型。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的不等率修正包括对汽轮机及其调速系统模型中参数K的调节，其中，K为转速偏差放大倍数。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的回热系统修正包括将回热加热系统模型引入所述的汽轮机及其调速系统模型，生成简化的回热修正参数。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的非线性特性修正分析锅炉气压扰动对发电机组阀门开度及功率的影响。
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2011
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