CN104794297A - 一种消除汽轮机调速系统模型中失真的方法 - Google Patents

Abstract

一种消除汽轮机调速系统模型中失真的方法，所述方法在电力系统稳定性分析时对超临界汽轮机调速系统采用双过调系数模型，所述双过调系数模型的传递函数表达式为： 。本发明提供了一种超临界汽轮机调速系统的双过调系数模型，该模型能够更加准确地反映汽轮机的负荷响应特性，在阶跃扰动下，输出功率响应十分接近现场试验结果，大大提高了电力系统稳定计算精度。

Description

一种消除汽轮机调速系统模型中失真的方法

技术领域

本发明涉及一种能够减小汽轮机调速系统模型中失真的方法，属于控制技术领域。

背景技术

汽轮机调速系统参数实测与建模是电力系统“四大参数”实测工作的重点内容之一。汽轮机调速系统模型和参数是电网重要的基础数据，而电力系统稳定性分析的准确性也对其有相当大的依懒性。然而，长期以来我国电力系统相关部门在进行电力系统稳定计算中所使用的汽轮机及其调节系统模型存在着严重失真，在模拟电网周波摆动后，汽轮机负荷响应过程和建模后仿真的结果不一致，在扰动初期仿真结果比机组的实际功率小很多。因此，对汽轮机及其调速系统的建模工作显得尤为重要。汽轮机模型作为汽轮机调速系统的重要子模型，其模型及参数对最终的建模效果有重要影响。因此，减小汽轮机调速系统模型中失真对于提高电力系统稳定计算的可信度具有重大现实意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种消除汽轮机调速系统模型中失真的方法，以提高电力系统稳定计算的可信度。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种消除汽轮机调速系统模型中失真的方法，所述方法在电力系统稳定性分析时对超临界汽轮机调速系统采用双过调系数模型，所述双过调系数模型的传递函数表达式为：

其中，是超临界汽轮机调速系统双过调系数模型的传递函数；是进入汽轮机蒸汽流量增量的传递函数；是汽轮机输出功率增量的传递函数；T _SC 为高压缸蒸汽容积时间常数；T _RH 为再热器蒸汽容积时间常数；T _CO 为连通管蒸汽容积时间常数；F _HP 为高压缸功率系数；F _IP 为中压缸功率系数；F _LP 为低压缸功率系数；λ _g 为高压缸功率自然过调系数，λ _Z 为中压缸功率自然过调系数。

上述消除汽轮机调速系统模型中失真的方法，所述双过调系数模型中各个参数的确定方法如下：

a. 确定三个时间常数T _SC 、T _RH 、和T _CO 的通式为：

其中，T代表上述三个时间常数（秒）中的任何一个，P ₀ 是不变的管道压力（Pa），Q ₀ 是流量（kg/s），V是管道体积（m ³ ），K是由于定温下压力改变而引起的密度改变（s ² /m ² ），管道压力，温度和流量可以从机组热平衡图中获得，v _s 是假设管道是定温时的比体积（m ³ /kg），t ₀ 是管道温度，假设为定值，此处的管道指的是T _SC 、T _RH 或T _CO 所对应的高压缸、再热器或连通管；

b. F _HP 、F _IP 、F _LP 的确定方法如下：

假设功率总额数为1，即，定义两个中间参数和：

其中，P _HP 、P _IP 、P _LP 分别是高、中、低压缸的功率，每个汽轮机缸的功率由下式求得：

其中P _X 是某个汽机缸的功率（kJ/s），k是在该阶段排汽指数，Q _ik 是流量（kg/s），h _ink 是入口焓值，h _outk 是出口焓值（kJ/kg），每个阶段的焓值和流量从热平衡图中找出，则F _HP 、F _IP 、F _LP 分别为：

；

c. 确定λ _g 、λ _Z 的通式为：

，，

，

；

其中， ₀₁为进汽压力变工况参数，为进汽压力设计工况参数，为进汽温度变工况参数， 为进汽温度设计工况参数， _g1为背压变工况参数， _g为背压设计工况参数，是过程绝热指数，为级后压力。

本发明提供了一种超临界汽轮机调速系统的双过调系数模型，该模型能够更加准确地反映汽轮机的负荷响应特性，在阶跃扰动下，输出功率响应十分接近现场试验结果，大大提高了电力系统稳定计算精度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是本发明提出的适用于电网稳定性计算的超临界汽轮机调速系统双过调系数模型的传递函数框图。

图2是本发明提供的双过调汽轮机模型与经典汽轮机模型输出功率阶跃仿真试验传递函数框图。

图3是本发明提出的双过调汽轮机模型与经典汽轮机模型输出功率阶跃仿真曲线以及输出功率原始数据归一化曲线。

图中各标号表示为：1、阶跃信号模块；2、传递函数模型模块；3、求和运算模块；4、示波器模块；5、将多个单一输入转化为一个复合输出模块；6、比例运算模块。

文中的各符号为：是超临界汽轮机调速系统双过调系数模型的传递函数；是进入汽轮机蒸汽流量增量的传递函数；是汽轮机输出功率增量的传递函数；T _SC 为高压缸蒸汽容积时间常数；T _RH 为再热器蒸汽容积时间常数；T _CO 为连通管蒸汽容积时间常数；F _HP 为高压缸功率系数；F _IP 为中压缸功率系数；F _LP 为低压缸功率系数；λ _g 为高压缸功率自然过调系数，λ _Z 为中压缸功率自然过调系数，P ₀ 是不变的管道压力（Pa），Q ₀ 是流量（kg/s），V是管道体积（m ³ ），K是由于定温下压力改变而引起的密度改变（s ² /m ² ），v _s 是假设管道是定温时的比体积（m ³ /kg），t ₀ 是管道温度，P _X 是某个汽机缸的功率（kJ/s），k是在该阶段排汽指数，Q _ik 是流量（kg/s），h _ink 是入口焓值，h _outk 是出口焓值（kJ/kg）， ₀₁为进汽压力变工况参数，为进汽压力设计工况参数，为进汽温度变工况参数， 为进汽温度设计工况参数， _g1为背压变工况参数， _g为背压设计工况参数，是过程绝热指数，为级后压力。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明对电力系统再热凝汽式汽轮机的经典模型进行了改进，提出了高、中压缸功率同时过调的概念，得到一种解决汽轮机调速系统模型中失真的适用于电网稳定性计算的超临界汽轮机调速系统双过调系数模型。模型传递函数表达式为：

  （1）

式（1）中是本发明中建立的超临界汽轮机调速系统双过调系数模型的传递函数；是进入汽轮机蒸汽流量增量的传递函数；是汽轮机输出功率增量的传递函数；T _SC 为高压缸蒸汽容积时间常数；T _RH 为再热器蒸汽容积时间常数；T _CO 为连通管蒸汽容积时间常数；F _HP 为高压缸功率系数；F _IP 为中压缸功率系数；F _LP 为低压缸功率系数；λ _g 为高压缸功率自然过调系数，λ _Z 为中压缸功率自然过调系数。

本模型中待确定的参数为T _SC 、T _RH 、T _CO 、F _HP 、F _IP 、F _LP 、λ _g 、λ _Z ，共8个。在能够更加准确地反映汽轮机的负荷响应特性，提高电力系统稳定计算的可信度的前提下，用热平衡数据法求取模型参数方便、准确、实用，既避免了机理建模推导法推导过程复杂，计算繁琐的局面；又省去了实验测量确定法大量实地测定的工作，具体求解过程及公式如下：

T _SC 、T _RH 、T _CO 的求解：

使用连续性方程，蒸汽流过管道的时间常数为

              （2）

               （3）

T是蒸汽流经管道的时间常数（秒），P ₀ 是不变的管道压力（Pa），Q ₀ 是流量（kg/s），V是管道体积（m ³ ），K是由于定温下压力改变而引起的密度改变（s ² /m ² ）。管道压力，温度和流量可以从机组热平衡图中获得。v _s 是假设管道是定温时的比体积（m ³ /kg），t ₀ 是管道温度，假设为定值。

计算K要使用水蒸汽热力性质表。假设P ₂和P ₁最小压力区间的界限，包含管道压力。v ₂ 和v ₁ 是对应P ₂和P ₁的比体积。K可以写成下式：

                     （4）

一定温度下，不同压力对应的比体积可以从水和水蒸汽热力性质表中查到。对于管道的温度在表中不能直接查到的，可通过线性插值法来获得比体积。再用式（3）和式（4）就能计算出汽室，再热器和中、低压缸连接管道的时间常数。

F _HP 、F _IP 、F _LP 的求解：

功率系数决定了每个汽机缸的功率份额，是本模型的重要参数，求解过程如下所示：

假设功率总额数为1，则有

           （5）

为了确定每个功率系数的确定值，两个中间参数被定义为

         （6）

         （7）

P _HP 、P _IP 、P _LP 分别是高、中、低压缸的功率，为了计算汽机功率，要从热平衡图中找出每个阶段的焓值和流量。每个汽轮机缸的功率为

                  （8）

P _X 是某个汽机缸的功率（kJ/s），k是在该阶段排汽指数，Q _ik 是流量（kg/s），h _ink 是入口焓值，h _outk 是出口焓值（kJ/kg）。综合得式（4）、（5）和（6）可以得

                   （9）

                  （10）

                  （11）

因此，汽轮机的模型参数能够被计算出来，且推导出来的汽轮机功率是各小部分汽轮机做功的总和。由于在实际过程中管道的绝热性能较好，在工程允许范围内，汽轮机中蒸汽做功的热力学过程可以看成是等熵和无机械损耗的。

λ _g 、λ _Z 的求解：

由于汽轮机的功率可表示为：

           （12）

式中：G为蒸汽流量(t/h)，为等熵焓降(kJ/kg)，为汽轮机内效率。

在这三个变量中，首先考虑蒸汽流量G的变工况。根据汽轮机级组的变工况原理有

         （13）

其中、 ₀₁、 _g1、为变工况参数；、、 _g、为设计工况参数(蒸汽流量(t/h)、进汽压力/MPa、背压/MPa、进汽温度/℃)，忽略温度的变化，则有

         （14）

上式即为弗留格尔公式，可得变工况后的级前压力

         （15）

变工况后的级后压力

        （16）

将式（16）和（15）相比得

       （17）

其次考虑等熵焓降(kJ/kg)的变工况。由于汽轮机蒸汽流通部分的蒸汽焓降等于定流量工质所做的功。因此，假设蒸汽在汽轮机蒸汽流动过程中流量没有发生改变，那么针对等熵过程则有

pv ^k =constant      （18）

式中:是蒸汽比容，是过程绝热指数，对于过热蒸汽有。因此，设计工况下的理想比焓降可表示为

      （19）

所以级组等熵焓降的变化为

     （20）

将式（17）代入（20），再忽略进汽温度变化，则有

     （21）

其中

     （22）

式（22)中、、均是设计值，且,则b为一常数，等于或者在某一不大范围内波动。在变工况时忽略级组效率的变化，则有

      （23）

令，则有

        （24）

由于汽轮机设计工况的级前压力，级后压力，背压这三个设计值是已知值，则式（24）是一个仅与x有关的函数。

于是对式（24）求导得导函数曲线，取导函数曲线曲率变化渐缓段的平均值作为本模型的高、中压缸功率自然过调系数，即：

                   （25）

   现场试验及数据处理：

在机组正常运行，协调系统未投入，DEH工作在操作员自动方式，DEH开环方式下，机组负荷505MW左右，由电厂热工人员从DEH工程师工作站将转速由3000r/min改为2990.5r/min，相当于给定转速阶跃扰动-7.5r/min(转速扰动值应该减去死区2r/min，实际为-7.5r/min)，机组负荷快速升高。试验完成后恢复3000r/min。用数据采集仪记录并观察汽机频差、阀位指令、功率等参数的变化趋势。绝大部分采集的实测信号都是一类夹杂了噪声的非平稳信号，其故障特征反映的很不明显，因此首先要解决的问题就是对现场采集的信号进行特征提取，本发明利用Matlab中的小波工具箱完成去噪过程；再对小波去噪后的原始数据进行标幺化、归一化处理，使阶跃响应仿真更加直观简捷。经过一系列处理后可利用Matlab软件得到输出功率原始数据归一化曲线。

将本发明提供的汽轮机模型中各参数求解完毕后，利用Matlab软件中的Simulink组件搭建双过调改进汽轮机模型和经典汽轮机模型的阶跃仿真试验传递函数框图，进行仿真试验，得到的仿真实验结果同输出功率原始数据归一化曲线进行比较。比较的结果如图3所示，从图3可以看出，在阶跃扰动下，和经典汽轮机模型相比，本模型输出功率响应速度有了很大程度的提高，十分接近现场试验结果，证明双过调改进汽轮机模型能够更加准确地反映汽轮机的负荷响应特性，可以提高电力系统稳定计算可信度。

Claims (2)

1.一种消除汽轮机调速系统模型中失真的方法，其特征是，所述方法在电力系统稳定性分析时对超临界汽轮机调速系统采用双过调系数模型，所述双过调系数模型的传递函数表达式为：

其中，是超临界汽轮机调速系统双过调系数模型的传递函数；是进入汽轮机蒸汽流量增量的传递函数；是汽轮机输出功率增量的传递函数；T _SC 为高压缸蒸汽容积时间常数；T _RH 为再热器蒸汽容积时间常数；T _CO 为连通管蒸汽容积时间常数；F _HP 为高压缸功率系数；F _IP 为中压缸功率系数；F _LP 为低压缸功率系数；λ _g 为高压缸功率自然过调系数，λ _Z 为中压缸功率自然过调系数。

2.根据权利要求1所述的消除汽轮机调速系统模型中失真的方法，其特征是，所述双过调系数模型中各个参数的确定方法如下：

a. 确定三个时间常数T _SC 、T _RH 、和T _CO 的通式为：

其中，T代表上述三个时间常数（秒）中的任何一个，P ₀ 是不变的管道压力（Pa），Q ₀ 是流量（kg/s），V是管道体积（m ³ ），K是由于定温下压力改变而引起的密度改变（s ² /m ² ），管道压力，温度和流量可以从机组热平衡图中获得，v _s 是假设管道是定温时的比体积（m ³ /kg），t ₀ 是管道温度，假设为定值，此处的管道指的是T _SC 、T _RH 或T _CO 所对应的高压缸、再热器或连通管；

b. F _HP 、F _IP 、F _LP 的确定方法如下：

假设功率总额数为1，即，定义两个中间参数和：

其中，P _HP 、P _IP 、P _LP 分别是高、中、低压缸的功率，每个汽轮机缸的功率由下式求得：

其中P _X 是某个汽机缸的功率（kJ/s），k是在该阶段排汽指数，Q _ik 是流量（kg/s），h _ink 是入口焓值，h _outk 是出口焓值（kJ/kg），每个阶段的焓值和流量从热平衡图中找出，则F _HP 、F _IP 、F _LP 分别为：

；

c. 确定λ _g 、λ _Z 的通式为：

，，，

其中， ₀₁为进汽压力变工况参数，为进汽压力设计工况参数，为进汽温度变工况参数， 为进汽温度设计工况参数， _g1为背压变工况参数， _g为背压设计工况参数，是过程绝热指数，为级后压力。