CN104808509A - 一种考虑主蒸汽压力影响的汽轮机模型修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种考虑主蒸汽压力影响的汽轮机模型修正方法，搭建传统的汽轮机模型以及考虑主蒸汽压力对系统影响的汽轮机模型，分别画出两个模型的伯德图，对其进行频域分析，得出两个模型的幅频特性在0.1～2.5Hz范围内任一频率对应的幅度k₁、k₂，得出主蒸汽压力修正系数得出加入主蒸汽压力系数后汽轮机模型的传递函数为本发明通过引入主蒸汽压力修正系数，解决主蒸汽压力对汽轮机模型造成影响的问题，并确保经此修正的汽轮机模型在低频振荡问题有较高的精度，实现在低频振荡研究下汽轮机模型的仿真结果准确性。

Description

一种考虑主蒸汽压力影响的汽轮机模型修正方法

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及一种考虑主蒸汽压力影响的汽轮机模型修正方法。

背景技术

电力系统中发电机组经输电线并列运行时，在扰动下会发生发电机转子间的相对摇摆，并在缺乏阻尼时引起持续振荡，此时输电线上功率也会发生相应振荡，因其振荡频率较低，一般在0.1～2.5Hz，故称为低频振荡。低频振荡现象是小干扰稳定的主要表现形式之一。随着电网互联规模的扩大，高放大倍数快速励磁技术的广泛采用，以及受经济性、环保等因素影响下电网的运行更加接近稳定极限，在世界各地许多电网陆续观察到低频振荡。低频振荡会引起联络线过流跳闸或系统与系统或机组与系统之间的失步而解列，严重威胁电力系统的稳定。因此解决低频振荡问题成为电网安全稳定运行的重要课题之一。

建立完善的高精度的汽轮机仿真模型是研究低频振荡问题的关键。在以往的模型中，如在PSD-BPA暂态稳定程序用户手册中描述了现下广泛应用的传统的汽轮机模型，一般都假定机组锅炉蓄热能力足够大，以至于主蒸汽压力恒定不变，主蒸汽流量与汽门开度成正比。但是实际上，机组蓄热能力总是有一定限度的，当机组蓄热用尽或主蒸汽压力因汽门开度的变化而变化时，一次调频的性能就会受到影响。

在以往的研究中，是通过构建锅炉模型，进而考虑主蒸汽压力对系统的影响。在汽轮机的稳态热平衡计算中必须计入主蒸汽压力对汽轮机功率的影响，但是在现有的汽轮机动态模型中，却一直没有考虑主蒸汽压力的影响。目前，在分析电力系统安全稳定性时，普遍采用的汽轮机及调速器模型对实际汽轮机系统做了大量简化，只考虑了高、中、低压容积模块、再热容积模块，为了考虑焓降的影响，引入了功率自然过调系数。模型的简化给仿真结果带来了一定的不确定性。而部分文献中介绍的考虑主蒸汽压力影响修正的汽轮机模型过于复杂。因此，在研究低频振荡问题时需要研究一种考虑主蒸汽压力影响的汽轮机模型，在简化的同时汽轮机模型仍具有较高的精度。

发明内容

发明目的：为了解决目前方法中由于未考虑主蒸汽压力对汽轮机模型仿真造成影响的问题，实现在低频振荡研究下汽轮机模型的仿真结果准确性，本发明提出了一种考虑主蒸汽压力影响的汽轮机模型修正方法。

技术方案：

一种考虑主蒸汽压力影响的汽轮机模型修正方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建传统汽轮机模型以及考虑主蒸汽压力对系统影响的汽轮机模型；

其中，传统汽轮机模型传递函数为

$T\left(s\right)=\frac{1}{T_{\mathrm{ch}}s+1}\left\{\right[(1-\frac{1}{T_{\mathrm{rh}}s+1})\mathrm{\λ}+1]F_{\mathrm{HP}}+\frac{F_{\mathrm{LP}}+F_{\mathrm{IP}}}{T_{\mathrm{rh}}s+1}\};$

考虑主蒸汽压力对系统影响的汽轮机模型的传递函数为

$T\left(s\right)=\frac{P_T}{T_{\mathrm{ch}}s+1}\left\{\right[(1-\frac{1}{T_{\mathrm{rh}}s+1})\mathrm{\λ}+1]F_{\mathrm{HP}}+\frac{F_{\mathrm{LP}}+F_{\mathrm{IP}}}{T_{\mathrm{rh}}s+1}\},$

其中P_T满足

${\mathrm{\μ}}_T{P}_T=\sqrt{\frac{(\frac{e^{-\mathrm{\τs}}}{T_{F}s+1}{\mathrm{\μ}}_B-S_F\left(P_1\right))\frac{1}{C_{B}s}-P_T}{K_{\mathrm{sh}}}};$

步骤2：分别画出两个模型的伯德图，对其进行频域分析，得出两个模型的幅频特性在0.1～2.5Hz范围内任一频率对应的幅度k₁、k₂，得出主蒸汽压力修正系数

$k_z={10}^{(k_2-k_1)/20};$

步骤3：得出加入主蒸汽压力系数后汽轮机模型的传递函数为

$T\left(s\right)=\frac{K_z}{T_{\mathrm{ch}}s+1}\left\{\right[(1-\frac{1}{T_{\mathrm{rh}}s+1})\mathrm{\λ}+1]F_{\mathrm{HP}}+\frac{F_{\mathrm{LP}}+F_{\mathrm{IP}}}{T_{\mathrm{rh}}s+1}\}.$

所述K_z的取值范围一般在0.8910～0.9333之间。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明介绍了一种考虑主蒸汽压力对汽轮机模型进行修正的方法，通过引入主蒸汽压力修正系数，解决主蒸汽压力对汽轮机模型造成影响的问题，并确保经此修正的汽轮机模型在低频振荡问题有较高的精度。

附图说明

图1为传统汽轮机模型结构；

图2为考虑主蒸汽压力影响的汽轮机模型；

图3为加入主蒸汽压力影响的模型频域特性；

图4为考虑主蒸汽压力影响修正的模型频域特性；

图5为用于电力系统低频振荡研究的考虑主蒸汽压力影响的汽轮机模型结构；；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

在实践中，实际系统结构复杂，建模是将实际结构抽象成数学模型的过程，必然存在一定的简化，只要建立的数学模型能够满足相应的研究目的，那么建立的模型就是准确的，也就是说，对电力系统的低频振荡问题进行研究，电网低频振荡的频率一般在0.1Hz～2.5Hz的范围内，要求建立的汽轮机模型在该频段内要具有很高的精度，但是对超出这个频段的模型精度要求就很低了。

锅炉的惯性时间常数一般在100s以上，远远超出了低频振荡的频率波动范围，因此在研究低频振荡问题时，锅炉这一尺度的动态对可以忽略；然而，当汽轮机阀门动作时，锅炉存在快速响应动态，这些特性建模时需要考虑。

汽轮机阀门开大或关小时，汽包压力基本不变，汽轮机流量的变化将引起过热器以及主蒸汽管道压损的瞬间变化，可以在建模时通过对增益的修正予以考虑。

传统的汽轮机的模型结构如图1所示。图1中，T_ch为高压缸蒸汽容积时间常数(秒)，环节表征喷嘴和高压缸的蓄质储能现象；F_HP为高压缸功率比例，表征高压缸做功能力大小；T_rh为再热器时间常数，环节表征再热器的蓄质储能现象；F_IP为中压缸功率比例，表征中压缸做功能力大小；T_co为交叉管时间常数，环节表征中、低压缸之间交叉管的蓄质储能现象；F_LP为低压缸功率比例，表征低压缸做功能力大小；λ为高压缸功率自然过调系数，描述焓降变化对高压缸功率的影响为实际蒸汽流量；P_GV为实际蒸汽流量；P_M为汽轮机总机械功率。

传统的汽轮机模型传递函数为

$T\left(s\right)=\frac{1}{T_{\mathrm{ch}}s+1}\left\{\right[(1-\frac{1}{T_{\mathrm{rh}}s+1})\mathrm{\λ}+1]F_{\mathrm{HP}}+\frac{F_{\mathrm{LP}}+F_{\mathrm{IP}}}{T_{\mathrm{rh}}s+1}\};$

在以往的文献中，是通过构建锅炉模型，进而考虑主蒸汽压力对系统的影响。经过此种方法修正的汽轮机模型如图2所示。图2中，C_B为锅炉蓄热系数；K_sh为过热器阻力系数；T_F为燃烧通道的时间常数；τ为燃烧通道的延迟时间常数；μ_T为汽轮机阀门开度；μ_B为燃烧率指令；P_d为汽包压力；P_T为主蒸汽压力。

考虑主蒸汽压力对系统的影响的汽轮机模型的传递函数为

$T\left(s\right)=\frac{P_T}{T_{\mathrm{ch}}s+1}\left\{\right[(1-\frac{1}{T_{\mathrm{rh}}s+1})\mathrm{\λ}+1]F_{\mathrm{HP}}+\frac{F_{\mathrm{LP}}+F_{\mathrm{IP}}}{T_{\mathrm{rh}}s+1}\},$

其中P_T满足

${\mathrm{\μ}}_T{P}_T=\sqrt{\frac{(\frac{e^{-\mathrm{\τs}}}{T_{F}s+1}{\mathrm{\μ}}_B-S_F\left(P_1\right))\frac{1}{C_{B}s}-P_T}{K_{\mathrm{sh}}}}.$

对不考虑主蒸汽压力和加入主蒸汽压力影响的汽轮机模型进行频域分析，如图3所示，图3是考虑了主蒸汽压力的汽轮机模型和原有的汽轮机模型系统做对比画出的伯德图。可以看出在低频振荡研究的频段内，主蒸汽压力影响的加入对模型的相频特性几乎没有影响，主要体现在幅频特性上。因此在研究低频振荡问题时，主蒸汽压力环节可以简化为增益环节，在原有系统上增加一个增益，从得到的修正后的模型，可以看出在我们所关心的频段内，系统频域响应特性几乎完全重合，如图4所示。图4是引入了主蒸汽压力修正系数的汽轮机模型(把复杂的主蒸汽压力影响简化成一个系数)，与考虑主蒸汽压力的汽轮机模型作对比画出的伯德图，可以看出主蒸汽压力修正系数可以较好的代替锅炉系统，使得汽轮机模型更加完整和精确。

我们将该增益定义为汽轮机主蒸汽压力修正系数K_z，该参数可由如下方法得到：

搭建传统的汽轮机模型以及考虑主蒸汽压力对系统影响的汽轮机模型，分别画出两个模型的伯德图，对其进行频域分析，得出两个模型的幅频特性在

0.1Hz～2.5Hz的范围内任一频率对应的幅度k₁、k₂，通过自动控制基本原理可知

$201g\frac{1}{K_z}=k_1-k_2;$

从而得出主蒸汽压力修正系数

$k_z={10}^{(k_2-k_1)/20};$

在本发明具体实施例中，搭建如图1、图2所示的模型，分别画两个模型的伯德图，对其进行频域分析，如图3所示。在图3中，原汽轮机模型幅频特性0.5Hz对应的纵坐标为k₁dB，考虑主蒸汽压力影响模型幅频特性图0.5Hz对应的纵坐标为k₂dB，通过自动控制基本原理可知

$201g\frac{1}{K_z}=k_1-k_2;$

得出主蒸汽压力修正系数

$k_z={10}^{(k_2-k_1)/20};$

根据平时计算的典型的汽轮机模型得到的经验，K_z的取值范围一般在0.8910～0.9333之间。

因此修正后的汽轮机模型如图5所示。

所以，加入主蒸汽压力系数后汽轮机模型的传递函数为

$T\left(s\right)=\frac{K_z}{T_{\mathrm{ch}}s+1}\left\{\right[(1-\frac{1}{T_{\mathrm{rh}}s+1})\mathrm{\λ}+1]F_{\mathrm{HP}}+\frac{F_{\mathrm{LP}}+F_{\mathrm{IP}}}{T_{\mathrm{rh}}s+1}\}.$

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种考虑主蒸汽压力影响的汽轮机模型修正方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：搭建传统汽轮机模型以及考虑主蒸汽压力对系统影响的汽轮机模型；

其中，传统汽轮机模型传递函数为

$T\left(s\right)=\frac{1}{T_{\mathrm{ch}}s+1}\left\{\right[(1-\frac{1}{T_{\mathrm{rh}}s+1})\mathrm{\λ}+1]F_{\mathrm{HP}}+\frac{F_{\mathrm{LP}}+F_{\mathrm{IP}}}{T_{\mathrm{rh}}s+1}\};$

考虑主蒸汽压力对系统影响的汽轮机模型的传递函数为

$T\left(s\right)=\frac{P_T}{T_{\mathrm{ch}}s+1}\left\{\right[(1-\frac{1}{T_{\mathrm{rh}}s+1})\mathrm{\λ}+1]F_{\mathrm{HP}}+\frac{F_{\mathrm{LP}}+F_{\mathrm{IP}}}{T_{\mathrm{rh}}s+1}\},$

其中P_T满足

${\mathrm{\μ}}_T{P}_T=\sqrt{\frac{(\frac{e^{-\mathrm{\τs}}}{T_{F}s+1}{\mathrm{\μ}}_B-S_F\left(P_1\right))\frac{1}{C_{B}s}-P_T}{K_{\mathrm{sh}}}};$

步骤2：分别画出两个模型的伯德图，对其进行频域分析，得出两个模型的幅频特性在0.1～2.5Hz范围内任一频率对应的幅度k₁、k₂，得出主蒸汽压力修正系数

$K_z={10}^{(k_2-k_1)/20};$

步骤3：得出加入主蒸汽压力系数后汽轮机模型的传递函数为

$T\left(s\right)=\frac{K_z}{T_{\mathrm{ch}}s+1}\left\{\right[(1-\frac{1}{T_{\mathrm{rh}}s+1})\mathrm{\λ}+1]F_{\mathrm{HP}}+\frac{F_{\mathrm{LP}}+F_{\mathrm{IP}}}{T_{\mathrm{rh}}s+1}\}.$

2.根据权利要求1所述的考虑主蒸汽压力影响的汽轮机模型修正方法，其特征在于：所述K_z的取值范围一般在0.8910～0.9333之间。