CN105204372B - 一种燃气‑蒸汽联合循环机组调速系统模型及其建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃气‑蒸汽联合循环机组调速系统模型及其建模方法，该方法包括以下步骤：根据分模块、分环节实测数据，辨识PID环节比例系数、积分系数；根据对预混阀、扩散阀、值班阀、IGV阀进行阀位指令阶跃试验所得实测数据，辨识预混阀、扩散阀、值班阀、IGV阀执行机构伺服卡比例放大倍数、全开、全关时间；根据燃机功率、汽机功率、联合循环机组整体功率以及联合循环机组燃机排气温度等实测数据，辨识得到燃烧室时间常数、汽机惯性时间常数、锅炉惯性时间常数；根据闭环频率扰动实测数据，辨识发电机组调速系统各个环节参数；对所得参数进行优化并计算模型响应。该方法有利于快速、准确地对燃气‑蒸汽联合循环机组调速系统进行实测建模。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统仿真建模技术领域，特别涉及一种燃气-蒸汽联合循环机组调速系统模型及其建模方法。
背景技术
随着电网互联规模的日益扩大，互联电网间的相互影响也日益显著，采用软件进行仿真分析是目前评估上述影响的主要手段之一。作为仿真分析的基础，电力系统四大参数的建模工作一直备受关注，尤其是近年来由于电力系统动态稳定问题日益突出，发电机组原动机及其调速器参数实测建模工作受到业界广泛关注。有文献针对华中-川渝电网典型发电机组调速系统开展实测建模工作，并将建模参数用于生产实际。
虽然火电、水电、气电原动机及其调速器结构复杂，涉及热力、水力影响，需考虑的影响因素较多，但由于仿真分析的迫切需求，工程技术人员还是对此展开了一系列研究。由于原动机及其调速器动作的时滞性，其对电网的影响主要体现在中长期稳定性方面，有文献指出除了考虑现场实测参数，在中长期稳定性分析中火电机组调速系统建模还需考虑锅炉以及协调控制方式影响。作为电网的重要调峰、调频电源之一，燃气轮机近年来受到越来越多重视，其对电网稳定计算影响成为关注重点之一。
目前原动机及其调速器实测建模工作取得了一定的进展，但是还是缺乏应用。在工程实际中，由于组态的灵活性，控制系统可以按照机组需求进行不同逻辑组态。而与此相矛盾的是，实际仿真软件不可能也没有必要针对每种发电机调速器控制系统构造一个模型。笔者在针对典型机组开展实测建模过程中发现现有模型结构难以完全吻合现场实际，例如出于保护机组考虑，在调速系统控制环节逻辑组态中，一般都会增加多个惯性环节，且经常出现多个一阶惯性环节串联的情况。这些一阶惯性环节分散布置，很难采用一个一阶惯性环节集中描述。现有文献鲜见相关研究。在水电机组调速系统实测建模工作中，笔者发现部分机组控制系统、执行机构参数设置与实际作用值差别甚大，甚至还采用变参数设置。在燃气-蒸汽联合循环机组建模中，对于单轴机组而言，无法分别测量燃机、汽机的电功率，动态过程中如何描述汽机对一次调频功率动态变化的影响成为燃气-蒸汽联合循环机组调速系统建模的关键。
在电网仿真分析中，调速系统模型参数主要还是依靠典型数值。在建模过程中，作者发现对于仿真分析而言，采用典型数值、实测数值对发电机组一次调频过程动态特性的差异较大。采用实测数据能够更好描述发电机组在不同工况下一次调频动态变化特性。本文以发电机组调速系统实测建模为依托，以实测建模所得参数为基础，开展联合循环机组调速系统建模试验及其模型辨识工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气-蒸汽联合循环机组调速系统模型及其建模方法，该模型及建模方法有利于快速、准确地对燃气-蒸汽联合循环机组调速系统进行实测建模，通过现场试验以及后期模型参数辨识工作，确定了某燃气-蒸汽联合循环机组电力系统稳定计算用原动机及其调节系统的模型和参数。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种燃气-蒸汽联合循环机组调速系统模型，其特征在于：所述调速系统模型包括
一燃气-蒸汽联合循环机组控制逻辑参数辨识模块，用以对控制逻辑PID的比例增益Kp、积分增益KI、前馈系数KQ进行辨识；
一燃机执行机构模型辨识模块，用以对包括预混阀、扩散阀、值班阀以及压气机IGV阀模型的参数进行辨识；根据大扰动、小扰动实测数据获得预混阀、扩散阀、值班阀以及压气机IGV阀的全开时间TO、全关时间TC、伺服卡放大器增益系数K'P；通过小扰动数据对获得所有全开时间TO、全关时间TC、伺服卡放大器增益系数K'P进行校核；
一联合循环机组燃机部分模型辨识模块，用以对燃烧室惯性时间常数TG进行辨识；
一联合循环机组汽机部分模型辨识模块，用以对汽机等效模型惯性时间常数TS以及余热锅炉惯性时间常数TB进行辨识；
一汽机模型限幅环节辨识模块，用以根据压气机IGV阀消耗的功率所占比重K1、燃机功率所占比重K2、汽机功率所占比重K3，结合联合循环机组运行过程控制规律，辨识得到汽机限幅环节参数上限功率PGmax、下限功率PGmin。
较佳的，辨识所述燃机功率所占比重K2不考虑压气机IGV消耗的功率。
进一步地，所述燃气-蒸汽联合循环机组调速系统模型根据联合循环机组运行控制规律，将燃气-蒸汽联合循环机组控制逻辑参数辨识模块、燃机执行机构模型辨识模块、联合循环机组燃机部分模型辨识模块、联合循环机组汽机部分模型辨识模块、汽机模型限幅环节辨识模块等模块进行组合，可依次连接，并在控制逻辑源头处施加扰动，通过联合循环机组整体功率输出响应校核上述各个模块辨识所得参数。
本发明还提供了一种燃气-蒸汽联合循环机组调速系统模型的建模方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据最小二乘法结合实测数据，所述采用燃气-蒸汽联合循环机组控制逻辑参数辨识模块得到控制逻辑PID的比例系数Kp、积分系数KI，输出等待优化；
步骤S2：所述燃机执行机构模型辨识模块根据预混阀的实测数据，辨识预混阀大扰动时间，使其拟合小扰动实测数据，并通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核；
步骤S3：所述燃机执行机构模型辨识模块根据扩散阀的实测数据，辨识扩散阀大扰动时间，使其拟合小扰动实测数据，并通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核；
步骤S4：所述燃机执行机构模型辨识模块根据值班阀的实测数据，辨识值班阀大扰动时间，使其拟合小扰动实测数据，并通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核；
步骤S5：所述燃机执行机构模型辨识模块根据压气机IGV阀的实测数据，辨识压气机IGV阀大扰动时间，使其拟合小扰动实测数据，并通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核；
步骤S6：所述联合循环机组燃机部分模型辨识模块根据实测数据辨识得到燃烧室模型及其惯性时间常数TG；
步骤S7：所述联合循环机组汽机部分模型辨识模块根据实测数据辨识得到汽机高压/中压/低压缸等效模型及其惯性时间常数TS、余热锅炉等效模型及其惯性时间常数TB；
步骤S8：所述汽机模型限幅环节辨识模块结合设计值与实测数据辨识压气机IGV消耗的功率所占比重K1、燃机功率所占比重K2、汽机功率所占比重K3；
步骤S9：所述汽机模型限幅环节辨识模块辨识得到汽机限幅环节参数上限功率PGmax、下限功率PGmin；
步骤S10：根据所述步骤S1至所述步骤S9辨识所得的参数结合联合循环机组整体电磁功率，进行闭环方式下的校核；不断优化各个参数，拟合联合循环机组整体得到调速系统模型。
较佳的，辨识所述燃机功率所占比重K2不考虑压气机IGV消耗的功率。
与现有技术相比，本发明的有益效果能够根据实测数据进行分环节模型参数辨识，在此基础之上，将辨识所得模型参数输出待优化。通过调速系统模型参数整体优化策略实现上述参数整体同步优化，然后返回各分环节参数辨识模块，各分环节模型响应之后，最后根据环节拼接，得到燃气-蒸汽联合循环机组原动机及调速系统整体模型响应，对比整体响应、模型响应，优化调速系统模型参数，为实现调度运行、规划、仿真分析提供调速系统必要模型参数，从而为电网调度运行提供决策支持。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图。
图2是本发明方法的实现流程图。
图3是本发明实施例中调速系统控制逻辑示意图。
图4是本发明实施例中执行机构示意图。
图5是本发明实施例中原动机(汽机、燃机、IGV负荷)示意图。
图6是本发明实施例中燃气-蒸汽联合循环系统整体模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本实施例提供一种燃气-蒸汽联合循环机组调速系统模型，如图所示，所述调速系统模型包括
一燃气-蒸汽联合循环机组控制逻辑参数辨识模块，用以对控制逻辑PID的比例增益KP、积分增益KI、前馈系数KQ进行辨识；同时还对燃机执行机构预混阀及值班阀阀门管理程序进行辨识；
一燃机执行机构模型辨识模块，用以对包括预混阀、扩散阀、值班阀以及压气机IGV阀模型的参数进行辨识；根据大扰动、小扰动实测数据获得预混阀、扩散阀、值班阀以及压气机IGV阀的全开时间TO、全关时间TC、伺服卡放大器增益系数K'P；通过小扰动数据对获得所有全开时间TO、全关时间TC、伺服卡放大器增益系数K'P进行校核；
一联合循环机组燃机部分模型辨识模块，用以对燃烧室惯性时间常数TG进行辨识；
一联合循环机组汽机部分模型辨识模块，用以对汽机等效模型惯性时间常数TS以及余热锅炉惯性时间常数TB进行辨识；
一汽机模型限幅环节辨识模块，用以根据压气机IGV阀消耗的功率所占比重K1、燃机功率所占比重K2、汽机功率所占比重K3，结合联合循环机组运行过程控制规律，辨识得到汽机限幅环节参数上限功率PGmax、下限功率PGmin。
在本实施例中，较佳的，辨识所述燃机功率所占比重K2不考虑压气机IGV消耗的功率。
在本实施例中，所述燃气-蒸汽联合循环机组调速系统模型根据联合循环机组运行控制规律，将燃气-蒸汽联合循环机组控制逻辑参数辨识模块、燃机执行机构模型辨识模块、联合循环机组燃机部分模型辨识模块、联合循环机组汽机部分模型辨识模块、汽机模型限幅环节辨识模块等模块进行组合，可依次连接，并在控制逻辑源头处施加扰动，通过联合循环机组整体功率输出响应校核上述各个模块辨识所得参数。
在本实施中，如图2所示，一种燃气-蒸汽联合循环机组调速系统模型的建模方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据最小二乘法结合实测数据，所述采用燃气-蒸汽联合循环机组控制逻辑参数辨识模块得到控制逻辑PID的比例系数Kp、积分系数KI，输出等待优化；
步骤S2：所述燃机执行机构模型辨识模块根据预混阀的实测数据，辨识预混阀大扰动时间，使其拟合小扰动实测数据，并通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核；
步骤S3：所述燃机执行机构模型辨识模块根据扩散阀的实测数据，辨识扩散阀大扰动时间，使其拟合小扰动实测数据，并通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核；
步骤S4：所述燃机执行机构模型辨识模块根据值班阀的实测数据，辨识值班阀大扰动时间，使其拟合小扰动实测数据，并通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核；
步骤S5：所述燃机执行机构模型辨识模块根据压气机IGV阀的实测数据，辨识压气机IGV阀大扰动时间，使其拟合小扰动实测数据，并通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核；
步骤S6：所述联合循环机组燃机部分模型辨识模块根据实测数据辨识得到燃烧室模型及其惯性时间常数TG；
步骤S7：所述联合循环机组汽机部分模型辨识模块根据实测数据辨识得到汽机高压/中压/低压缸等效模型及其惯性时间常数TS、余热锅炉等效模型及其惯性时间常数TB；
步骤S8：所述汽机模型限幅环节辨识模块结合设计值与实测数据辨识压气机IGV消耗的功率所占比重K1、燃机功率所占比重K2、汽机功率所占比重K3；
步骤S9：所述汽机模型限幅环节辨识模块辨识得到汽机限幅环节参数上限功率PGmax、下限功率PGmin；
步骤S10：根据所述步骤S1至所述步骤S9辨识所得的参数结合联合循环机组整体电磁功率，进行闭环方式下的校核；不断优化各个参数，拟合联合循环机组整体得到调速系统模型。
在本实施例中，具体的，对控制逻辑参数辨识模块、燃机执行机构模型辨识模块、联合循环机组燃机部分模型辨识模块、联合循环机组汽机部分模型辨识模块、汽机模型限幅环节辨识模块辨识所得参数进行优化的实现过程为：(1)根据各分环节辨识所得参数分别得到整个调速建模系统参数：V＝[KpKI KQ TO1 TC1 K'P1 TO2 TC2 K'P2 K1 K2 TG TB TS T1]所对应的数值，其中V表示参数向量；(2)根据数值确定待优化的范围，例如取20％作为裕度，确定待优化参数的上下限；(3)利用优化策略、在确定的区间内针对所有参数进行多次的优化，每次优化所得参数代入模型求得发电机组功率输出模型响应PE′，对比实测发电机组功率响应PE，即可得到误差ε，其中ε＝|PE′－PE|；(4)判断误差ε，与初始设定阈值M之间的误差，如果误差大于阈值M，继续优化参数向量V，否则输出误差ε，同时输出优化结果V。
其中，预混阀的全开时间与全关时间分别为TO1与TC1，然后根据TO1、TC1，结合小扰动数据辨识伺服卡放大器增益系数K'P1；扩散阀的全开时间与全关时间分别为TO2与TC2，然后根据TO2、TC2，结合小扰动数据辨识伺服卡放大器增益系数K'P2；
在本实施例中，以一种抽水蓄能燃气-蒸汽联合循环机组调速系统建模为例，对各个模块进行详细阐述：
(1)燃气-蒸汽联合循环机组控制逻辑参数辨识模块
如图3所示，根据燃机一次调频回路控制逻辑，通过控制逻辑参数辨识模块辨识PID环节比例系数Kp、积分系数KI、计算前馈系数KQ，并将Kp、KI、KQ系数提供给参数整体优化模型待优化。
该模块的实现步骤包括三个：①首先根据±0.1Hz、±0.2Hz纯比例数据辨识得到比例系数Kp；②其次根据±0.1Hz、±0.2Hz纯积分数据辨识得到比例系数KI；③再次根据同时含有比例积分控制系统得到实测数据，通过模型响应、实测响应拟合校核上述Kp、KI参数；④根据控制逻辑参数设置，计算与辨识前馈系数KQ；⑤根据模型响应、实测响应拟合效果，校核上述Kp、KI、KQ参数。
(2)燃机执行机构参数辨识模块
如图4所示，对预混阀进行阀位指令阶跃试验，测试其大扰动、小扰动情况下的动作特性；对扩散阀进行阀位指令阶跃试验，测试其大扰动、小扰动情况下的动作特性；对值班阀进行阀位指令阶跃试验，测试其大扰动、小扰动情况下的动作特性；对IGV阀进行阀位指令阶跃试验，测试其大扰动、小扰动情况下的动作特性。
该模块实现步骤包括：
①以预混阀实测数据计算TO1、TC1，然后根据TO1、TC1，结合小扰动数据辨识K'P1；
②以扩散阀实测数据计算TO2、TC2，然后根据TO2、TC2，结合小扰动数据辨识K'P2；
③针对值班阀、IGV阀同样进行上述操作；
④根据执行机构参数辨识模块输出执行机构参数。
其中，预混阀的模型为：1/(1+sτ)
公式中τ＝TO1/K'P1或者TC1/K'P1。
(3)联合循环机组燃机部分模型辨识模块
根据实测数据辨识得到燃烧室模型及其惯性时间常数TG
(4)联合循环机组汽机部分模型辨识模块与汽机模型限幅环节辨识模块
如图5所示，以燃机部分模型辨识所得参数为基础，通过汽机实测数据结合汽机高压、中压、低压缸的实测数据辨识汽机部分模型，同时根据汽机功率波动趋势辨识限幅环节参数。
(5)联合循环机组整体模型辨识模块
根据燃气-蒸汽联合循环机组运行原理，构建其原动机及其调节系统传递函数形式框图简图，如图6所示，具体包括：控制环节部分、执行机构部分、压气机(IGV)部分、燃机-汽轮机部分。因机组并网之后负荷控制由预混控制阀主调，值班控制阀微调，因此执行机构重点针对预混阀门特性进行建模。
(6)调速系统模型参数整体优化模块
根据控制逻辑参数辨识模块、燃机执行机构模型辨识模块、联合循环机组燃机部分模型辨识模块、联合循环机组汽机部分模型辨识模块、汽机模型限幅环节辨识模块辨识所得参数，采用优化策略进行优化，然后返回整体模型，根据频率扰动实现一次调频响应，对比仿真模型一次调频功率响应以及现场实测功率响应，设置误差阈值，逐次迭代，直到实测响应、模型响应满足阈值为止，输出参数。
在本实施例中，一种抽水蓄能燃气-蒸汽联合循环机组调速系统建模的方法，包括以下步骤：
步骤1：根据最小二乘法，结合纯比例、纯积分实测数据，利用调速系统控制逻辑，分别进行纯比例、纯积分参数辨识，得到比例系数Kp、积分系数KI、前馈系数KQ，输出等待优化；
步骤2：根据预混阀实测数据，辨识预混阀全开时间TO1、全关时间TC1，使其拟合小扰动实测数据(±5％、±10％)，最后通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核，输出等待优化；
步骤3：根据扩散阀实测数据，辨识扩散阀全开时间TO2、全关时间TC2，使其拟合小扰动实测数据(±5％、±10％)，最后通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核，输出等待优化；
步骤4：根据值班阀实测数据，辨识值班阀全开时间TO3、全关时间TC3，使其拟合小扰动实测数据(±5％、±10％)，最后通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核，输出等待优化；
步骤5：根据IGV阀实测数据，辨识IGV阀全开时间TO4、全关时间TC4，使其拟合小扰动实测数据(±5％、±10％)，最后通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核，输出等待优化；
步骤6：根据实测数据辨识得到燃烧室模型及其惯性时间常数TG，输出等待优化；
步骤7：根据实测数据辨识得到汽机高压/中压/低压缸等效模型及其惯性时间常数TS、余热锅炉等效模型及其惯性时间常数TB，输出等待优化；
步骤8：结合设计值与实测数据辨识压气机IGV消耗的功率所占比重K1、燃机功率所占比重K2、汽机功率所占比重K3；
步骤9：根据汽机实测功率数据辨识汽机部分模型限幅环节：上限功率、下限功率；
步骤10：根据步骤1～步骤9辨识所得各个环节参数结合联合循环机组整体电磁功率，进行闭环方式下的校核。不断优化各个环节参数，在满足各个环节拟合效果基础上，拟合联合循环机组整体功率，最终得到待辨识的参数。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种燃气-蒸汽联合循环机组调速系统模型，其特征在于：所述调速系统模型包括
一燃气-蒸汽联合循环机组控制逻辑参数辨识模块，用以对控制逻辑PID的比例增益KP、积分增益KI、前馈系数KQ进行辨识；
一燃机执行机构模型辨识模块，用以对包括预混阀、扩散阀、值班阀以及压气机IGV阀的参数进行辨识；根据大扰动、小扰动实测数据获得预混阀、扩散阀、值班阀以及压气机IGV阀的全开时间TO、全关时间TC、伺服卡放大器增益系数K'P；通过小扰动数据对获得所有全开时间TO、全关时间TC、伺服卡放大器增益系数K'P进行校核；
一联合循环机组燃机部分模型辨识模块，用以对燃烧室惯性时间常数TG进行辨识；
一联合循环机组汽机部分模型辨识模块，用以对汽机等效模型惯性时间常数TS以及余热锅炉惯性时间常数TB进行辨识；
一汽机模型限幅环节辨识模块，用以根据压气机IGV阀消耗的功率所占比重K1、燃机功率所占比重K2、汽机功率所占比重K3，结合联合循环机组运行过程控制规律，辨识得到汽机限幅环节参数上限功率PGmax、下限功率PGmin。
2.根据权利要求1所述的一种燃气-蒸汽联合循环机组调速系统模型，其特征在于：辨识所述燃机功率所占比重K2不考虑压气机IGV阀消耗的功率。
3.一种如权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环机组调速系统模型的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据最小二乘法结合实测数据，采用燃气-蒸汽联合循环机组控制逻辑参数辨识模块得到控制逻辑PID的比例增益KP、积分增益KI，输出等待优化；
步骤S2：所述燃机执行机构模型辨识模块根据预混阀的实测数据，辨识预混阀大扰动时间，使其拟合小扰动实测数据，并通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核；
步骤S3：所述燃机执行机构模型辨识模块根据扩散阀的实测数据，辨识扩散阀大扰动时间，使其拟合小扰动实测数据，并通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核；
步骤S4：所述燃机执行机构模型辨识模块根据值班阀的实测数据，辨识值班阀大扰动时间，使其拟合小扰动实测数据，并通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核；
步骤S5：所述燃机执行机构模型辨识模块根据压气机IGV阀的实测数据，辨识压气机IGV阀大扰动时间，使其拟合小扰动实测数据，并通过小扰动数据对辨识所得参数进行校核；
步骤S6：所述联合循环机组燃机部分模型辨识模块根据实测数据辨识得到燃烧室模型及其惯性时间常数TG；
步骤S7：所述联合循环机组汽机部分模型辨识模块根据实测数据辨识得到汽机等效模型及其惯性时间常数TS、余热锅炉等效模型及其惯性时间常数TB；
步骤S8：所述汽机模型限幅环节辨识模块结合设计值与实测数据辨识压气机IGV阀消耗的功率所占比重K1、燃机功率所占比重K2、汽机功率所占比重K3；
步骤S9：所述汽机模型限幅环节辨识模块辨识得到汽机限幅环节参数上限功率PGmax、下限功率PGmin；
步骤S10：根据所述步骤S1至所述步骤S9辨识所得的参数结合联合循环机组整体电磁功率，进行闭环方式下的校核；不断优化各个参数，拟合联合循环机组整体得到调速系统模型。
4.根据权利要求3所述的一种燃气-蒸汽联合循环机组调速系统模型的建模方法，其特征在于：辨识所述燃机功率所占比重K2不考虑压气机IGV阀消耗的功率。
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