CN106451526A - 孤网运行时汽轮机opc保护设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了孤网运行时汽轮机OPC保护设置方法，包括如下步骤：根据在电网稳定和其它动态过程分析计算中得需求，建立汽轮发电机组的简化数学模型；建立用于研究调频行为时的多机刚性集结模型，在此基础上增加二次调频回路、DEH控制得测功反馈回路以及OPC保护设置切换控制模块，得到孤网系统仿真用单区域多机刚性结合系统的数学模型；基于上一步骤中建立的单区域多机刚性结合系统数学模型，仿真分析OPC取不同保护设置参数时对孤网频率稳定性的影响，并依据仿真结果确定适当的OPC动作转速设置方案，通过改变OPC得控制逻辑以实现孤网事故工况下的频率稳定性。本发明能够确保机组设备安全的前提下，尽可能地确保仍挂网。

Description

孤网运行时汽轮机OPC保护设置方法

技术领域

本发明涉及汽轮机OPC保护技术领域，尤其涉及孤网运行时汽轮机OPC保护设置方法。

背景技术

汽轮机控制系统DEH中的OPC保护功能，是为了防止机组与电网解列时引起转速飞升而设置的。典型的OPC保护功能为：

当汽机转速升高至额定转速的103％时，OPC动作，关闭主汽调节阀和再热调节阀，待转速降到3000rpm，主汽调节阀和再热调节阀自动开启，维持汽机转速。

当负荷大于30％发电机主开关跳闸时，OPC动作，关闭主汽调节阀和再热调节阀，限制汽轮机转速飞升，同时“DEH”迅速维待机组转速至3000rpm，主汽调节阀和再热调节阀再自动开启。

当汽轮机功率大于发电机功率60％～80％时，OPC快关阀门控制逻辑迅速关闭再热调速汽门，当负荷匹配后再开启再热调速汽门。

当发生线路跳闸引发电网高频值达到51.5HZ时，火电机组的OPC功能动作，无延时关闭调节汽门，待转速回复至3000转/min(50HZ)后重新开启调节汽门的特性使得火电机组在这种特殊运行方式下的运行特性会造成电网低频振荡甚至扩大成电网瓦解事故。可以说电网的不稳定加快了发电厂在系统异常频率下从系统中解列的速度。汽轮发电机DEH系统OPC保护特性反过来增加了电网运行的不稳定性，这种互相的作用对电网的可靠运行产生很大的影响。

目前，随着汽轮机控制系统越来越多的采用DEH控制系统，其OPC保护功能主要是侧重于提高汽轮发电机的安全及性能的考虑，并未综合考虑电网的安全稳定运行因素。

发明内容

本发明的目的是提供孤网运行时汽轮机OPC保护设置方法，解决因一次调频与OPC设置不正确造成的电网运行事故问题。

本发明采用下述技术方案：

孤网运行时汽轮机OPC保护设置方法，包括如下步骤：

A1:根据在电网稳定和其它动态过程分析计算中得需求，建立汽轮发电机组的简化数学模型；

A2:建立用于研究调频行为时的多机刚性集结模型，在此基础上增加二次调频回路、DEH控制得测功反馈回路以及OPC保护设置切换控制模块，得到孤网系统仿真用单区域多机刚性结合系统的数学模型；

A3:基于上一步骤中建立的单区域多机刚性结合系统数学模型，仿真分析OPC取不同保护设置参数时对孤网频率稳定性的影响，并依据仿真结果确定适当的OPC动作转速设置方案，通过改变OPC得控制逻辑以实现孤网事故工况下的频率稳定性。

所述步骤A1中汽轮机为凝汽式汽轮机，则建立的简化数学模型为

其中χ即为各种物理量的标幺值，R为汽轮机给定值；ΔS_z为油动机位移变化量，S_z0为额定工况下油动机位移。

ΔP为汽轮机输出蒸汽功率变化量，P₀为额定工况下汽轮机输出蒸汽功率值；

ΔN_L为汽轮机负载功率变化量，N_T0为额定工况下汽轮机输出汽功率，在并网工况下，N_T0为额定工况下汽轮机输出汽功率；

Δn为汽轮机转速变化量，n₀为额定工况下汽轮机转速；

为油动机方程，体现油动机环节产生的惯性延迟；T_s为油动机的时间常数，

为容积方程，体现汽轮机进汽容积产生的惯性延迟；T₀为容积时间常数，表示进汽容积效应对进汽的影响，

为转子方程，体现汽轮机转子的转动惯性及负荷的自调节效应；T_a称为转子的飞升时间常数,

β称为自平衡系数，N_f为摩擦功率，P_T为汽轮机输出汽功率，ω为汽轮机转子角速度，下角标0代表额定工况时的相应物理量；由β的表达式知，β是一无量纲量，表示与附加损耗有关的系数。

所述步骤A1中汽轮机为凝汽式汽轮机，则所述步骤A2中建立用于研究调频行为时的多机刚性集结模型是由将步骤A1中建立简化数学模型与多机并网时单机功率与转速的传递函数(6)结合起来，即可得到用于研究调频行为时的多机刚性集结模型，其中所述的多机并网时单机功率与转速的传递函数(6)通过下述方法得到：

A21:假设某电网中有M台机组，则对于第i台机组，由步骤A1中建立的汽轮发电机数学模型可知：

由各台机组转速相同的假设知：χ_n＝χ_ni，所以式(1)可简化为：

设为电网的总容量；

A22:令将上式两边同乘以α_i，可得：

再对式(3)两边求和得；

设N_L为电网的总负载功率，则

又

令表示电网中总的负荷变化相对于电网总容量的百分比。

A23:令T_a∑称为电网的惯性时间常数，它是每一台机组的惯性时间常数T_ai的加权平均值。

A24:令β_∑称为电网的负荷频率特性常数,所以，式(4)可写成如下形式：

将式(5)进行拉氏变换，得：

式(6)即为多机并网时单机功率与转速的传递函数。

本发明针对这种现状，研究汽轮机OPC动作定值及动作方式的实际意义，提出科学的、基于保证电网及发电厂安全稳定运行模式的OPC保护动作值、动作时间、动作方式的策略。从而制定出机组与电网协调运行方案，能够确保机组设备安全的前提下，尽可能地确保仍挂网。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明所述凝汽式汽轮机数学模型图；

图3为本发明所述多机并网时单机功率与转速的传递函数框图；

图4为本发明所述的M台凝汽式汽轮机并网传函框图；

图5为本发明所述凝汽式汽轮机功频调节的传递函数框图；

图6为本发明所述OPC保护设置切换控制逻辑图；

图7为本发明所述单区域四台机组刚性系统数学模型。

具体实施方式

如图1所示，

孤网运行时汽轮机OPC保护设置方法，包括如下步骤：

A1:根据在电网稳定和其它动态过程分析计算中得需求，建立汽轮发电机组的简化数学模型；

A2:建立用于研究调频行为时的多机刚性集结模型，在此基础上增加二次调频回路、DEH控制得测功反馈回路以及OPC保护设置切换控制模块，得到孤网系统仿真用单区域多机刚性结合系统的数学模型；

A3:基于上一步骤中建立的单区域多机刚性结合系统数学模型，仿真分析OPC取不同保护设置参数时对孤网频率稳定性的影响，并依据仿真结果确定适当的OPC动作转速设置方案，通过改变OPC得控制逻辑以实现孤网事故工况下的频率稳定性；

所述步骤A1中汽轮机为凝汽式汽轮机，则建立的简化数学模型为

其中χ即为各种物理量的标幺值，R为汽轮机给定值；ΔS_z为油动机位移变化量，S_z0为额定工况下油动机位移。

ΔP为汽轮机输出蒸汽功率变化量，P₀为额定工况下汽轮机输出蒸汽功率值；

ΔN_L为汽轮机负载功率变化量，N_T0为额定工况下汽轮机输出汽功率，在并网工况下，N_T0为额定工况下汽轮机输出汽功率；Δn为汽轮机转速变化量，n₀为额定工况下汽轮机转速；

为油动机方程，体现油动机环节产生的惯性延迟；T_s为油动机的时间常数，一般来说开阀门的时间常数T_s要大于关闭方向的T_s。为了保证在转速升高时能迅速关闭阀门，要求在关闭阀门方向有小的时间常数T_s。一般情况下，大功率汽轮机的油动机时间常数T_s通常为0.1～0.25秒。

为容积方程，体现汽轮机进汽容积产生的惯性延迟；T₀为容积时间常数，表示进汽容积效应对进汽的影响，通常T₀＝0.1～0.3s左右。为转子方程，体现汽轮机转子的转动惯性及负荷的自调节效应；T_a称为转子的飞升时间常数。随着机组单机功率的增大，T_a有减小的趋势。因为汽轮机单机功率增大时，转子的转动惯量虽然也随着增大，但其增长速度低于单机功率的增长速度，所以随着单机功率的增大，时间常数T_a是不断减小的。对于发电用汽轮机T_a＝6～15s。

β称为自平衡系数，N_f为摩擦功率，P_T为汽轮机输出汽功率，ω为汽轮机转子角速度，下角标0代表额定工况时的相应物理量；由β的表达式知，β是一无量纲量，表示与附加损耗有关的系数，由于附加损耗一般只占额定功率的很小一部分，所以β很小，一般约0.03～0.05。

所述步骤A1中汽轮机为凝汽式汽轮机，则所述步骤A2中建立用于研究调频行为时的多机刚性集结模型是由将步骤A1中建立单台发电机数学模型(简化数学模型)与多机并网时单机功率与转速的传递函数(6)结合起来，即可得到用于研究调频行为时的多机刚性集结模型，其中所述的多机并网时单机功率与转速的传递函数(6)通过下述方法得到：

研究电网频率的长周期行为时(如一次调频，二次调频)，可以认为电网频率是统一的，各发电机转速均相等，这样的假定实际上是忽略了发电机之间的相对摇摆，认为发电机之间严格地保持同步运行。

A21:假设某电网中有M台机组，则对于第i台机组，由步骤一中建立的汽轮发电机数学模型可知：

由各台机组转速相同的假设知：χ_n＝χ_ni，所以式(1)可简化为：

设为电网的总容量；

A22:令将上式两边同乘以α_i，可得：

再对式(3)两边求和得；

设N_L为电网的总负载功率，则

又

令表示电网中总的负荷变化相对于电网总容量的百分比。

A23:令T_a∑称为电网的惯性时间常数，它是每一台机组的惯性时间常数T_ai的加权平均值。

A24:令β_∑称为电网的负荷频率特性常数,所以，式(4)可写成如下形式：

将式(5)进行拉氏变换，得：

式(6)即为多机并网时单机功率与转速的传递函数，其传递函数框图如图3所示。

假设各汽轮机组性能参数相同，根据步骤一中建立起来的发电机组的数学模型和步骤二中建立的用于研究调频行为时的多机刚性集结的数学模型，在Matlab的Simulink框架下搭建用于孤网系统仿真用的数学模型，并对参数进行设置；

基于步骤A2中建立的单区域多机刚性结合系统的数学模型，在此基础上增加二次调频回路、DEH控制的测功反馈回路、以及OPC保护设置切换控制模块，得到单区域多机刚性结合系统的数学模型如图7所示；

其中，DEH控制的测功反馈回路，如图5所示，图中T_N为测功环节功率传感器的惯性时间常数，在功频调节系统中通常将功率传感器的时间常数设计得较大，一般取T_N＝δ·T_a，大约为0.3s左右，其作用是对动态特性进行校正。

K_p、T_i为功频凝汽式机组的PI调节器参数，PI调节器参数以具体系统而定。

OPC保护设置切换控制模块：孤网运行模式下OPC保护设置的切换控制数学模型逻辑图6所示。负荷信号u₁经微分和取绝对值后输出信号u₂，u₂进入切换模块进行OPC设置更改的促发判断，即当u₂大于一个很大的数时切换OPC设置，否则保持OPC设置为并网运行的值。切换模块还有一个功能就是保持输出u₃＝u₁。u₂输入到判断开关进行判断，即当u₂大于一个很大的数输出u₃，否则输出u₁

单区域四台机组刚性系统数学模型:如图7所示，为单区域四台机组刚性系统数学模型。

基于上述模型对所述仿真分析OPC取不同保护设置参数时的孤网频率稳定性的影响，具体的如下：

1、当系统解列时，假设负荷从100％降低到剩余负荷的x％，仿真分析OPC动作保护设置取不同值时对孤网频率稳定性的影响。

2、当系统解列时，假设负荷从100％降低到低于剩余负荷的x％的y％时，仿真分析OPC动作保护设置取不同值时对孤网频率稳定性的影响。

仿真分析结果表明适当提高OPC保护设置的动作转速，可以确保OPC保护不动作，从而减小其对孤网频率稳定性的影响，避免事故扩大；步骤上述仿真分析结果，确定适当的OPC动作转速设置方案，通过改变OPC的控制逻辑以实现孤网事故工况下的频率稳定性：本实施例中共有四种逻辑控制方案：

OPC控制逻辑方案1：OPC的初始动作值为经典的103％。

OPC控制逻辑方案2：将OPC的初始动作值由原来的103％增加到106％。

OPC控制逻辑方案3：当系统检测到发生孤网事故工况后，首先切换不同机组OPC动作设定值：机组1为103％，机组2为104％，机组3为105％，机组4为106％。这种控制逻辑：只要OPC动作被触发，则只有当转速恢复到额定转速才停止。这种控制方式实现了不同机组OPC动作触发的“隔离”，但是一旦几台机组OPC相继被触发后，“共振”便会一直进行到恢复额定转速为止。

OPC控制逻辑方案4：一个频率段最多有一台机组动作，其控制逻辑为：当转速在103％～104％时，机组1OPC动作；当转速在104％～105％时，机组2OPC动作；当转速在105％～106％时，机组3OPC动作；当转速大于106％时，机组4OPC动作。这种控制逻辑实现了OPC动作全过程的完全“隔离”。

本发明结果为定性分析结果，可供科研及现场工作人员参考，在实际应用过程中可根据所应用系统的具体参数指定OPC的控制逻辑方案。当发生大的系统功率缺额时，本发明所提出的OPC控制逻辑方案均有利于降低频率波动，且方案4效果最佳。

Claims (3)

1.孤网运行时汽轮机OPC保护设置方法，其特征在于：包括如下步骤：

A1:根据在电网稳定和其它动态过程分析计算中得需求，建立汽轮发电机组的简化数学模型；

A2:建立用于研究调频行为时的多机刚性集结模型，在此基础上增加二次调频回路、DEH控制得测功反馈回路以及OPC保护设置切换控制模块，得到孤网系统仿真用单区域多机刚性结合系统的数学模型；

A3:基于上一步骤中建立的单区域多机刚性结合系统数学模型，仿真分析OPC取不同保护设置参数时对孤网频率稳定性的影响，并依据仿真结果确定适当的OPC动作转速设置方案，通过改变OPC得控制逻辑以实现孤网事故工况下的频率稳定性。

2.根据权利要求1所述的孤网运行时汽轮机OPC保护设置方法，其特征在于：所述步骤A1中汽轮机为凝汽式汽轮机，则建立的简化数学模型为其中χ即为各种物理量的标幺值，R为汽轮机给定值；ΔS_z为油动机位移变化量，S_z0为额定工况下油动机位移。

ΔP为汽轮机输出蒸汽功率变化量，P₀为额定工况下汽轮机输出蒸汽功率值；

ΔN_L为汽轮机负载功率变化量，N_T0为额定工况下汽轮机输出汽功率，在并网工况下，N_T0为额定工况下汽轮机输出汽功率；

Δn为汽轮机转速变化量，n₀为额定工况下汽轮机转速；

为油动机方程，体现油动机环节产生的惯性延迟；T_s为油动机的时间常数，

为容积方程，体现汽轮机进汽容积产生的惯性延迟；T₀为容积时间常数，表示进汽容积效应对进汽的影响，

为转子方程，体现汽轮机转子的转动惯性及负荷的自调节效应；T_a称为转子的飞升时间常数,

β称为自平衡系数，N_f为摩擦功率，P_T为汽轮机输出汽功率，ω为汽轮机转子角速度，下角标0代表额定工况时的相应物理量；由β的表达式知，β是一无量纲量，表示与附加损耗有关的系数。

3.根据权利要求2所述的孤网运行时汽轮机OPC保护设置方法，其特征在于：所述步骤A1中汽轮机为凝汽式汽轮机，则所述步骤A2中建立用于研究调频行为时的多机刚性集结模型是由将步骤A1中建立简化数学模型与多机并网时单机功率与转速的传递函数(6)结合起来，即可得到用于研究调频行为时的多机刚性集结模型，其中所述的多机并网时单机功率与转速的传递函数(6)通过下述方法得到：

A21:假设某电网中有M台机组，则对于第i台机组，由步骤A1中建立的汽轮发电机数学模型可知：

$T_{ai}\frac{{\mathrm{d\χ}}_{ni}}{dt}={\mathrm{\χ}}_{Pi}-{\mathrm{\χ}}_{NLi}-{\mathrm{\β}}_i{\mathrm{\χ}}_{ni}---\left(1\right)$

由各台机组转速相同的假设知：χ_n＝χ_ni，所以式(1)可简化为：

$T_{ai}\frac{{\mathrm{d\χ}}_n}{dt}={\mathrm{\χ}}_{Pi}-{\mathrm{\χ}}_{NLi}-{\mathrm{\β}}_i{\mathrm{\χ}}_{ni}---\left(2\right)$

设为电网的总容量；

A22:令将上式两边同乘以α_i，可得：

${\mathrm{\α}}_i{T}_{ai}\frac{{\mathrm{d\χ}}_n}{dt}={\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\χ}}_{Pi}-{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\χ}}_{NLi}-{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\β}}_i{\mathrm{\χ}}_n---\left(3\right)$

再对式(3)两边求和得；

$\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i{T}_{ai}\frac{{\mathrm{d\χ}}_n}{dt}=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\χ}}_{Pi}-\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\χ}}_{NLi}-\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\β}}_i{\mathrm{\χ}}_n---\left(4\right)$

设N_L为电网的总负载功率，则

∵

又∵

∴

令表示电网中总的负荷变化相对于电网总容量的百分比。

A23:令T_aΣ称为电网的惯性时间常数，它是每一台机组的惯性时间常数T_ai的加权平均值。

A24:令β_Σ称为电网的负荷频率特性常数,所以，式(4)可写成如下形式：

$T_{a\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{d\χ}}_n}{dt}=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\χ}}_{Pi}-{\mathrm{\χ}}_{NL\mathrm{\Σ}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\χ}}_n---\left(5\right)$

将式(5)进行拉氏变换，得：

$T_{a\mathrm{\Σ}}{\mathrm{s\χ}}_n\left(s\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\χ}}_{Pi}\left(s\right)-{\mathrm{\χ}}_{NL\mathrm{\Σ}}\left(s\right)-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\χ}}_n\left(s\right)---\left(6\right)$

式(6)即为多机并网时单机功率与转速的传递函数。