CN106527131B - 用于锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型 - Google Patents

Abstract

用于锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型，本发明涉及一种用于一次调频分析的锅炉、汽轮机、电网三方协调控制的超临界及超超临界机组协调控制模型，现有技术传统的机网协调和机炉协调的控制重点是汽轮发电机组与电网，一次调频控制回路中仅体现了对电网频差的负反馈控制策略，并未考虑对锅炉的影响，从而存在安全隐患，本发明为解决上述问题采取的技术方案是：步骤一：建立反映超临界及超超临界机组中直流锅炉机理模型，步骤二：建立超临界及超超临界直流锅炉控制器模型，步骤三：建立汽轮机一次调频模型，步骤四：建立包含不同类型机组的电力系统调频模型，步骤五：修正汽轮机功率给定信号，本发明用于锅炉、汽轮机和电网协调控制领域。

Description

用于锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型

技术领域

本发明涉及一种用于一次调频分析的锅炉、汽轮机、电网三方协调控制的超临界及超超临界机组协调控制模型。

背景技术

开发清洁能源，提高化石能源转化效率是当今趋势。在这种发展趋势下，小容量火电机组由于发电煤耗高、能源利用率低逐渐退出运行，大容量、高参数的超临界及超超临界机组正在推广运行。然而，超临界及超超临界机组中水的状态参数达到临界点时(压力22.129MPa、温度374.15℃)，汽密度与水密度相等，汽包锅炉的自然循环在超临界下不适用，使得直流锅炉成为超临界及超超临界机组的唯一型式。

直流锅炉和汽包锅炉的结构具有差异。超临界和超超临界锅炉是由受热管道所组成，没有大气包。主汽阀开度在控制汽轮机功率的同时，反过来影响直流炉出口处的阻力特性，由于缺乏汽包的缓冲，动态特性受主汽阀开度的影响远远大于汽包炉，因此，直流锅炉的被控特性与汽包锅炉完全不同。直流锅炉由于锅炉的蓄热相对较小，对扰动较敏感，使得机、炉之间耦合严重，从而使主汽压力大幅度变化，既降低了控制质量，又增加了直流锅炉运行的风险。

因此，在传统的一次调频控制策略下，随机负荷波动所引起的主蒸汽压力和温度的波动会对超临界及超超临界机组运行产生非常不利的影响。

传统的机网协调的重点是关注发电机组而较少考虑锅炉，一方面要求电网各种电气设备和保护装置、安全自动装置或安全自动控制系统，应和发电机的各种调节系统、保护装置相配合，从而最大限度的保证发电机的安全运行；另一方面要求发电机的各种调节系统、保护装置与电网的自动装置相协调，保证电网的安全。严格来说单元机组应该包括锅炉，但是从电网运行角度看，与电网直接互联的是汽轮机组。所以电网和汽轮发电机组之间的关联互动在机网协调中备受重视，而忽视了锅炉的安全和动态特性。

传统的机炉协调控制指的是当外界负荷变化时，将功率变化指令同时发给锅炉及汽轮机控制系统，对调节阀开度及锅炉进行同步调整，协调控制。其控制的核心思想是提高机组对电网负荷变化的响应速度，并未充分考虑大容量高参数机组在响应负荷波动时造成的锅炉气压波动。

由以上分析可知，传统的机网协调和机炉协调的控制重点是汽轮发电机组与电网，一次调频控制回路中仅体现了对电网频差的负反馈控制策略，并未考虑对锅炉的影响，从而存在较大的安全隐患。特别是随着超临界和超超临界机组的发展，如果在一次调频控制中不考虑锅炉的特性，将会给大容量高参数火电机组参加一次调频带来很大阻力，不利于电力系统安全稳定运行。

发明内容

现有技术传统的机网协调和机炉协调的控制重点是汽轮发电机组与电网，一次调频控制回路中仅体现了对电网频差的负反馈控制策略，并未考虑对锅炉的影响，从而存在较大的安全隐患，为了满足电网安全运行要求的同时，又能够让大容量高参数发电机组安全高效的运行，进而提供用于锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：步骤一：建立反映超临界及超超临界机组中直流锅炉机理模型:直流锅炉动态考虑燃烧系统、水冷壁和过热器，依据工质能量平衡方程、工质质量平衡方程、工质动量平衡方程，直流锅炉机理模型，

工质从省煤器流出后，进入水冷壁，经过水冷壁后，工质由水变成蒸汽，水冷壁出口为微过热点；水冷壁内工质在运行中，满足能量平衡方程、质量平衡方程，

水冷壁内工质能量平衡方程：

水冷壁内工质质量平衡方程：

式中，V₁为直流锅炉水冷壁的容积，单位为m³，h₁为水冷壁中工质的平均焓值，单位为J/kg，ρ₁为水冷壁中工质的平均密度，单位为kg/m³，G_in为给水流量，单位为kg/s，h_in为水冷壁入口焓值，单位为J/kg，G_jian为水冷壁出口处微过热点的工质流量，单位为kg/s，h_jian为过热器入口焓值，单位为J/kg，Q₁为水冷壁工质单位时间的吸热量，单位为J/s，

解水冷壁方程，由式(2)可得

对式(1)展开可得

式(4)移项可得

h₁为为水冷壁中工质的平均焓值，取水冷壁入口焓值h_in与过热器入口焓值h_jian的平均值，水冷壁中工质的平均密度ρ₁取水冷壁入口密度ρ_in与工质密度ρ_jian的平均值，即：

h₁＝(h_in+h_jian)/2 (6)

ρ₁＝(ρ_in+ρ_jian)/2 (7)

在直流锅炉的运行中，虽然水冷壁轴向各点工质的焓值不同，但在动态中，各点的变化率相等，平均值的变化率可以用任意一点的变化率来表征，过热器入口焓值h_jian和工质密度ρ_jian的变化率等于平均值h₁和ρ₁的变化率，即：

由水冷壁方程式(1～9)，求解出水冷壁方程，建立水冷壁模型；

锅炉的过热器入口压力P_jian和主蒸汽压力P_t的压力的差同主蒸汽流量G_t之间存在平方根关系，过热器温度控制中，减温水取自锅炉给水，所以喷入过热器的减温水焓值为h_in，在过热器中喷减温水，减温水焓值与水冷壁入口焓值相同，进而控制主蒸汽温度，过热器内工质满足质量平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程

过热器内工质能量平衡方程：

过热器内工质质量平衡方程：

过热器内工质动量平衡方程：

式中，V_s为过热器内蒸汽体积，单位为m³，h_s为过热器蒸汽平均焓值，单位为J/kg，ρ_s为过热器蒸汽平均密度，单位为kg/m³，G_j为减温水流量，单位为kg/s，G_t为主蒸汽流量，单位为kg/s，h_t为主蒸汽焓值，单位为J/kg，Q_s为过热器内蒸汽单位时间的吸热量，单位为J/s，P_jian工质密度，单位为Pa，P_t为主蒸汽压力，单位为Pa，K_sh为过热器管道的阻力系数，单位为N·s²/(kg²·m²)，

解过热器方程，由式(2)可得

对式(10)展开可得

式(15)移项可得

h_s为过热器蒸汽平均焓值，取过热器入口焓值h_jian与主蒸汽焓值h_t的平均值，过热器体积V_s是常数，过热器蒸汽平均密度ρ_s取工质密度ρ_jian与过热器出口密度ρ_t的平均值，即：

h_s＝(h_t+h_jian)/2 (17)

ρ_s＝(ρ_t+ρ_jian)/2 (18)

由过热器方程式(10～18)，求解出过热器方程，建立过热器模型，

燃烧系统有一定的延时和惯性，煤量指令下达后，磨煤机开始动作，经过一定的延时和惯性，才会变成煤量的实际值，电厂实际控制中，有专门控制单元协调燃煤量与给风量，将燃煤量作为变量，锅炉燃烧放出的热量用传递函数可以表示为：

式中，Q为燃烧系统放热量，单位为J，τ为燃烧系统延迟时间常数，单位为s，T_c为燃烧系统惯性时间常数，单位为s，K为常系数，μ_B为燃烧率指令，单位为p.u.，

煤燃烧所释放出的热量Q，一部分热量Q₁用于加热锅炉水冷壁内的水，使之变成蒸汽，另一部分热量Q_s用于加热过热器中的工质，使微过热蒸汽变成过热蒸汽，因此，Q＝Q₁+Q_s，若Q₁＝nQ，则Q_s＝(1-n)Q，运行中Q会发生波动，水冷壁与过热器吸热的比例保持恒定，比例系数n恒定，

直流锅炉整体输入为燃烧率指令、给水流量、减温水流量，此外，主蒸汽流量与锅炉入口焓值也会影响锅炉动态，直流锅炉整体输入出为主蒸汽压力、主蒸汽温度及微过热点焓值，

直流锅炉模型包括锅炉燃烧系统、水冷壁、过热器，燃烧系统释放总热量为Q，传递到水冷壁热量为Q_l，传递到过热器热量为Q_s,依据过热器动量式(12)，水冷壁出口处微过热点的工质流量G_jian由压力差决定，水冷壁的出口焓值即为过热器的入口焓值，主蒸汽流量G_t的信号来自于汽轮机模型，燃烧率指令μ_B、给水流量G_in、减温水流量G_j由锅炉控制器给出，输出信号反映单元机组的状态通过锅炉控制器的输入，直流锅炉机理模型；

步骤二：建立超临界及超超临界直流锅炉控制器模型：

超临界直流锅炉控制量主要是燃烧率、给水、减温水，高压缸出口处蒸汽压力P_tj与主蒸汽压力P_t的比值准确反映锅炉的能量需求，该信号是燃烧控制、给水控制主要的信号，

燃烧率控制时依据锅炉能量需求信号P_tj/P_t，另外，主蒸汽压力是锅炉能量的代表，反映锅炉能量高低，因此，主蒸汽压力偏差也作为锅炉燃烧率控制所依据的信号，经过PID控制后与锅炉能量需求信号共同调节燃烧率的大小，

锅炉给水最主要的控制信号是P_tj/P_t，同时受主蒸汽温度偏差值、微过热点焓值信号偏差值影响，

依据主蒸汽温度偏差值进行减温水控制，使得主蒸汽温度保持在规定范围内，进而完成超临界及超超临界直流锅炉控制器模型的建立；

步骤三：建立汽轮机一次调频模型：

用于一次调频分析的汽轮机模型为线性模型，动态特性用传递函数来表示，在汽轮机与直流锅炉耦合的环节为主蒸汽流量调节阀门，即为主蒸汽阀门开度及主蒸汽压力，汽轮机模型包含主蒸汽流量及主蒸汽压力，

一次调频通道

功率给定值R_t与阀门开度S_z之间的传递函数为一阶惯性，主蒸汽流量G_t与汽轮机机械功率P_M之间的传递函数为一阶惯性，机械功率、电功率之差(P_M-P_L)与转差之间的传递函数为一阶惯性，即轴的惯性，

主蒸汽流量

依据气体流过主汽阀流体力学原理，主蒸汽流量与主蒸汽压力和主汽阀开度的乘积成正比，

G_t＝k_vP_tS_z (20)

式(20)中，G_t为主蒸汽流量，单位为kg/s，P_t为主蒸汽压力，单位为Pa，S_z为阀门开度，单位为p.u.，k_v为常系数，

在机炉耦合关系中，主蒸汽压力影响流过主汽阀的流量，进而影响汽轮机功率，同时，汽轮机主汽阀流量会影响锅炉动态，即锅炉与汽轮机的相互耦合关系，

汽轮机一次调频模型的输入为主蒸汽压力、主汽阀开度指令和电机的电功率，输出为转差及汽机调节阀流量，建立汽轮机一次调频模型，

步骤四：建立包含不同类型机组的电力系统调频模型：

若系统中的超临界及超超临界机组均采用锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型，则验证锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型的效果，即对调频的改善效果，建立包含不同类型机组的电力系统调频模型，

用于一次调频分析的模型采用刚性集结模型，电力系统一次调频时间尺度为秒级，在该时间尺度下，机组转速与电网是同步的，各个点的电力系统频率一致，电网频率决定于系统内所有机组的功率之和及电力系统总负荷，即电力系统是刚性集结的，

在系统中，不同类型的发电机组一次调频模型不同，针对一次调频的功率通道，将模型分为以下5种模型：纯转速调节汽轮机、中间再热式汽轮机、功频调节汽轮机、水轮机、锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制汽轮机，

纯转速调节汽轮机

纯转速调节方式下，汽轮机频率偏差信号通过一次调频控制通道反馈到阀门，控制通道的比例系数为1/δ，与给定值求和后作为蒸汽阀门的指令信号，进而通过执行机构控制阀门的开度，阀门控制信号经过执行机构、容积效应环节后，与扰动相叠加作为转子惯量环节的输入，转子惯量环节输出频率偏差信号，纯转速调节的功率没有闭环，功率并非可控，

功频调节汽轮机

为了使汽轮机的功率跟踪功率给定，将电功率反馈到控制回路中，在纯转速调节的基础上，测量发电机输出的电功率，进而反馈到输入给定处，与给定、一次调频量求和后作为汽轮机的阀门控制信号，阀门控制信号经过PI环节、执行结构、容积效应环节后，与扰动相叠加作为转子惯量环节的输入，转子惯量环节输出频率偏差信号，

中间再热式汽轮机

中间再热式汽轮机中的蒸汽经过高压缸做功后会返回到锅炉中再热，随后进入中压缸、低压缸做功，其中执行机构特性为较小时间常数的惯性环节，经过高压调节阀的工质经过容积后进入高压缸，蒸汽要经过再热器容积后再进入中压缸、低压缸，再热器容积效应也等效为惯性环节

水轮机

采用机械液压调节系统，采用并联型PID调速器，PID参数K_p＝5.185、K_i＝0.988、K_d＝3.333，T_a为轴惯性时间常数，T_b为负荷的惯性时间常数，工程实际中，T_b范围为T_b＝(0.24～0.30)T_a，取T_b＝0.27T_a，

步骤五：修正汽轮机功率给定信号:

在锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型中加入一个控制器，其输入为主蒸汽压力偏差信号ΔP_t和频差信号Δf，其输出与汽轮机功率给定信号相叠加，根据模型使用者设置和调节该控制器的参数，实现保证电网频率稳定的前提下，充分利用锅炉的能量的目标，既使火电机组充分参与调频，又使超临界直流锅炉主蒸汽压力趋于平稳，

频率偏差信号Δf信号反映电网能量大小，使锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型应对电网侧功率频繁变动，主蒸汽压力偏差信号ΔP_t信号反映直流锅炉能量高低，且便于测量，相当于在原来的功率给定值R_t之上增加了一个修正量，该修正量既能反映锅炉能量的高低，又能体现电网能量的高低，进而完成锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型。

本发明的有益效果是：

本发明建立了一个把锅炉、汽轮机和电网看作一个控制对象来研究一次调频控制方法的超临界及超超临界机组仿真模型，该模型能够依据锅炉动态能量的高低以及电力系统频率的高低控制有功功率。具体地，当电网频率较低时，可以利用主蒸汽压力偏高的机组参与调频，电网频率较高时，可以利用能量偏低的机组参与调频，既提高锅炉能量利用率又使超临界机组充分参加一次调频，达到网源双赢，在电力系统一次调频的基础上，分别增加了直流锅炉主蒸汽压力反馈信号和电网频率偏差反馈信号，构成了一个带有特殊信号借口的超临界及超超临界机组标准数学模型。主蒸汽压力信号反映了当前锅炉能量的高低，电网频率偏差信号反映了电网的能量状态。针对不同的网源能量状态，可以在模型中设计不同的控制器来调整一次调频控制策略，使得新控制策略既对锅炉主蒸汽压力恢复有益，又对频率恢复有益。

附图说明

图1是汽包锅炉结构示意图，图2是直流锅炉结构示意图，图3是超临界机组物理模型，图4是超临界直流锅炉整体模型，图5是水冷壁、过热器、燃烧系统信号与工质能量平衡方程、工质质量平衡方程、工质动量平衡方程关系，图6是水冷壁模型求解图，图7是过热器模型求解图，图8是汽轮机一次调频模型，图9是汽轮机一次调频数学模型，图10是中间再热式汽轮机数学模型，图11是一次调频分析的水轮机传递函数框图，图12是锅炉、纯转速调节汽轮机、中间再热式汽轮机、功频调节汽轮机、水轮机和电网协调的汽轮机电力系统调频模型，图13是修正功率指令法原理示意图，图14是电网能量平衡状态下的主蒸汽压力信号与频差信号仿真图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图13说明本实施方式，本实施方式所述用于锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型，所述模型是通过以下步骤实现的：

步骤一：建立反映超临界及超超临界机组中直流锅炉机理模型:直流锅炉动态考虑燃烧系统、水冷壁和过热器，依据工质能量平衡方程、工质质量平衡方程、工质动量平衡方程建立直流锅炉机理模型，

工质从省煤器流出后，进入水冷壁，经过水冷壁后，工质由水变成蒸汽，水冷壁出口为微过热点；水冷壁内工质在运行中，满足能量平衡方程、质量平衡方程，

水冷壁内工质能量平衡方程：

水冷壁内工质质量平衡方程：

式中，V₁为直流锅炉水冷壁的容积，单位为m³，h₁为水冷壁中工质的平均焓值，单位为J/kg，ρ₁为水冷壁中工质的平均密度，单位为kg/m³，G_in为给水流量，单位为kg/s，h_in为水冷壁入口焓值，单位为J/kg，G_jian为水冷壁出口处微过热点的工质流量，单位为kg/s，h_jian为过热器入口焓值，单位为J/kg，Q₁为水冷壁工质单位时间的吸热量，单位为J/s，

解水冷壁方程，由式(2)可得

对式(1)展开可得

式(4)移项可得

h₁为水冷壁中工质的平均焓值，取水冷壁入口焓值h_in与过热器入口焓值h_jian的平均值，水冷壁中工质的平均密度ρ₁取水冷壁入口密度ρ_in与工质密度ρ_jian的平均值，即：

h₁＝(h_in+h_jian)/2 (6)

ρ₁＝(ρ_in+ρ_jian)/2 (7)

在直流锅炉的运行中，虽然水冷壁轴向各点工质的焓值不同，但在动态中，各点的变化率相等，平均值的变化率可以用任意一点的变化率来表征，过热器入口焓值h_jian和工质密度ρ_jian的变化率等于平均值h₁和ρ₁的变化率，即：

由水冷壁方程式(1～9)，求解出水冷壁方程，建立水冷壁模型；

锅炉的过热器入口压力P_jian和主蒸汽压力P_t的压力的差同主蒸汽流量G_t之间存在平方根关系，过热器温度控制中，减温水取自锅炉给水，所以喷入过热器的减温水焓值为h_in，在过热器中喷减温水，减温水焓值与水冷壁入口焓值相同，进而控制主蒸汽温度，过热器内工质满足质量平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程，

过热器内工质能量平衡方程：

过热器内工质质量平衡方程：

过热器内工质动量平衡方程：

式中，V_s为过热器内蒸汽体积，单位为m³，h_s为过热器蒸汽平均焓值，单位为J/kg，ρ_s为过热器蒸汽平均密度，单位为kg/m³，G_j为减温水流量，单位为kg/s，G_t为主蒸汽流量，单位为kg/s，h_t为主蒸汽焓值，单位为J/kg，Q_s为过热器内蒸汽单位时间的吸热量，单位为J/s，P_jian工质密度，单位为Pa，P_t为主蒸汽压力，单位为Pa，K_sh为过热器管道的阻力系数，单位为N·s²/(kg²·m²)，

解过热器方程，由式(2)可得

对式(10)展开可得

式(15)移项可得

h_s为过热器蒸汽平均焓值，取过热器入口焓值h_jian与主蒸汽焓值h_t的平均值，过热器体积V_s是常数，过热器蒸汽平均密度ρ_s取工质密度ρ_jian与过热器出口密度ρ_t的平均值，即：

h_s＝(h_t+h_jian)/2 (17)

ρ_s＝(ρ_t+ρ_jian)/2 (18)

由过热器方程式(10～18)，求解出过热器方程，建立过热器模型，

燃烧系统有一定的延时和惯性，煤量指令下达后，磨煤机开始动作，经过一定的延时和惯性，才会变成煤量的实际值，电厂实际控制中，有专门控制单元协调燃煤量与给风量，将燃煤量作为变量，锅炉燃烧放出的热量用传递函数可以表示为：

式中，Q为燃烧系统放热量，单位为J，τ为燃烧系统延迟时间常数，单位为s，T_c为燃烧系统惯性时间常数，单位为s，K为常系数，μ_B为燃烧率指令，单位为p.u.，

煤燃烧所释放出的热量Q，一部分热量Q₁用于加热锅炉水冷壁内的水，使之变成蒸汽，另一部分热量Q_s用于加热过热器中的工质，使微过热蒸汽变成过热蒸汽，因此，Q＝Q₁+Q_s，若Q₁＝nQ，则Q_s＝(1-n)Q，运行中Q会发生波动，水冷壁与过热器吸热的比例保持恒定，比例系数n恒定，

直流锅炉整体输入为燃烧率指令、给水流量、减温水流量，此外，主蒸汽流量与锅炉入口焓值也会影响锅炉动态，直流锅炉整体输入出为主蒸汽压力、主蒸汽温度及微过热点焓值，

直流锅炉模型包括锅炉燃烧系统、水冷壁、过热器，燃烧系统释放总热量为Q，传递到水冷壁热量为Q_l，传递到过热器热量为Q_s,依据过热器动量式(12)，水冷壁出口处微过热点的工质流量G_jian由压力差决定，水冷壁的出口焓值即为过热器的入口焓值，主蒸汽流量G_t的信号来自于汽轮机模型，燃烧率指令μ_B、给水流量G_in、减温水流量G_j由锅炉控制器给出，输出信号反映单元机组的状态通过锅炉控制器的输入得到直流锅炉机理模型；

步骤二：建立超临界及超超临界直流锅炉控制器模型：

超临界直流锅炉控制量主要是燃烧率、给水、减温水，高压缸出口处蒸汽压力P_tj与主蒸汽压力P_t的比值准确反映锅炉的能量需求，该信号是燃烧控制、给水控制主要的信号，

燃烧率控制时依据锅炉能量需求信号P_tj/P_t，另外，主蒸汽压力是锅炉能量的代表，反映锅炉能量高低，因此，主蒸汽压力偏差也作为锅炉燃烧率控制所依据的信号，经过PID控制后与锅炉能量需求信号共同调节燃烧率的大小，

锅炉给水最主要的控制信号是P_tj/P_t，同时受主蒸汽温度偏差值、微过热点焓值信号偏差值影响，

依据主蒸汽温度偏差值进行减温水控制，使得主蒸汽温度保持在规定范围内，进而完成超临界及超超临界直流锅炉控制器模型的建立；

步骤三：建立汽轮机一次调频模型：

用于一次调频分析的汽轮机模型为线性模型，动态特性用传递函数来表示，在汽轮机与直流锅炉耦合的环节为主蒸汽流量调节阀门，即为主蒸汽阀门开度及主蒸汽压力，汽轮机模型包含主蒸汽流量及主蒸汽压力，

一次调频通道

功率给定值R_t与阀门开度S_z之间的传递函数为一阶惯性，主蒸汽流量G_t与汽轮机机械功率P_M之间的传递函数为一阶惯性，机械功率、电功率之差(P_M-P_L)与转差之间的传递函数为一阶惯性，即轴的惯性，

主蒸汽流量

依据气体流过主汽阀流体力学原理，主蒸汽流量与主蒸汽压力和主汽阀开度的乘积成正比，

G_t＝k_vP_tS_z (20)

式(20)中，G_t为主蒸汽流量，单位为kg/s，P_t为主蒸汽压力，单位为Pa，S_z为阀门开度，单位为p.u.，k_v为常系数，

在机炉耦合关系中，主蒸汽压力影响流过主汽阀的流量，进而影响汽轮机功率，同时，汽轮机主汽阀流量会影响锅炉动态，即锅炉与汽轮机的相互耦合关系，

汽轮机一次调频模型的输入为主蒸汽压力、主汽阀开度指令和电机的电功率，输出为转差及汽机调节阀流量，建立汽轮机一次调频模型，

步骤四：建立包含不同类型机组的电力系统调频模型：

若系统中的超临界及超超临界机组均采用锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型，则验证锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型的效果，即对调频的改善效果，建立包含不同类型机组的电力系统调频模型，

用于一次调频分析的模型采用刚性集结模型，电力系统一次调频时间尺度为秒级，在该时间尺度下，机组转速与电网是同步的，各个点的电力系统频率一致，电网频率决定于系统内所有机组的功率之和及电力系统总负荷，即电力系统是刚性集结的，

在系统中，不同类型的发电机组一次调频模型不同，针对一次调频的功率通道，将模型分为以下5种模型：纯转速调节汽轮机、中间再热式汽轮机、功频调节汽轮机、水轮机、锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制汽轮机，

纯转速调节汽轮机

纯转速调节方式下，汽轮机频率偏差信号通过一次调频控制通道反馈到阀门，控制通道的比例系数为1/δ，与给定值求和后作为蒸汽阀门的指令信号，进而通过执行机构控制阀门的开度，阀门控制信号经过执行机构、容积效应环节后，与扰动相叠加作为转子惯量环节的输入，转子惯量环节输出频率偏差信号，纯转速调节的功率没有闭环，功率并非可控，

功频调节汽轮机

为了使汽轮机的功率跟踪功率给定，将电功率反馈到控制回路中，在纯转速调节的基础上，测量发电机输出的电功率，进而反馈到输入给定处，与给定、一次调频量求和后作为汽轮机的阀门控制信号，阀门控制信号经过PI环节、执行结构、容积效应环节后，与扰动相叠加作为转子惯量环节的输入，转子惯量环节输出频率偏差信号，

中间再热式汽轮机

中间再热式汽轮机中的蒸汽经过高压缸做功后会返回到锅炉中再热，随后进入中压缸、低压缸做功，其中执行机构特性为较小时间常数的惯性环节，经过高压调节阀的工质经过容积后进入高压缸，蒸汽要经过再热器容积后再进入中压缸、低压缸，再热器容积效应也等效为惯性环节

水轮机

采用机械液压调节系统，采用并联型PID调速器，PID参数K_p＝5.185、K_i＝0.988、K_d＝3.333，T_a为轴惯性时间常数，T_b为负荷的惯性时间常数，工程实际中，T_b范围为T_b＝(0.24～0.30)T_a，取T_b＝0.27T_a，

步骤五：修正汽轮机功率给定信号:

在锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型中加入一个控制器，其输入为主蒸汽压力偏差信号ΔP_t和频差信号Δf，其输出与汽轮机功率给定信号相叠加，根据模型使用者设置和调节该控制器的参数，实现保证电网频率稳定的前提下，充分利用锅炉的能量的目标，既使火电机组充分参与调频，又使超临界直流锅炉主蒸汽压力趋于平稳，

频率偏差信号Δf信号反映电网能量大小，使锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型应对电网侧功率频繁变动，主蒸汽压力偏差信号ΔP_t信号反映直流锅炉能量高低，且便于测量，相当于在原来的功率给定值R_t之上增加了一个修正量，该修正量既能反映锅炉能量的高低，又能体现电网能量的高低，进而完成锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型。

实施例

依照某电网在较大负荷变动下的180s频率数据，以前文所述的炉-机-网协调控制模型为对象，记录在电网能量平衡状态下的主蒸汽压力信号与频差信号仿真图像，如图14所示。额定主蒸汽压力为24.2MPa，频差的参考值为50Hz。由图14可知，锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型能够准确采集超临界及超超临界机组中的主蒸汽压力信号与频差信号，为模型使用者提供了一个设计平台。使用者可以根据需要设计控制器，利用这两个信号达到锅炉、汽轮机和电网协调控制的目的。

Claims (1)

1.用于锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型，其特征在于：所述模型是通过以下步骤实现的：

步骤一：建立反映超临界及超超临界机组中直流锅炉机理模型:直流锅炉动态考虑燃烧系统、水冷壁和过热器，依据工质能量平衡方程、工质质量平衡方程、工质动量平衡方程建立直流锅炉机理模型，

工质从省煤器流出后，进入水冷壁，经过水冷壁后，工质由水变成蒸汽，水冷壁出口为微过热点；水冷壁内工质在运行中，满足能量平衡方程、质量平衡方程，

水冷壁内工质能量平衡方程：

水冷壁内工质质量平衡方程：

式中，V₁为直流锅炉水冷壁的容积，单位为m³，h₁为水冷壁中工质的平均焓值，单位为J/kg，ρ₁为水冷壁中工质的平均密度，单位为kg/m³，G_in为给水流量，单位为kg/s，h_in为水冷壁入口焓值，单位为J/kg，G_jian为水冷壁出口处微过热点的工质流量，单位为kg/s，h_jian为过热器入口焓值，单位为J/kg，Q₁为水冷壁工质单位时间的吸热量，单位为J/s，

解水冷壁方程，由式(2)可得

对式(1)展开可得

式(4)移项可得

h₁为水冷壁中工质的平均焓值，取水冷壁入口焓值h_in与过热器入口焓值h_jian的平均值，水冷壁中工质的平均密度ρ₁取水冷壁入口密度ρ_in与工质密度ρ_jian的平均值，即：

h₁＝(h_in+h_jian)/2 (6)

ρ₁＝(ρ_in+ρ_jian)/2 (7)

在直流锅炉的运行中，虽然水冷壁轴向各点工质的焓值不同，但在动态中，各点的变化率相等，平均值的变化率可以用任意一点的变化率来表征，过热器入口焓值h_jian和工质密度ρ_jian的变化率等于平均值h₁和ρ₁的变化率，即：

由水冷壁方程式(1～9)，求解出水冷壁方程，建立水冷壁模型；

锅炉的过热器入口压力P_jian和主蒸汽压力P_t的压力的差同主蒸汽流量G_t之间存在平方根关系，过热器温度控制中，减温水取自锅炉给水，所以喷入过热器的减温水焓值为h_in，在过热器中喷减温水，减温水焓值与水冷壁入口焓值相同，进而控制主蒸汽温度，过热器内工质满足质量平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程，

过热器内工质能量平衡方程：

过热器内工质质量平衡方程：

过热器内工质动量平衡方程：

式中，V_s为过热器内蒸汽体积，单位为m³，h_s为过热器蒸汽平均焓值，单位为J/kg，ρ_s为过热器蒸汽平均密度，单位为kg/m³，G_j为减温水流量，单位为kg/s，G_t为主蒸汽流量，单位为kg/s，h_t为主蒸汽焓值，单位为J/kg，Q_s为过热器内蒸汽单位时间的吸热量，单位为J/s，P_jian工质密度，单位为Pa，P_t为主蒸汽压力，单位为Pa，K_sh为过热器管道的阻力系数，单位为N·s²/(kg²·m²)，

解过热器方程，由式(2)可得

对式(10)展开可得

式(15)移项可得

h_s为过热器蒸汽平均焓值，取过热器入口焓值h_jian与主蒸汽焓值h_t的平均值，过热器体积V_s是常数，过热器蒸汽平均密度ρ_s取 工质密度ρ_jian与过热器出口密度ρ_t的平均值，即：

h_s＝(h_t+h_jian)/2 (17)

ρ_s＝(ρ_t+ρ_jian)/2 (18)

由过热器方程式(10～18)，求解出过热器方程，建立过热器模型，

燃烧系统有一定的延时和惯性，煤量指令下达后，磨煤机开始动作，经过一定的延时和惯性，才会变成煤量的实际值，电厂实际控制中，有专门控制单元协调燃煤量与给风量，将燃煤量作为变量，锅炉燃烧放出的热量用传递函数可以表示为：

式中，Q为燃烧系统放热量，单位为J，τ为燃烧系统延迟时间常数，单位为s，T_c为燃烧系统惯性时间常数，单位为s，K为常系数，μ_B为燃烧率指令，单位为p.u.，

煤燃烧所释放出的热量Q，一部分热量Q₁用于加热锅炉水冷壁内的水，使之变成蒸汽，另一部分热量Q_s用于加热过热器中的工质，使微过热蒸汽变成过热蒸汽，因此，Q＝Q₁+Q_s，若Q₁＝nQ，则Q_s＝(1-n)Q，运行中Q会发生波动，水冷壁与过热器吸热的比例保持恒定，比例系数n恒定，

直流锅炉整体输入为燃烧率指令、给水流量、减温水流量，此外，主蒸汽流量与锅炉入口焓值也会影响锅炉动态，直流锅炉整体输入出为主蒸汽压力、主蒸汽温度及微过热点焓值，

直流锅炉模型包括锅炉燃烧系统、水冷壁、过热器，燃烧系统释放总热量为Q，传递到水冷壁热量为Q_l，传递到过热器热量为Q_s,依据过热器动量式(12)，水冷壁出口处微过热点的工质流量G_jian由压力差决定，水冷壁的出口焓值即为过热器的入口焓值，主蒸汽流量G_t的信号来自于汽轮机模型，燃烧率指令μ_B、给水流量G_in、减温水流量G_j由锅炉控制器给出，输出信号反映单元机组的状态通过锅炉控制器的输入得到直流锅炉机理模型；

步骤二：建立超临界及超超临界直流锅炉控制器模型：

超临界直流锅炉控制量主要是燃烧率、给水、减温水，高压缸出口处蒸汽压力P_tj与主蒸汽压力P_t的比值准确反映锅炉的能量需求，它是燃烧控制、给水控制主要的信号，

燃烧率控制时依据锅炉能量需求信号P_tj/P_t，另外，主蒸汽压力是锅炉能量的代表，反映锅炉能量高低，因此，主蒸汽压力偏差也作为锅炉燃烧率控制所依据的信号，经过PID控制后与锅炉能量需求信号共同调节燃烧率的大小，

锅炉给水最主要的控制信号是P_tj/P_t，同时受主蒸汽温度偏差值、微过热点焓值信号偏差值影响，

依据主蒸汽温度偏差值进行减温水控制，使得主蒸汽温度保持在规定范围内，进而完成超临界及超超临界直流锅炉控制器模型的建立；

步骤三：建立汽轮机一次调频模型：

用于一次调频分析的汽轮机模型为线性模型，动态特性用传递函数来表示，在汽轮机与直流锅炉耦合的环节为主蒸汽流量调节阀门，即为主蒸汽阀门开度及主蒸汽压力，汽轮机模型包含主蒸汽流量及主蒸汽压力，

一次调频通道:

功率给定值R_t与阀门开度S_z之间的传递函数为一阶惯性，主蒸汽流量G_t与汽轮机机械功率P_M之间的传递函数为一阶惯性，P_L为电功率，机械功率、电功率之差(P_M-P_L)与转差之间的传递函数为一阶惯性，即轴的惯性，

主蒸汽流量:

依据气体流过主汽阀流体力学原理，主蒸汽流量与主蒸汽压力和主汽阀开度的乘积成正比，

G_t＝k_vP_tS_z (20)

式(20)中，G_t为主蒸汽流量，单位为kg/s，P_t为主蒸汽压力，单位为Pa，S_z为阀门开度，单位为p.u.，k_v为常系数，

在机炉耦合关系中，主蒸汽压力影响流过主汽阀的流量，进而影响汽轮机功率，同时，汽轮机主汽阀流量会影响锅炉动态，即锅炉与汽轮机的相互耦合关系，

汽轮机一次调频模型的输入为主蒸汽压力、主汽阀开度指令和电机的电功率，输出为转差及汽机调节阀流量，建立汽轮机一次调频模型，

步骤四：建立包含不同类型机组的电力系统调频模型：

若系统中的超临界及超超临界机组均采用锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型，则验证锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型的效果，即对调频的改善效果，建立包含不同类型机组的电力系统调频模型，

用于一次调频分析的模型采用刚性集结模型，电力系统一次调频时间尺度为秒级，在该时间尺度下，机组转速与电网是同步的，各个点的电力系统频率一致，电网频率决定于系统内所有机组的功率之和及电力系统总负荷，即电力系统是刚性集结的，

在系统中，不同类型的发电机组一次调频模型不同，针对一次调频的功率通道，将模型分为以下5种模型：纯转速调节汽轮机、中间再热式汽轮机、功频调节汽轮机、水轮机、锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制汽轮机，

纯转速调节汽轮机

纯转速调节方式下，汽轮机频率偏差信号通过一次调频控制通道反馈到阀门，控制通道的比例系数为1/δ，与给定值求和后作为蒸汽阀门的指令信号，进而通过执行机构控制阀门的开度，阀门控制信号经过执行机构、容积效应环节后，与扰动相叠加作为转子惯量环节的输入，转子惯量环节输出频率偏差信号，纯转速调节的功率没有闭环，功率并非可控，

功频调节汽轮机

为了使汽轮机的功率跟踪功率给定，将电功率反馈到控制回路中，在纯转速调节的基础上，测量发电机输出的电功率，进而反馈到输入给定处，与给定、一次调频量求和后作为汽轮机的阀门控制信号，阀门控制信号经过PI环节、执行结构、容积效应环节后，与扰动相叠加作为转子惯量环节的输入，转子惯量环节输出频率偏差信号，

中间再热式汽轮机

中间再热式汽轮机中的蒸汽经过高压缸做功后会返回到锅炉中再热，随后进入中压缸、低压缸做功，其中执行机构特性为较小时间常数的惯性环节，经过高压调节阀的工质经过容积后进入高压缸，蒸汽要经过再热器容积后再进入中压缸、低压缸，再热器容积效应也等效为惯性环节

水轮机

采用机械液压调节系统，采用并联型PID调速器，PID参数K_p＝5.185、K_i＝0.988、K_d＝3.333，T_a为轴惯性时间常数，T_b为负荷的惯性时间常数，工程实际中，T_b范围为T_b＝(0.24～0.30)T_a，取T_b＝0.27T_a，

步骤五：修正汽轮机功率给定信号:

在锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型中加入一个控制器，其输入为主蒸汽压力偏差信号ΔP_t和频差信号Δf，其输出与汽轮机功率给定信号相叠加，根据模型使用者设置和调节该控制器的参数，实现保证电网频率稳定的前提下，充分利用锅炉的能量的目标，既使火电机组充分参与调频，又使超临界直流锅炉主蒸汽压力趋于平稳，

频率偏差信号Δf信号反映电网能量大小，使锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型应对电网侧功率频繁变动，主蒸汽压力偏差信号ΔP_t信号反映直流锅炉能量高低，且便于测量，相当于在原来的功率给定值R_t之上增加了一个修正量，该修正量既能反映锅炉能量的高低，又能体现电网能量的高低，进而完成锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型。