CN107330168B - 一种基于机网耦合的汽轮机调门快关仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机网耦合的汽轮机调门快关仿真建模方法。目前尚未有研究建立完整的汽轮机‐电网侧系统耦合模型，来模拟电力系统发生瞬时故障时汽轮发电机组调门进汽控制系统的工作特性。本发明的技术方案主要包括：以汽轮机功率信号和同步电机转速信号作为反馈信号，将汽轮机功率信号输送至电网侧同步电机处，同步电机输出的转速信号用于转速反馈，汽轮机DEH控制系统模型和电网侧单机无穷大电网系统模型强耦合，建立针对于电力系统发生瞬时故障时的机网耦合调门快关仿真模型；根据汽轮机调门快关逻辑搭建控制逻辑。本发明更贴近于实际电网瞬时故障下的调门快关动作，提高了仿真的准确性，验证了调门快关技术对于保护机组稳定运行的作用。

Description

一种基于机网耦合的汽轮机调门快关仿真建模方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真建模技术领域，特别是一种在电网瞬时故障情况下基于机网耦合的超(超)临界机组汽轮机调门快关仿真建模方法。

背景技术

随着特高压电网的互联和逐步扩大，电力系统稳定运行尤其重要。为了保证电力系统的稳定，既要求在电网发生故障时汽轮发电机能够迅速自动地减低出力，又要求电网故障消失时能够迅速恢复机组出力。因此，当电力系统发生瞬时故障时，调门快关动作可快速降低并随之恢复汽轮发电机组功率，减少汽轮机功率和发电机电功率的不平衡，阻止汽轮发电机组转速飞升，改善电力系统的暂态稳定。

汽轮机调门快关动作是指在短时间关闭进汽阀门，暂时缩小发电机电功率与汽轮机功率的差距，避免因转子角度有较大变动而导致输出功率发生振荡，同时也避免了电网振荡或远端受电电网失步引起的电网崩溃。经过短暂关闭，当汽轮机功率与发电机电功率相等后，进汽阀门又重新开启，汽轮发电机逐渐恢复至原来的功率。汽轮发电机组快关能有效地降低汽轮机功率，抑制汽轮发电机转速飞升，从而防止汽轮机超速，保护电网稳定运行。

为了电网瞬时故障下汽轮发电机组调门快关系统可以迅速调节并进行自我保护，在研究调门快关的过程中要对汽轮机及电网侧建立精确的仿真模型，从而分析不同电网瞬时故障下汽轮机快关系统的功能和汽轮机运行的稳定性。

目前针对汽轮机调门快关的仿真建模手段有以下几种：(1)建立汽轮机带载系统模型，通过直接调节快关阀改变油压来进行快关动作的模拟和测试；(2)建立汽轮机侧仿真模型，并采用单机无穷大母线的经典模型来模拟电气侧故障。但通常模型都将参数进行简化，假设发电机交轴暂态电动势和功角恒定，来近似考虑励磁系统的影响，这样的简化处理对仿真结果的准确性有很大影响，无法很好地模拟电网侧实际运行情况。

目前尚未有研究建立完整的汽轮机-电网侧系统耦合模型，来模拟电力系统发生瞬时故障时汽轮发电机组调门进汽控制系统的工作特性，所以建立准确的汽轮机-电网侧系统耦合模型对汽轮机组调门快关的研究至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种完整切合实际运行的基于汽轮机-电网侧耦合的汽轮机调门快关仿真建模方法，其通过功率信号和转速信号将汽轮机DEH控制系统模型和电网侧单机无穷大系统模型进行耦合，通过此方法来模拟电力系统发生瞬时故障时汽轮机调门快关的作用效果，以极大地提高仿真的准确性和精度。

为此，本发明采用如下技术方案：一种基于机网耦合的汽轮机调门快关仿真建模方法，包括以下步骤：

1)确定汽轮机DEH控制系统各环节的传递函数及模型参数；

2)建立含调门快关的汽轮机DEH控制系统模型，该模型包含转速反馈和功率反馈的串级双闭环回路控制系统，将转速反馈作为外回路主调节，功率反馈作为内回路副调节；

3)建立电网侧单机无穷大电网系统模型；

4)以汽轮机功率信号和同步电机转速信号作为反馈信号，将汽轮机功率信号输送至电网侧同步电机处，同步电机输出的转速信号用于转速反馈，汽轮机DEH控制系统模型和电网侧单机无穷大电网系统模型强耦合，建立针对于电力系统发生瞬时故障时的机网耦合调门快关仿真模型(因转子部分包含在同步电机模型中，故汽轮机侧不含转子的传递函数)；

5)根据汽轮机调门快关逻辑搭建控制逻辑；

6)对汽轮机数字电液控制系统的机网耦合调门快关仿真模型进行仿真验证。

进一步地，步骤1)的具体内容如下：

根据汽轮发电机组数字电液控制系统的组成和调节过程划分环节，分为转速和功率测量环节，频差放大环节，PID控制环节，电液转换器和油动机环节及高中低压缸和再热环节，推导各个环节的运动方程，确定每一环节的传递函数和模型参数。

进一步地，步骤2)的具体内容如下：

步骤2)中，测量的转速信号通过频差放大环节进入PID控制环节，功率和转速控制回路均采用PID调节。

进一步地，步骤3)中，所述电网系统的整体结构是：汽轮机输出功率进入同步电机，经由变压器和双回线输电电路给无穷大系统送电，无穷大系统主要的仿真元件包括同步电机、PSS稳定器、励磁调节器、励磁机、变压器、电源、传输线路、故障元件和故障定时控制逻辑元件。

进一步地，步骤5)中，所述的控制逻辑如下：当电力系统发生瞬时故障时，汽轮机组通过调门快关控制逻辑快速关闭调门，减少蒸汽进入量，降低汽轮机输出功率，与故障时发电机电功率相平衡；等电力系统故障切除恢复后，重新打开调门，恢复至平衡状态。整个过程均维持汽轮机转速在合理范围内，不需要进行机组解列处理，有利于电力系统的稳定运行。

进一步地，步骤5)中，仿真验证的过程如下：

设置调门初始开度及阶跃幅度来仿真调门阶跃情况，得到调门开度与时间的关系图，与实际曲线进行对比，验证汽轮机DEH控制系统模型的正确性；然后通过加载电力系统瞬时故障，对此机网耦合调门快关仿真模型进行调门快关作用效果的仿真。

更进一步地，我国电力系统必须能承受的扰动方式为三相短路故障，通过加载三相短路故障进行机网耦合调门快关仿真模型的仿真验证。

本发明首先建立了准确的超(超)临界机组汽轮机DEH控制系统模型和电网侧单机无穷大系统模型，然后通过转速和功率信号，将汽轮机DEH控制系统模型和电网侧单机无穷大系统模型进行耦合，建立机网耦合调门快关仿真模型，用于仿真电力系统发生瞬时故障时汽轮机调门快关功能。当加载电力系统瞬时故障时，故障瞬间发电机与母线之间阻抗产生变化，引起发电机电功率变动，此时通过汽轮机调门进行快关动作，使汽轮发电机组达到新的平衡，实现电力系统稳定。

本发明是基于机网耦合模型，对汽轮机DEH控制系统模型和电网侧单机无穷大系统模型进行完整建模，相对于此前将电网侧单机无穷大系统模型参数固定化，即假定交轴暂态电动势和功角恒定而言，更贴近于实际电网瞬时故障下的调门快关动作，从而提高了仿真的准确性，验证了调门快关技术对于保护机组稳定运行的作用。

附图说明

图1是超(超)临界机组汽轮机DEH控制原理图。

图2是超(超)临界机组汽轮机DEH控制系统各环节传递函数框图。

图3是电网侧单机无穷大系统模型图。

图4是PSS电力系统稳定器、励磁调节器和励磁机部分示意图。

图5是本发明汽轮机-电网侧耦合模型连接部分示意图。

图6是汽轮机调门快关控制系统中的汽门特性图。

图7是超(超)临界机组汽轮机DEH系统模型仿真实际曲线对比图。

图8是本发明基于汽轮机-电网侧耦合模型的超(超)临界机组调门快关系统仿真图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是超(超)临界机组汽轮机DEH控制系统原理图。将测速器测量出的实际转速进行反馈，与给定转速形成差值信号，再经过频差放大器，转为功率偏差与给定功率进行加法运算来功率修正，随后与实际功率进行差值运算。通过PID运算环节形成阀位开度电压信号，进而通过电液转换器油动机等器件输出为阀位开度信号，经过高压缸汽室容积环节输出为高压缸压力信号，经高压缸、中压缸、低压缸三个功率环节输出为汽轮机的机械功率信号。

图2是超(超)临界机组汽轮机DEH控制系统各环节传递函数框图。DEH系统典型环节的主要数学模型包括：

1)转速和功率测量环节

转速测量环节包括转速探头的压模转换环节、转速采集卡的内部处理环节两部分，这两部分可以近似为一个一阶惯性环节

功率测量环节与转速基本一致，积分时间常数T_I较小，S是数学模型经拉普拉斯变换之后的形式。

2)频差放大环节

传递函数为

可按照公式ΔP/ΔS计算，其中，ΔP是功率变化标么值，ΔS是转速变化标么值，δ是转速不等率。

3)PID控制环节

通过比例、积分、微分作用合理控制机组的转速和负荷量，传递函数为：

式中：K_p为比例放大倍数；T_I为积分时间常数；T_D为微分时间常数。

4)电液转换器和油动机环节

电液转化器将微弱的液压信号转换为较大的电信号，传递函数为

时间常数较小；忽略高阶微量以后，油动机环节的传递函数为一阶惯性环节

T_C为油动机的时间常数。

5)高、中、低压缸和再热环节

这三个环节都可以看作一阶惯性环节，传递函数为

T_V为各环节蒸汽容积时间常数，其中再热环节蒸汽容积较大，时间常数也较大。

高压缸调门打开时有一定的迟缓，为了要加快蒸汽的进入，因此引入高压缸过调系数，加快蒸汽的输入，迅速提高高压缸功率。

6)高、中、低压缸分配系数

一般机组高压缸通流部分由一个调节级和x₁个压力级组成，高、中、低压缸各通流级级数总和为X。高压缸功率分配系数F_HP根据以下公式计算：

式中，N₀：调节级级内功率；N_i：高压缸各通流级级内功率，i＝1,2,...x₁；N_j：高、中、低压缸各通流级级内功率，j＝1,2,...X。

一般机组中压缸通流部分由x₂个压力级组成。中压缸功率分配系数F_IP根据以下公式计算：

式中，N_i：中压缸各通流级级内功率，i＝1,2,...x₂；N_j，高、中、低压缸各通流级级内功率，j＝1,2,...X。

一般机组低压缸通流部分由x₃个压力级组成，低压缸功率分配系数F_LP根据以下公式计算：

式中，N_i：中压缸各通流级级内功率，i＝1,2,...x₃；N_j，高、中、低压缸各通流级级内功率，j＝1,2,...X。

图3是电网侧单机无穷大系统模型图。电压出口连接到变压器部分(变压器接地)，变压后通过双回路电线接到无穷大系统，两侧都接入电流电压表，方便对无功功率和电流进行测量和调节。

图4是PSS电力系统稳定器、励磁调节器和励磁机部分示意图。同步电机上侧的Ef接口连接励磁控制器的励磁电压输入，If接口输出至励磁控制器的励磁电流，这两个接口连接的电气侧控制模型的一个封装模块，表示电网侧发电机部分的PSS电力系统稳定器、励磁调节器和励磁机部分。发电机励磁模型采用BPA中FV型自并励励磁系统模型，带有强励电流瞬间限制。PSS采用的是BPA程序中的SI型PSS模型。取发电机机端功率PT和转速W至PSS环节，当信号发生变化时，通过各一阶惯性环节形成的超前、滞后网络，补偿励磁控制系统的惯性时滞，使稳定器获得合适的相位整形回路用以消除信号中稳定的转速误差以及前述各回路中偏差的影响，最后稳定信号经限制器送到交流调节器中的电压偏差检测器中。励磁调节系统中的VT和Vr分别表示发电机机端电压和电压参考，经过放大环节和励磁机输出励磁电压Ef。同步电机的励磁系统通过维持发电机的电压在一个稳定水平，使电力系统稳定运行，是提高电力系统稳定的最可靠的手段，可以进行电压控制和无功功率分配，提高并网运行同步电机的稳定性，改善电力系统的运行条件。

图5是汽轮机-电网侧耦合模型连接部分示意图。汽轮机侧输出通过Tm接口输入汽轮机功率Pm至同步电机，电机的W部分输出为发电机转速w，同时反馈到汽轮机侧，由此将两个模型通过反馈信号连接起来，建立完整的汽轮机-电网侧系统耦合模型，即机网耦合调门快关仿真模型。

图6是汽轮机调门快关汽门特性图。调门快关过程参数包括调门关闭时间(t_c)、调门保持时间(t_l)、调门再次打开的时间(t₀)和调门的开度(u₀)。

图7是超(超)临界机组汽轮机DEH系统模型仿真实际曲线对比图，设置阀门初始开度为52.5％，产生5％的阶跃减小，得到阀门开度-时间的仿真实际对比曲线图，从图中可知仿真结果与实际曲线较为吻合，证明DEH系统建模正确。

图8是本发明基于机网耦合模型的超(超)临界机组调门快关系统仿真图。当施加电网故障后，图8-1、8-2可以看出发电机转子角度出现了震荡，汽轮机转子转速飞升，说明发电机由于电网故障出现暂态失稳，需要进行紧急机组解列处理。图8-3、8-4反映了设置调门快关功能后各参数随时间变化情况，发电机转子角度-时间曲线呈震荡收敛趋势，说明基于机网耦合模型的调门快关系统具有良好的控制和调节能力，通过调门快关动作保证汽轮机组的稳定运行，避免了机组解列带来的安全风险和经济损失。

Claims (5)

1.一种基于机网耦合的汽轮机调门快关仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定汽轮机DEH控制系统各环节的传递函数及模型参数；

2)建立含调门快关的汽轮机DEH控制系统模型，该模型包含转速反馈和功率反馈的串级双闭环回路控制系统，将转速反馈作为外回路主调节，功率反馈作为内回路副调节；

3)建立电网侧单机无穷大电网系统模型；

4)以汽轮机功率信号和同步电机转速信号作为反馈信号，将汽轮机功率信号输送至电网侧同步电机处，同步电机输出的转速信号用于转速反馈，汽轮机DEH控制系统模型和电网侧单机无穷大电网系统模型强耦合，建立针对于电力系统发生瞬时故障时的机网耦合调门快关仿真模型；

5)根据汽轮机调门快关逻辑搭建控制逻辑；

6)对汽轮机数字电液控制系统的机网耦合调门快关仿真模型进行仿真验证；

步骤1)的具体内容如下：

根据汽轮机DEH控制系统的组成和调节过程划分环节，分为转速和功率测量环节，频差放大环节，PID控制环节，电液转换器和油动机环节及高中低压缸和再热环节，推导各个环节的运动方程，确定每一环节的传递函数和模型参数；

步骤5)中，仿真验证的过程如下：

设置调门初始开度及阶跃幅度来仿真调门阶跃情况，得到调门开度与时间的关系图，与实际曲线进行对比，验证汽轮机DEH控制系统模型的正确性；然后通过加载电力系统瞬时故障，对此机网耦合调门快关仿真模型进行调门快关作用效果的仿真。

2.根据权利要求1所述的汽轮机调门快关仿真建模方法，其特征在于，步骤2)的具体内容如下：

步骤2)中，测量的转速信号通过频差放大环节进入PID控制环节，功率和转速控制回路均采用PID调节。

3.根据权利要求1所述的汽轮机调门快关仿真建模方法，其特征在于，

步骤3)中，所述电网系统的整体结构是：汽轮机输出功率进入同步电机，经由变压器和双回线输电电路给无穷大系统送电，无穷大系统主要的仿真元件包括同步电机、PSS稳定器、励磁调节器、励磁机、变压器、电源、传输线路、故障元件和故障定时控制逻辑元件。

4.根据权利要求1所述的汽轮机调门快关仿真建模方法，其特征在于，

步骤5)中，所述的控制逻辑如下：当电力系统发生瞬时故障时，汽轮机组通过调门快关控制逻辑快速关闭调门，减少蒸汽进入量，降低汽轮机输出功率，与故障时发电机电功率相平衡；等电力系统故障切除恢复后，重新打开调门，恢复至平衡状态。

5.根据权利要求1所述的汽轮机调门快关仿真建模方法，其特征在于，通过加载三相短路故障进行机网耦合调门快关仿真模型的仿真验证。

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