CN109638861B - 一种超临界机组参与一次调频的控制方法及控制系统模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超临界机组参与一次调频的控制方法及控制系统模型，包括以下步骤：超临界机组在给定工况稳定运行时，中压调节阀全开，高压调节阀调至预设开度；机组负荷增加时，高压调节阀的开度增加，中压调节阀开度保持不变；负荷降低导致电网频率增加时，高压调节阀与中压调节阀开度同时关小，高压调节阀和中压调节阀同时参与一次调频；调节完毕后，中压调节阀调至全开状态。本发明能够实现中间再热式汽轮机组高、中压调节阀同时参与电网一次调频，可改善超临界机组一次调频的能力。

Description

一种超临界机组参与一次调频的控制方法及控制系统模型
技术领域
本发明属于超临界机组一次调频技术领域，特别涉及一种超临界机组参与一次调频的控制方法及控制系统模型。
背景技术
电力生产对于发电用汽轮机的调节系统提出了两个基本要求，就是保证机组能够满足用户对电能的要求和保证机组本身的安全。发电用汽轮机有两种基本的运行方式，一种是单机运行，用一台机组向用户供电，负荷与机组的功率一一对应，其转速调节系统采用比例-积分(PI)调节；另一种是并网运行，此时在电网中同时有两台或多台机组向用户供电，由于电网容量远大于单机容量，因此其转速调节系统一般采用比例(P)调节。单机运行时，机组负荷等于用户的耗电量，机组的转速决定了供电频率；并网运行时，多台机组同时向用户供电，各台机组的总发电量等于用户的总耗电量。目前的汽轮发电机均为同步发电机，机组与电网之间有很强的电磁联系，即发电机并入电网工作时，其转速受到电网频率的强烈牵制而与电网频率在稳态时保持一致。
对于汽轮发电机组来说，为了提高机组运行的安全性，一般均是并网运行。并网运行时，电力系统中的所有发电机组及负载都有密切的电气联系，构成了一个复杂的大系统。并网运行时的负荷分配和频率调节比较复杂，各机组转速随负荷分配变化严格遵循该机组调节系统的静态特性曲线。
一次调频是并列运行的所有同步发电机共同参与，是电力系统的整体行为。并列运行于同一电力系统中的每台同步发电机的调速系统可能具有不同的参数或传递函数，电力系统的一次调频特性与每台发电机调速系统特性均有关，是每台机组调速系统特性在某种意义下的“平均特性”或“综合特性”。实际电力系统中，凝汽式汽轮机、再热式汽轮机、水轮机等多种原动机同时存在，总有一些机组处于满载或限载状态，相当于这些机组的调速不等率等于无穷大，在电力系统频率变化时这些机组不参与一次调频。但是，从电力系统调频的角度来看，一次调频的作用是在电网负荷变化的过程中，通过机组调节系统的自动调节，快速响应负荷的变化，阻止频率的变化；然后靠电网的二次调频使得电网的频率精确回复到原来的额定频率。当二次调频作用完成之后，原来参与一次调频的机组其负荷回复到原来给定的负荷，阀门开度回复到原来的开度。
由于中间再热机组具有较高的经济性，我国生产的占总容量70％以上大功率汽轮机均为中间再热汽轮机。中间再热式汽轮机一般采用单元制运行，一台(或两台)锅炉向一台汽轮机供汽，由于汽轮机的空负荷流量远远小于锅炉的最低蒸发量，所以机炉的相互配合问题有别于母管制机组。中间再热式汽轮机需要很长的管道将高压缸的排汽返送到锅炉进行再热，然后送回汽轮机的中低压缸做功。因为管道很长，其中存在有相当数量的蒸汽，在汽轮机甩负荷以后，即使高压缸调节阀和主汽阀完全关闭，中间再热容积中所包含的蒸汽若继续膨胀做功，将会使汽轮机严重超速，甚至会远高于汽轮机零件的强度极限，这将带来严重的安全问题，因此在中间再热式汽轮机的中压缸前，均设有主汽阀和调节阀，并接受转速信号控制。
如果在负荷变动时，中压缸调节阀和高压缸调节阀均参与调节，则在运行过程中会发生经常性的节流作用，给汽轮机带来不必要的附加节流损耗，为了避免这种损耗，在汽轮机负荷高于30％时，中压缸调节阀全开，只有在负荷低于30％时，中压缸调节阀才开始参与调节。但随着并网运行机组容量的增加网架构建的复杂化，电网负荷变化对电网频率的冲击越来越大，同时电网或者大用户的事故解列也对电网的稳定性与安全性造成很大影响，严重威胁机组频率的稳定性；此外，新型间歇式电源的大量引入以及北方地区冬季供热需求与电功率的不平衡等问题，均严重影响电网的频率稳定性。因此，如何提高改善大容量并网机组的一次调频能力是亟需解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超临界机组参与一次调频的控制方法及控制系统模型，以解决上述存在的技术问题。本发明能够实现中间再热式汽轮机组高、中压调节阀同时参与电网一次调频，可改善超临界机组一次调频的能力。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种超临界机组参与一次调频的控制方法，包括以下步骤：超临界机组在给定工况稳定运行时，中压调节阀全开，高压调节阀调至预设开度；机组负荷增加时，高压调节阀的开度增加，中压调节阀开度保持不变；负荷降低导致电网频率增加时，高压调节阀与中压调节阀开度同时关小，高压调节阀和中压调节阀同时参与一次调频；调节完毕后，中压调节阀调至全开状态。
进一步地，一次调频时，机组实际转速与额定值的差值信号经过滑阀油动机和蒸汽容积的传递函数后，与功率信号进行叠加，再分别经过高压缸和中低压缸的中间容积，再与转速前馈信号进行叠加传递到各执行机构进行信号放大，此时高压调节阀与中压调节阀开度同时关小，使机组输出功降低至电网分配值。
进一步地，通过比例控制器和负荷反馈控制，实现高压调节阀和中压调节阀的分别控制。
进一步地，通过高压调节阀前馈控制克服扰动变量。
进一步地，采用中压调节阀前馈控制。
进一步地，高压调节阀与中压调节阀的控制系统均采用无前馈的比例控制同时动作。
进一步地，负荷降低导致电网频率增加时具体是指：电网频率超出50±0.05Hz范围时。
一种超临界机组参与一次调频的控制系统模型，包括：转速变送器惯性环节模块、调速死区模块、调差系数模块、功率变送器惯性环节模块、比例调节模块P1、比例调节模块P2、第一求和模块、第二求和模块、第三求和模块、第四求和模块、增益模块K1、增益模块K2、增益模块K3和增益模块K4；转速变送器惯性环节模块的输入端用于接收转速差信号；调速死区模块的输入端与转速变送器惯性环节模块的输出端相连接；调速死区模块的输出端与调差系数模块的输入端相连接，调差系数模块的输出端与第一求和模块的输入端相连接；第一求和模块的输入端还用于接收负荷基准值；第一求和模块的输出端与增益模块K2的输入端相连接；增益模块K2的输出端与第二求和模块的输入端相连接；功率变送器惯性环节模块的输入端用于接收实际功率信号，功率变送器惯性环节模块的输出端与第三求和模块的输入端相连接；第三求和模块的输出端与比例调节模块P1的输入端相连接；比例调节模块P1的输出端与增益模块K1的输入端相连接，增益模块K1的输出端与第二求和模块的输入端相连接；第二求和模块的输出端用于输出高压调节阀的调节控制信号；第一求和模块的输出端还分别与第三求和模块和增益模块K4的输入端相连接；增益模块K4的输出端与第四求和模块的输入端相连接；第三求和模块的输出端还与比例调节模块P2的输入端相连接，比例调节模块P2的输出端与增益模块K3的输入端相连接，增益模块K3的输出端与第四求和模块的输入端相连接；第四求和模块的输出端用于输出中压调节阀的调节控制信号。
进一步地，其控制方法具体包括：转速变送器惯性环节模块的输入端接收实际的转速差信号Δn，然后进入调速死区模块，该信号超出死区信号后，接入调差系数模块，并与负荷基准值Ps同时输入第一求和模块进行做差运算得到功率波动信号；实际功率Pt接入功率变送器惯性环节模块得到功率测量信号，再经比例调节模块P1和增益系数为K1的增益模块放大得到高压阀的功率调节信号；第一求和模块输出的功率波动信号经增益系数为K2的增益模块放大后，再与高压阀的功率调节信号进行前馈叠加输出到高压调节阀；第三求和模块输出的信号经比例调节模块P2和增益系数为K3的增益模块放大得到中压阀的功率调节信号，功率波动信号经增益系数为K4的增益模块放大后，再与中压阀功率调节信号进行前馈叠加输出到中压调节阀。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的控制方法，通过中、高压调节阀同时参与一次调频，能够挖掘中间再热管道容积储存能力的一次调频潜力，可使机组对于负荷指令进行快速响应，提高机组调整负荷的能力，减少电网频率的波动幅度；中、高压调节阀均采用无前馈的比例调节，使中压调节阀能够对机组参与一次调频产生作用；待电网二次调频发挥作用之后，高压调节阀和中压调节阀均回复到原来的稳定状态，此时中压调节阀全开，没有节流损失；一次调频的调节时间很短，因此，中压调节阀参与电网一次调频之后不会产生过多的节流损失。
附图说明
图1为现有的中间再热式汽轮机工作原理示意图；
图2为本发明的一种超临界机组参与一次调频的控制方法中的中间再热式汽轮机组动态模型示意图；
图3为本发明的一种超临界机组参与一次调频的控制方法中的高压调节阀和中压调节阀控制系统示意图；
图4为本发明的一种超临界机组参与一次调频的控制方法中的执行结构示意图；
图5为中压阀参与一次调频的动态仿真结果示意图；
图6为高压阀前馈控制参与一次调频的动态仿真结果示意图；
图7为中压阀前馈控制参与一次调频的动态仿真结果示意图；
图中，1、锅炉；2、高压缸；3、中压缸；4、低压缸；5、过热器；6、再热器；7、冷凝器；8、高压缸主汽阀；9、高压缸调节阀；10、中压缸主汽阀；11、中压缸调节阀；12、旁通阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，图1是现有的中间再热汽轮机组工作原理示意图，来自锅炉1的蒸汽进入过热器5达到过热状态，然后再经过高压缸主汽阀8和高压缸调节阀9进入汽轮机高压缸2中膨胀做功，高压缸2的排汽经中间再热管道回到锅炉1，在再热器6中再一次被加热，加热后的蒸汽经中压缸主汽阀10和中压缸调节阀11回到汽轮机的中压缸3、低压缸4中继续膨胀做功，最后排入冷凝器7中凝结成为冷凝水，机组正常运行时旁通阀12均处于关闭状态。中间再热式机组通过将高压缸出口蒸汽在锅炉中再一次加热后送回汽轮机的中压缸进行膨胀做功，由于管道中存在较大的容积，因此通过调节中压调节阀利用该中间容积，提高超临界机组的一次调频能力。
本发明的一种超临界机组参与一次调频的控制方法，包括以下步骤：超临界机组在给定工况稳定运行时，频率与电网同步，输出功保持不变，中压调节阀全开，高压调节阀处于预设开度；机组负荷增加时，高压调节阀参与调节，高压调节阀的开度增加；中压调节阀不参与调节，开度保持不变；负载突然减少导致电网频率超出50±0.05Hz范围时，机组实际转速与额定值的差值信号经过滑阀油动机和蒸汽容积的传递函数后，与功率信号进行叠加，再分别经过高压缸和中低压缸的中间容积，再与转速前馈信号进行叠加传递到各执行机构进行信号放大，此时高压调节阀与中压调节阀开度同时关小，使机组输出功快速降低至电网分配值，进而提高机组的一次调频能力。当调节过程完毕后，中压阀回到全开位置，避免过多节流损失。
工作原理分析
当负荷下降时，目前的调节方法是只关小高压阀，本发明采用的方法是同时关小高压阀和中压阀，使机组出力迅速下降至电网分配值，该过程中中压阀处会有损失，但是由于过程持续时间很短，且调节完毕后，中压阀回到全开位置，因此过程中引起的损失可以忽略不计。本发明中，机组稳定运行时，中压调节阀全开，没有节流损失。当机组负荷增加时，控制信号控制高压调节阀参与调节，高压调节阀的开度增加，满足电网负荷和频率调节的要求，中压调节阀不参与调节，对于电网中运行机组的安全性影响相对要小一些，当然大幅度频率降低也会影响电网运行的安全性；但是，电网负载可能会出现由于联络线跳闸等突发的故障，使得负载突然减少，电网频率显著增加，威胁机组和电网安全稳定运行。此时，控制信号不仅控制高压调节阀同时控制中压调节阀参与调节，这将显著增加机组在电网频率增加时参与一次调频的能力，提高电网频率和负荷的稳定性与安全性。当二次调频完成调整作用后，调节阀回复到原来的稳态位置，中压调节阀全开，没有节流损失。这样的中压阀调节策略可以在满足中压调节阀参与电网一次调频的同时消除过多的节流损失。
具体实施例，额定工况工作时的控制过程：
机组以额定工况工作时，高压调节阀和中压调节阀均处于全开状态，当负荷指令变化时，机组输出功与负荷不平衡，此时机组在控制系统作用下，高压调节阀开度迅速减小，高压缸的流量也相应减小，此时如果中压调节阀不动作，由于高压缸到中、低压缸要经过很长的再热管道，这样高压调节阀的动作效果需要很长的时间延迟才能影响到中、低压缸，这将大大降低机组参与电网一次调频能力。因此，本专利选择在高压调节阀关小的同时，中压调节阀也关小，即控制信号不仅控制高压调节阀同时控制中压调节阀参与调节，负荷变化信号经控制系统后同时输出到高压调节阀和中压调节阀的执行机构，然后经各自的执行机构将控制信号进行放大，再转化为调节阀的机械动作进行调节，这将显著增加机组在电网频率增加时参与一次调频的能力，提高电网频率和负荷的稳定性与安全性。当二次调频完成调整作用后，调节阀回复到原来的稳态位置，中压调节阀全开，没有节流损失。这样的中压阀调节策略可以在满足中压调节阀参与电网一次调频的同时消除过多的节流损失。
请参阅图2，根据超临界机组的结构特点，将其分为锅炉、高压缸、中间再热容积、中压缸、低压联通管道和低压缸部分，分别建立各部件和控制系统以及执行机构的动态模型并进行连接。其中，TCH、TRH和TCO分别代表高压调门后和调节级汽室蒸汽容积时间常数、中间再热蒸汽容积时间常数和低压连通管容积时间常数，FHP、FIP和FLP则分别代表高、中、低压缸的功率比系数。
请参阅图3，为探究中压调节阀的调节特性，分别建立高压调节阀和中压调节阀的控制系统模型。该控制系统通过比例控制器和负荷反馈控制，实现高压调节阀和中压调节阀的分别控制，也可以通过两个调节阀同时进行调节以实现控制机组的目的。通过前馈控制克服扰动变量的影响，提高控制系统一次调频的性能。其中，Tn和Tp分别为转速变送器和功率变送器时间常数，δ为调速不等率，其数值大小决定了机组的静态特性，确定了转速偏差所对应的机组相对负荷变化大小。
请参阅图4，图4为执行系统的示意图，通过将控制系统输出信号进行放大，高压调节阀和中压调节阀在油动机的驱动下参与机组的一次调频作用。执行机构通过反馈控制作用来实现阀门的无差调节，且在阀门开启和关闭过程中执行机构具有不同的时间常数。
请参阅图3，本发明的一种超临界机组参与一次调频的控制系统模型，包括：转速变送器惯性环节模块，调速死区模块，调差系数模块，功率变送器惯性环节模块，比例调节模块，求和模块，增益模块。转速差信号与转速变送器惯性环节模块输入端连接，调速死区模块输入端与转速变送器惯性环节模块输出端连接，实际功率信号与功率变送器惯性环节模块输入端相连，比例调节模块输出端与增益模块的输入端相连；其中，转速变送器惯性环节模块的输入端为实际的转速差信号Δn，然后进入调速死区模块，该信号超出死区信号后，接入调差系数模块，并与负荷基准值Ps同时输入求和模块进行做差运算得到功率波动信号，实际功率Pt接入功率变送器惯性环节模块得到功率测量信号，再经比例调节模块P1和增益系数为K1的增益模块放大得到高压阀的功率调节信号，功率波动信号经增益系数为K2的增益模块放大后，再与高压阀的功率调节信号进行前馈叠加输出到高压调节阀；另一回路中，经比例调节模块P2和增益系数为K3的增益模块放大得到中压阀的功率调节信号，功率波动信号经增益系数为K4的增益模块放大后，在于与中压阀功率调节信号进行前馈叠加输出到中压调节阀。
请参阅图5至图7，上述模型中所用参数均可通过机组本身额定参数以及参数识别方法得到，本发明以某典型中间再热式超临界汽轮机为研究对象，采用上述模型进行了负荷阶跃变化模拟，并与实验数据进行对比，验证了上述模型进行一次调频特性研究的准确性。然后进行了不同控制策略和不同控制参数下的动态仿真实验，探究了超临界机组在中、高压调节阀同时参与一次调频时机组的动态特性，模拟的动态结果表明：
(1)在扰动作用下，投入中压调节阀比例控制，可以减小控制过程的过调量和调整时间，使系统更快速的达到稳定状态。在调节过程中，中压调节阀动作，利用再热容积发挥调节作用。因此，中压调节阀比例控制可以改善超临界机组一次调频的动态特性。
(2)高压调节阀前馈控制对扰动直接作出响应，不需要利用再热容积发挥调频作用，使中压调节阀比例控制作用减弱。因此，高压调节阀前馈控制可以改善超临界机组一次调频的动态特性，但其投入使得中调节压阀比例控制几乎不会发生作用。
(3)中压调节阀前馈控制增加了动态响应的上升时间，使控制系统的快速性下降。此外，采用中压调节阀前馈控制时，高压调节阀前馈控制对机组动态响应几乎没有影响。因此，中压调节阀前馈控制不能改善超临界机组的一次调频动态特性。
因此，在机组负荷变动时，高压调节阀与中压调节阀的控制系统均采用无前馈的比例控制同时动作，使机组对于负荷指令进行快速响应，提高机组调整负荷的能力，减少电网频率的波动幅度，待电网二次调频发挥作用之后，高压调节阀和中压调节阀均回复到原来的稳定状态，此时中压调节阀全开，没有节流损失，而一次调频的调节时间很短，因此，中压调节阀参与电网一次调频之后不会产生过多的节流损失。
综上，本发明提出了一种用于超临界中间再热式汽轮机组参与一次调频的新的控制方法，通过调节中压调节阀参与一次调频，利用中间再热管道容积的储存能力参与电网的一次调频。在机组负荷变动时，高压调节阀与中压调节阀的控制系统均采用无前馈的比例控制作用，高压调节阀与中压调节阀同时动作，使机组对于负荷指令进行快速响应，提高机组调整负荷的能力，减少电网频率的波动幅度，待电网二次调频发挥作用之后，高压调节阀和中压调节阀均回复到原来的稳定状态，此时中压调节阀全开，没有节流损失，而一次调频的调节时间在30秒之内基本完成，因此，中压调节阀参与电网一次调频之后不会产生过多的节流损失。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种超临界机组参与一次调频的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：超临界机组在给定工况稳定运行时，中压调节阀全开，高压调节阀调至预设开度；机组负荷增加时，高压调节阀的开度增加，中压调节阀开度保持不变；负荷降低导致电网频率增加时，高压调节阀与中压调节阀开度同时关小，高压调节阀和中压调节阀同时参与一次调频；调节完毕后，中压调节阀调至全开状态；
一次调频时，机组实际转速与额定值的差值信号经过滑阀油动机和蒸汽容积的传递函数后，与功率信号进行叠加，再分别经过高压缸和中低压缸的中间容积，再与转速前馈信号进行叠加传递到各执行机构进行信号放大，此时高压调节阀与中压调节阀开度同时关小，使机组输出功降低至电网分配值。
2.根据权利要求1所述的一种超临界机组参与一次调频的控制方法，其特征在于，通过比例控制器和负荷反馈控制，实现高压调节阀和中压调节阀的分别控制。
3.根据权利要求1所述的一种超临界机组参与一次调频的控制方法，其特征在于，通过高压调节阀前馈控制克服扰动变量。
4.根据权利要求1所述的一种超临界机组参与一次调频的控制方法，其特征在于，采用中压调节阀前馈控制。
5.根据权利要求1所述的一种超临界机组参与一次调频的控制方法，其特征在于，高压调节阀与中压调节阀的控制系统均采用无前馈的比例控制同时动作。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种超临界机组参与一次调频的控制方法，其特征在于，负荷降低导致电网频率增加时具体是指：电网频率超出50±0.05Hz范围时。
7.一种超临界机组参与一次调频的控制系统模型，其特征在于，包括：转速变送器惯性环节模块、调速死区模块、调差系数模块、功率变送器惯性环节模块、比例调节模块P1、比例调节模块P2、第一求和模块、第二求和模块、第三求和模块、第四求和模块、增益模块K1、增益模块K2、增益模块K3和增益模块K4；
转速变送器惯性环节模块的输入端用于接收转速差信号；调速死区模块的输入端与转速变送器惯性环节模块的输出端相连接；调速死区模块的输出端与调差系数模块的输入端相连接，调差系数模块的输出端与第一求和模块的输入端相连接；第一求和模块的输入端还用于接收负荷基准值；第一求和模块的输出端与增益模块K2的输入端相连接；增益模块K2的输出端与第二求和模块的输入端相连接；
功率变送器惯性环节模块的输入端用于接收实际功率信号，功率变送器惯性环节模块的输出端与第三求和模块的输入端相连接；第三求和模块的输出端与比例调节模块P1的输入端相连接；比例调节模块P1的输出端与增益模块K1的输入端相连接，增益模块K1的输出端与第二求和模块的输入端相连接；第二求和模块的输出端用于输出高压调节阀的调节控制信号；
第一求和模块的输出端还分别与第三求和模块和增益模块K4的输入端相连接；增益模块K4的输出端与第四求和模块的输入端相连接；第三求和模块的输出端还与比例调节模块P2的输入端相连接，比例调节模块P2的输出端与增益模块K3的输入端相连接，增益模块K3的输出端与第四求和模块的输入端相连接；第四求和模块的输出端用于输出中压调节阀的调节控制信号。
8.根据权利要求7所述的一种超临界机组参与一次调频的控制系统模型，其特征在于，其控制模型具体包括：
转速变送器惯性环节模块的输入端接收实际的转速差信号Δn，然后进入调速死区模块，该信号超出死区信号后，接入调差系数模块，并与负荷基准值Ps同时输入第一求和模块进行做差运算得到功率波动信号；
实际功率Pt接入功率变送器惯性环节模块得到功率测量信号，再经比例调节模块P1和增益系数为K1的增益模块放大得到高压阀的功率调节信号；
第一求和模块输出的功率波动信号经增益系数为K2的增益模块放大后，再与高压阀的功率调节信号进行前馈叠加输出到高压调节阀；
第三求和模块输出的信号经比例调节模块P2和增益系数为K3的增益模块放大得到中压阀的功率调节信号，功率波动信号经增益系数为K4的增益模块放大后，再与中压阀功率调节信号进行前馈叠加输出到中压调节阀。
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