協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)非線性特性的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模及校核

張漢平，盛鍇，姜杰夫

(1.大唐華銀株洲發(fā)電有限公司，湖南株洲 412005;

2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙 410007）

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)非線性特性的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模及校核

張漢平1，盛鍇2，姜杰夫1

(1.大唐華銀株洲發(fā)電有限公司，湖南株洲 412005;

2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙 410007）

根據(jù)某電廠600 MW機(jī)組的實(shí)際情況，建立了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)非線性特性的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型。仿真結(jié)果表明，該模型能夠與實(shí)際機(jī)組的功率響應(yīng)特性較好地吻合。由于在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)策略的設(shè)計(jì)中，引入非線性環(huán)節(jié)是較為普遍的現(xiàn)象。本模型為非線性的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模提供了范例。

汽輪機(jī);調(diào)節(jié)系統(tǒng);電力系統(tǒng);協(xié)調(diào)控制;非線性

汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)測試的目的，是通過現(xiàn)場試驗(yàn)的方法建立和規(guī)范電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算用的汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型〔1-7〕。通過汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)測試所獲得的模型參數(shù)需要通過仿真校核的方式驗(yàn)證其正確性。Q/GDW 748—2012《同步發(fā)電機(jī)原動機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測與建模導(dǎo)則》規(guī)定了校核過程中仿真與實(shí)測的偏差允許值，只有當(dāng)仿真與實(shí)測的偏差小于其允許值時(shí)，對應(yīng)參數(shù)才是正確可用的。

目前對汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)測試結(jié)果的校核需要通過專用的電力系統(tǒng)計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)。以湖南省為例，所使用的電力系統(tǒng)計(jì)算程序主要以中國電力科學(xué)研究院的電力系統(tǒng)綜合分析程序 (Power System Analysis Software Package，以下簡稱PSASP)為主。盡管PSASP提供了多種內(nèi)置的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型〔8〕，然而在應(yīng)用中，由于實(shí)際的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可能具有非線性的特點(diǎn)，因此存在內(nèi)置模型無法與實(shí)際匹配，從而導(dǎo)致校核錯誤的情況。文中根據(jù)某電廠600 MW汽輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)測試的結(jié)果，詳細(xì)分析該機(jī)組具有非線性特征的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) (以下簡稱CCS)策略，利用PSASP中的用戶自定義建模 (以下簡稱UD)功能，建立了該機(jī)組考慮CCS非線性特性的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。校核結(jié)果表明:所建立的模型能夠較好地與實(shí)際吻合，而控制系統(tǒng)的非線性特性對機(jī)組響應(yīng)特性有較大影響。

1 PSASP內(nèi)置CCS模型簡介

PSASP內(nèi)置了多種調(diào)速器模型。以 PSASP 6.282為例，共包括了5種模型。其中1型調(diào)速器是水火電機(jī)組通用模型，2—5型調(diào)速器可專用于各種汽輪發(fā)電機(jī)組。不考慮主汽壓力的變化，2—5型調(diào)速器可由3個(gè)子模型組成:電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電液伺服機(jī)構(gòu)、汽輪機(jī)模型。2—5型調(diào)速器的主要區(qū)別在于電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，而電液伺服機(jī)構(gòu)、汽輪機(jī)模型結(jié)構(gòu)是相同的。

盡管PSASP中2—5型調(diào)速器的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)有所不同，但其中用于建立CCS協(xié)調(diào)控制的部分仍然可以由圖1概括。

圖1 CCS模型

圖1中Kf是控制器的前饋增益，KP是PID控制器的比例系數(shù)，KI是PID控制器的積分系數(shù);KD是PID控制器的微分系數(shù)。該協(xié)調(diào)控制模型具有典型的前饋—反饋控制的特點(diǎn)，因此也是一種典型的線性控制器。

2 CCS非線性特性的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模

根據(jù)某廠600 MW機(jī)組汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)測試的結(jié)果，分析該機(jī)組的協(xié)調(diào)控制策略，并基于此建立CCS協(xié)調(diào)控制模型。不考慮主汽壓力對CCS影響時(shí)，CCS模型如圖2所示。

比較圖1與圖2發(fā)現(xiàn)，圖2模型中的非線性特點(diǎn)主要包括:

1)PID控制器并非直接將功率設(shè)定值和一次調(diào)頻功率改變量之和作為其輸入，而是先經(jīng)過了2個(gè)慣性環(huán)節(jié)運(yùn)算后才為PID控制器接受。

2)CCS中的前饋?zhàn)饔貌⑽磁c功率設(shè)定值與一次調(diào)頻功率改變量之和呈線性對應(yīng)關(guān)系，而是將其經(jīng)插值函數(shù)折算后的值直接疊加在PID控制器的出口處，即CCS中的前饋?zhàn)饔镁哂蟹蔷€性的特點(diǎn)。

3)CCS至DEH的流量指令及DEH中的一次調(diào)頻作用均受到了限速塊的速率限制。

圖2 考慮非線性的CCS協(xié)調(diào)控制模型

由此可知，該非線性CCS模型與PSASP中的內(nèi)置模型具有較大的差別，且由于其非線性的特點(diǎn)，無法通過簡單的參數(shù)調(diào)整和折算的方法以內(nèi)置模型來代替，因此利用PSASP中的用戶自定義建模功能建立該非線性CCS模型。

由于PSASP的用戶自定義建模 (以下簡稱UD)并未內(nèi)置速率限制功能，利用其基本功能框建立速率限制功能環(huán)節(jié)，見圖3。

圖3 速率限制功能框圖

將圖3中的速率限制模型的輸入命名為in，輸出命名為out，輸出的變化速率為Vout，限幅模塊的上限為 RLp，下限為 RLn，則有:當(dāng) in-out＞RLp時(shí)，輸出out的改變速率Vout=RLp%/s;當(dāng)in-out＞0且in-out≤RLp時(shí)，輸出 out的改變速率 Vout=(in-out)%/s;當(dāng) in-out＜RLn時(shí)，輸出 out的改變速率Vout=RLn%/s;當(dāng)in-out＜0且in-out≥RLn時(shí)，輸出out的改變速率Vout=(in-out)%/s。

圖2中的慣性環(huán)節(jié)可以由PSASP的UD功能中的基本功能框?qū)崿F(xiàn)，而盡管UD也提供具有插值函數(shù)功能的基本功能框，但由于該功能框較為簡單僅能實(shí)現(xiàn)2段線性插值，因此不能滿足需要。圖2中的插值函數(shù)具體可由圖4表示。

由于圖4中的函數(shù)不好通過UD的方式實(shí)現(xiàn)，因此需要采取其他方法實(shí)現(xiàn)對該插值函數(shù)的建模。盡管該插值函數(shù)具有整體非線性的特點(diǎn)，但是局部區(qū)域內(nèi)，該函數(shù)仍然具有線性特征，對其進(jìn)行局部線性化后得到圖5。

圖4 插值函數(shù)曲線

圖5 局部線性化后的插值函數(shù)

圖5中的功率代表功率設(shè)定值與一次調(diào)頻功率改變量之和的標(biāo)幺值，線性增益系數(shù)表示插值函數(shù)輸入增量與輸出增量之間的局部線性對應(yīng)關(guān)系。

3 仿真校核

對所建立的考慮CCS控制系統(tǒng)非線性特性的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，校核數(shù)據(jù)采用CCS協(xié)調(diào)控制方式下的一次調(diào)頻試驗(yàn)數(shù)據(jù)，模型參數(shù)根據(jù)實(shí)際DCS/DEH中的參數(shù)設(shè)置獲得，如表1。

表1 仿真參數(shù)

仿真功率曲線與實(shí)測曲線如圖6，7所示，仿真與實(shí)測功率曲線能夠較好地吻合，這說明所建立的模型是能夠真實(shí)反映實(shí)際機(jī)組的特性的。

圖6 實(shí)測和仿真功率響應(yīng)曲線 (增負(fù)荷)

圖7 實(shí)測和仿真功率響應(yīng)曲線 (減負(fù)荷)

4 結(jié)束語

通過建立考慮CCS控制系統(tǒng)非線性特性的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)際機(jī)組的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的精確仿真。仿真結(jié)果表明，實(shí)際機(jī)組的CCS協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計(jì)對機(jī)組的功率響應(yīng)特性具有較大影響，而在CCS協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計(jì)中引入非線性環(huán)節(jié)是較為普遍的現(xiàn)象，此時(shí)需要在建模過程中充分考慮非線性環(huán)節(jié)的影響。

〔1〕盛鍇，劉復(fù)平，劉武林，等.汽輪機(jī)閥門流量特性對電力系統(tǒng)的影響及其控制策略〔J〕.電力系統(tǒng)自動化，2012，36(7):104-109.

〔2〕盛鍇.高壓汽室蒸汽容積環(huán)節(jié)模型參數(shù)對再熱凝汽式汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真校驗(yàn)的影響〔J〕.華東電力，2012，40(11):2049-2053.

〔3〕湯涌，王英濤，田芳，等.大電網(wǎng)安全分析、預(yù)警及控制系統(tǒng)的研發(fā)〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(7):1-11.

〔4〕李丹，蘇為民，張晶，等.“9.1”內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)振蕩的仿真研究〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(6):41-47.

〔5〕朱方，湯涌，張東霞，等.發(fā)電機(jī)勵磁和調(diào)速器模型參數(shù)對東北電網(wǎng)大擾動試驗(yàn)仿真計(jì)算的影響〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2007，32(4):69-74.

〔6〕伍利，南海鵬，姚李孝.考慮功頻靜特性及發(fā)電機(jī)出力分配的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析〔J〕.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(14):26-30.

〔7〕王佳明，劉文穎，牛拴保.新疆-西北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)前后阻尼特性研究〔J〕.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(16):92-98.

〔8〕中國電力科學(xué)研究院.電力系統(tǒng)綜合分析程序 (PSASP)用戶手冊〔S〕.2001.

Modeling and verification of steam turbine and its governor considering nonlinear characteristics of coordinated control system

ZHANG Han-pin1，SHENG Kai2，JIANG Jie-fu1
(1.Datang Huayin Zhuzhou Power Company Limited，Zhuzhou 412005，China;
2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Model of steam turbine and its governor considering nonlinear characteristics of coordinated control system were established considering an actual situation of a certain 600 MW unit.Simulation result indicated that the model could agree well with power response of actual unit.During the design of coordinated control strategy，usage of nonlinear module is usual.Then the established model is a typical case of nonlinear modeling of steam turbine and its governor.

steam turbine;governor;power system;coordinated control;nonlinear

TK263.72

A

1008-0198(2014)02-0016-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.02.005

2013-08-20

國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院科技開發(fā)項(xiàng)目(2012-K(熱控))