背景技术
电力***的数字仿真已成为电力***规划设计、调度运行和分析研究的主要工具,电力***各元件的数学模型以及由其构成的全***数学模型是电力***数字仿真的基础。模型和参数是仿真结果准确性的重要决定因素,直接影响着以此为基础的决策方案。近些年来,电力***稳定仿真中频率响应的准确性问题引起了国内外电网调度运行和科研部门广泛的关注。对与功率和频率有关的事故分析表明,由于目前仿真中采用的机组调速***模型和参数不准确,导致稳定仿真中的频率响应过程和现场实际事故记录有较大差别。
当前国内火电机组的动力***按自动化程度可分为以下三种类型:第1类是具有机炉协调控制***(coordinated control system,CCS)的机组;第2类是有局部热工自动化子***,但无协调控制功能的机组;第3类是自动化程度最低,机电炉皆由人工手动操作控制的机组。随着电网的不断发展,新装的机组单机容量越来越大,大部分采用协调控制***,属于第1类机组,其自动化程度高。
根据电厂热工自动控制中对锅炉和汽机主控组态结构的不同,主要有三种基本调节(组态)方式:
(1)锅炉跟随汽轮机方式(boiler following,BF);
锅炉跟随汽轮机方式下,机组负载指令信号通过汽机主控部分直接去控制汽轮机的汽门开度,而蒸汽压力变化信号则控制锅炉主控的输出。可见,这种方式下,负载增加后,可以充分利用锅炉的蓄热,迅速提高汽机输出功率,对***有利,但增加的功率输出只能维持很短的时间,随着蒸汽压力降低,汽机输出功率也会减小。
BF方式的优点是负载变化后,机组能迅速适应电网的要求,对***频率有利,但是汽压波动大,对机组本身的稳定运行不利,且在负载增加时,增加的功率输出来自于机组的蓄热,只能维持很短的时间,之后随着主蒸汽压力降低而减小,直到蒸汽压力恢复正常后才达到其稳态。
(2)汽轮机跟随锅炉方式(turbine following,TF)
汽轮机跟随锅炉方式下,机组负载指令信号控制锅炉主控的输出,而蒸汽压力变化信号通过汽机主控部分去控制汽轮机的汽门开度。它的优点是汽压变化平稳,但功率调节速度慢,机组几乎没有一次调频的功能。
(3)协调控制方式(CCS)。CCS控制兼顾了BF和TF控制方式的优点,是一种折衷处理。它的特点是汽压变化比较平稳,对机组有利,虽然在起始阶段,功率变化速度一般比BF方式慢。CCS又可分为以锅炉跟随为基础的协调控制方式(coordinated control system based onboiler following mode,CBF)和以汽轮机跟随为基础的协调控制方式(coordinated control systembased on turbine following mode,CTF)两种方式。
电力***稳定计算中关心的是动力***对***稳定性和频率的影响,为此,需要考虑的火电厂动力***的主要数学模型及其连接关系如附图1所示。它由三部分组成:锅炉模型、锅炉和汽机协调控制***模型、汽轮机及其调节***(governor)模型。附图1中,LD是机组功率(称之为机组负载)设定值;TD是CCS输出的汽机阀位指令;BD是CCS输出的锅炉燃烧指令;PE是电功率输入;ω是机组转速;CV是汽机的汽门开度;PM是机组机械功率输出;PT是主蒸汽压力;SF是蒸汽流量。汽轮机模型现在已经比较成熟,而且IEEE工作组推荐的锅炉模型也能较好地反映锅炉***的本质特征。
国内近年来新投产的大型火电机组汽轮机调速***几乎都采用数字电液调速***(digital electric-hydraulic control system,DEH),而且原有机组的液压调节***也在逐步改为电液调速***。与传统的汽轮机液调控制***、电液共存式控制***相比,DEH具有控制精度高、执行机构线性度好、阀门迟缓率和控制死区小的优点,改善了大型发电机组转速负载控制的稳态和动态特性。
在现代火电厂中,单元机组协调控制***得到了广泛的应用。国内改造后的老机组多数采用协调控制***。但目前国内稳定仿真中使用的调速***模型大部分类似于IEEE1973年推荐的典型模型(见附图2),仅仅考虑汽轮机调速***(调速器);部分区域电网虽然使用了实测的汽轮机调速器模型(见附图3),但没有考虑协调控制部分的模型。现有模型存在如下的局限性:
1)适用范围有限
现有模型的使用条件为:①可以假定电厂机组的锅炉主蒸汽压力保持不变。②电厂采用BF调节方式。只有两个条件同时满足时,模型才能够使用。而实际运行的机组,控制方式多种多样,且大部分机组采用协调控制方式,不是BF调节方式,因此模型适用范围有限。
2)没有反映机组的协调控制***模型
国内的火电机组大部分采用协调控制***,而现有计算模型和实测模型,只考虑汽轮机调速器,这只是电厂机组调速控制***中的一部分模型。因此,现有模型是不全面的,不能反映机组的调速***动态特性。
3)不能正确反映机组的一次调频特性
国内运行中的火电机组调速控制***中一次调频回路的设置方法多种多样;有的设置在CCS中;有的设置在DEH中;有的是在CCS和DEH中都存在。而现有模型只能设置在DEH中,因此,不能正确反映所有机组的一次调频特性,将导致电网频率计算时的偏差。
4)没有考虑与机电暂态中长期动态的全过程仿真的接口
在中长期动态仿真中,锅炉主蒸汽压力不再保持不变,因此,需要考虑锅炉及其控制***模型,但现有的模型没有与锅炉及其控制***模型的接口。此外,现有采用协调控制***的火电机组,如果机组参与自动发电控制(AGC),则接口都在协调控制***中,所以现有调速***模型不能够与采用协调控制***的火电机组中的AGC模型进行接口。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种电力***仿真中火电厂调速***模型的实现方法。
本发明在电力***仿真中火电厂调速***模型的实现方法中,既模拟了机组的协调控制***,既模拟了机组的汽轮机调速***,可以方便地考虑机组调速控制的不同组态方式,能够模拟实际电厂的一次调频功能,可以与锅炉模型及自动发电控制模型进行接口,适于电力***暂态及中长期动态的全过程动态稳定仿真,其包括以下步骤:
步骤102:求取协调控制***模型中的机组负荷指令;
步骤103:求取协调控制***模型中的功率指令偏差;
步骤104:求取协调控制***模型中的主蒸汽压力偏差;
步骤105:求取协调控制***模型中作为前馈控制的直接功率平衡信号;
步骤106:求取协调控制***模型中汽机主控的输入信号;
步骤107:求取协调控制***模型的汽机主控中功率偏差的比例-积分-微分(proportional-integral-differential,PID)控制的输出;
步骤108:求取协调控制***模型中的汽机阀门开度指令;
步骤109:求取协调控制***模型中锅炉主控的输入信号;
步骤110:求取协调控制***模型中锅炉主控的压力偏差PID控制输出;
步骤111:求取协调控制***模型中锅炉主控的前馈信号PID控制输出;
步骤112:求取协调控制***模型中锅炉主控的燃烧信号指令;
步骤113:求取汽轮机调速***模型中一次调频信号;
步骤114:求取汽轮机调速***模型中汽门开度信号;
步骤115:求取汽轮机调速***模型中调节级压力信号;
步骤116:求取汽轮机调速***模型中汽轮机机械功率输出值;
步骤117:检查汽轮机机械功率输出值是否收敛,如果收敛,则本次计算结束;
步骤118:如果汽轮机机械功率输出值不收敛,则重复上述102-117的计算步骤,直到收敛。
依据本发明的电力***仿真中火电厂调速***模型的实现方法,还具有在所述步骤102中的求取协调控制***模型中的机组负荷指令,还包括协调控制***模型中一次调频回路的计算,用于求取协调控制***模型中由于机组转速偏差导致的机组负荷指令变化值。
依据本发明的电力***仿真中火电厂调速***模型的实现方法,还具有在所述步骤106中的求取协调控制***模型中汽机主控的输入信号,还包括求取机组负荷指令信号的前馈控制与功率偏差PID控制环节输出的叠加值,并对叠加值进行限幅计算。
依据本发明的电力***仿真中火电厂调速***模型的实现方法,还具有在所述步骤109中的求取协调控制***模型中锅炉主控的输入信号,还包括求取机组直接能量平衡信号的前馈控制与压力偏差PID控制环节输出的叠加值,并对叠加值进行限幅计算。
依据本发明的电力***仿真中火电厂调速***模型的实现方法,还具有在所述步骤114中的求取汽轮机调速***模型中汽门开度信号,还包括求取汽轮机调速***模型中一次调频信号和协调控制***模型中的汽机主控信号输出的叠加值,并且叠加值要经过一个幅度限值环节。
依据本发明的电力***仿真中火电厂调速***模型的实现方法,实现调速控制的不同组态方式的方法通过参数值的设置来实现。
依据本发明的电力***仿真中火电厂调速***模型的实现方法,通过锅炉主控的输出与锅炉模型的输入信号进行连接。
依据本发明的电力***仿真中火电厂调速***模型的实现方法,还具有在协调控制模型中与自动发电控制模型的输出信号进行连接。
本发明的有益效果是:依照电力***仿真中火电厂调速***模型的实现方法,根据考虑协调控制***和汽轮机调速***的机组调速***模型的结构,以及电力***稳定仿真的算法特点,该模型可以正确模拟火电厂的一次调频功能;实现调速控制的不同组态方式,可模拟以锅炉跟随为基础的协调控制方式(CBF)、以汽轮机跟随为基础的协调控制方式(CTF)、锅炉跟随汽轮机方式(BF)、汽轮机跟随锅炉方式(TF)方式;可以与锅炉模型、自动发电控制模型(AGC)进行接口,以构成完整的火电厂动力***模型;适于电力***机电暂态及中长期动态的全过程仿真要求。
具体实施方式
以下,参考附图4-8详细描述本发明的电力***仿真中火电厂调速***模型的实现方法。
目前国内电力***稳定仿真使用的火电厂调速***模型大部分类似于IEEE 1973年推荐的典型模型(见附图2),仅仅模拟汽轮机调速器;部分区域电网虽然使用了实测的汽轮机调速器模型(见附图3),没有协调控制部分的模型。而火电厂中协调控制***已得到普遍应用,如果不考虑协调控制部分的动态特性,就不能准确模拟火电厂调速***特性。因此,本发明提出了模拟锅炉和汽机协调控制的调速***模型(speed governing model withcoordinated control system,CCSG),在其中的CCS模型部分主要包括汽机主控、锅炉主控、前馈控制和一次调频控制;在DEH模型中主要包括一次调频和阀门执行机构模型,如附图4。该模型物理结构合理,具有较好的可操作性和适应性,可以正确模拟火电厂的一次调频功能;实现机组调速控制中的不同组态方式,可模拟以锅炉跟随为基础的协调控制方式(CBF)、以汽轮机跟随为基础的协调控制方式(CTF)、锅炉跟随汽轮机方式(BF)、汽轮机跟随锅炉方式(TF)方式;可以与锅炉模型、自动发电控制模型(AGC)进行接口,以构成完整的火电厂动力***模型;能够满足电力***机电暂态及中长期动态的全过程仿真要求。CCSG模型已在马来西亚古晋电厂和沐胶电厂接入***稳定性研究等实际工程中得到应用,验证了其有效性和可行性,并取得一定的经济效益和社会效益。
附图4为本发明实施例的电力***仿真中火电厂调速***模型的传递函数框图,它的说明如下:
1)汽轮机控制***
汽轮机调速控制***模型有两个输入信号来源:一是来自发电机转速ω,转速差经过死区和一次调频限幅后,与调差率相乘;另一个是协调控制中汽机主控部分的输出TD。这两个输入信号首先进行叠加,然后经过限幅环节送到汽轮机调速***的执行机构去调节汽门开度CV。
汽轮机模型的输入为汽门开度CV和主蒸汽压力PT的乘积,输出为机组的输出功率PM。此外,汽轮机模型还输出调节级压力信号PI给协调控制***模型使用。
2)锅炉汽轮机的协调控制***
汽机主控的输入是转速信号ω、自动发电控制信号PAGC或手动控制的功率设置值P0,它主要负责形成机组负载指令信号ULD。其中,转速ω调节(一次调频校正)回路和汽轮机调速器的一次调频回路结构完全相同,但二者的调频参数设置可以不同。
汽机主控中的PID环节(含比例、积分微分控制环节)的输入信号为负载指令信号ULD与电功率测量值PE1的偏差信号ΔMW、主蒸汽压力的偏差信号ΔPT。汽机主控环节的输出,即汽机阀门开度的控制指令TD,为PID控制输出信号和由ULD来的前馈信号之和,并经过限幅后的输出。
锅炉主控的输入信号为ΔPT、ΔMW、PT及其与汽轮机调节级压力P1组成的直接能量平衡信号,它经过锅炉主控的压力偏差PID和前馈PID控制后形成锅炉指令信号BD,用于调节锅炉输入燃料、给水和风量等,以保证主蒸汽参数的稳定。BD用作锅炉模型的输入信号。
锅炉和汽轮机的协调控制主要体现在:①功率偏差信号ΔMW经死区和系数KTB环节到锅炉主控的信号。②主蒸汽压力的偏差信号ΔPT经死区和系数KBT环节到汽机主控的信号。③PT及其与调节级压力P1组成的直接能量平衡信号。
根据锅炉和汽机主控输入输出信号和参数值设置的不同,主要可以模拟的组态方式有:CTF、CBF、BF、TF。
3)限幅环节说明
附图4中存在的限幅环节为:DEMAND_Lim、RLIM1、ULD_Lim、TD_Lim、BD_Lim。它们的含义如附图5所示,计算公式如式1:
式中,X为环节输入值;Y为环节输出值;YMAX为输出上限值;YMIN为输出下限值。
4)死区环节说明
附图4中存在的死区环节为:DB_MW、DB_PT。它们的含义如附图6所示,计算公式如式2:
式2中,X为环节输入值;Y为环节输出值;EPCO为死区值。
5)含限幅的死区环节说明
附图4中存在的含限幅的死区环节为:DB_1、DB_2。它们的含义如附图7所示,计算公式如式3:
式3中,X为环节输入值;X为环节输出值Y;YMAX为输出上限值;YMIN为输出下限值。
6)速率限制环节说明
附图4中存在的速率限制环节为:RLIM2。该环节的输出值的变化速率不超过一个上限值和下限值。
7)模型的输入参数及其物理含义
①DEH模型
Tω1:汽轮机控制***中发电机转速测量环节的时间差数(sec.);R1:调差率(pu.);Tsm:油动机时间常数(sec.);Tch:蒸汽容积时间常数(sec.);ωREF:发电机转速的参考信号(pu.);死区环节DB_1的参数EPCO(pu);死区环节DB_1中的上限值和下限值(pu);汽门开度的上限幅值:CVMAX;汽门开度的下限幅值:CVMIN;汽门开启速率的限幅值:阀门指令限幅环节DEMAND_Lim的上限值和下限值。
②CCS模型
Tω2:协调控制***中发电机转速测量环节的时间差数(sec.);R2:调差率(pu.);TPE电功率测量环节的时间差数(pu.);KPE:电功率测量环节的增益(pu);PT0:主蒸汽压力设定值(pu);KT、KPT、TIT、TDT:汽机主控的PID参数;KB、KPB、TIB、TDB:锅炉主控的PID参数;KCV、KPCV、TDCV:锅炉前馈控制的PID参数;KMT、KMB、KBT、KTB:调速控制的组态参数;
死区环节DB_2的参数EPCO(pu);死区环节DB_2中的上限值和下限值(pu);死区环节DB_MW和DB_PT的上限值和下限值(pu)。
AGC或手动设置负荷指令变化速率限制RLIM2的上限值和下限值(pu/sec.)。
机组负荷指令(ULD)之前的限幅ULD_Lim的上限值和下限值(pu)。
汽机主控输出的阀门指令TD之前的限幅TD_Lim的上限值和下限值(pu)。
锅炉主控输出的燃烧指令BD之前的限幅BD_Lim的上限值和下限值(pu)。
8)模型中主要变量的物理含义
ω:发电机转速;ULD:机组负载指令;P1:汽轮机调节级压力;PM:汽轮机机械功率。
PE:发电机电磁功率;PT:主蒸汽压力;TD:汽轮机主控输出(阀门开度指令);BD:锅炉主控输出(锅炉燃量指令信号);P0:机组的设定出力或AGC指定的功率。
在电力***仿真中的时域法仿真中,火电厂调速***模型的计算是时域法仿真中的一个计算环节。与发电机的其它控制***(如,励磁***)的仿真方法相同,通常采用数值积分法对模型传递函数中的状态变量进行计算。调速***模型的输入变量是发电机转子的转速和发电机的电磁功率,模型的输出变量是机组的机械功率,给发电机转子运动方程的模型使用。以下描述了模型在时域法仿真的一个迭代步计算中的实现步骤。
附图8为本发明实施例的电力***仿真中火电厂调速***模型的实现方法的流程图。
如附图8所示的,根据本发明的实施例的电力***仿真中火电厂调速***模型的实现方法包括如下步骤:
步骤101:设置迭代次数k=0
使用数值积分法计算
环节的第k次计算值
然后,得出频率偏差
该偏差作为死区环节DB_2的输入,死区环节DB_2的输出与
相乘即得到机组负荷变化指令
如果存在自动发电控制(AGC)模型时,其输出
经过速率限制环节,得到输出
如果不存在自动发电控制(AGC)模型时,
等于手动设置信号P
0。
与
相加得到限幅前的机组负荷指令
经过限幅环节ULD_Lim后,得到机组负荷指令
步骤103:求取CCS模型中的功率指令偏差ΔMW(k)。
使用数值积分法计算
环节输出的第k次迭代值
机组负荷指令
减去
得到ΔMW
(k)。
机组主蒸汽压力的参考值P
T0减去主蒸汽压力值
得到主蒸汽压力偏差
步骤105:求取CCS模型中作为前馈控制的直接功率平衡信号
由来自DEH模型的调节级压力
与主蒸汽压力值
计算
的公式为:
(式4)
(式5)
步骤107:求取CCS模型的汽机主控中功率偏差PID控制的输出
功率偏差PID控制的输入为
经过功率偏差PID控制后为
步骤108:求取CCS模型中的汽机阀门开度指令TD(k)。
与机组负荷指令
相加得到限幅前的汽机阀门开度指令TD0。TD0再经过限幅环节TD_Lim后,得到阀门开度指令TD
(k)。
ΔMW(k)经过死区环节DB_MW后与KBT相乘得到则:
(式6)
步骤110:求取CCS模型中锅炉主控的压力偏差控制PID输出
压力偏差PID控制的输入为
经过压力偏差PID控制后为
步骤111:求取CCS模型中锅炉主控的前馈信号PID输出
压力偏差PID控制的输入为
经过压力偏差PID控制后为
步骤112:求取CCS模型中锅炉主控的燃烧信号指令BD(k)。
与
相加得到限幅前的汽机阀门开度指令BD0。BD0再经过限幅环节BD_Lim后,得到阀门开度指令BD
(k)。
使用数值积分法计算
环节的输出第k次的
然后,得出频率偏差
该偏差作为死区环节DB_1的输入,死区环节DB_1的输出与
相乘即得到机组负荷变化指令
步骤114:求取DEH模型中汽门开度信号CV(k)。
该步骤是对DEH模型中阀门执行机构进行的计算。求取过程是:
①求取阀门执行机构的输入信号CV_DEMAND2。
执行进行机组负荷变化指令
和CCS来的阀门指令信号相加得到信号CV_DEMAND1,CV_DEMAND1经过限幅环节DEMAND_Lim后得到CV_DEMAND2。
②求取阀门执行机构的输出信号CV(k)。
数值积分计算阀门执行机构子模型得到输出阀门开度指令CV(k)。
数值积分计算蒸汽容积时间常数环节得到输出信号调节级压力信号
步骤117:检查整个模型计算是否收敛。
计算两次迭代的机械功率之差
汽机主控输出TD之差
锅炉主控输出BD之差
(式7)
如果
和
都小于设定的ε
LIM,则计算收敛,执行步骤119;否则计算不收敛,执行步骤118。
步骤118:如果计算不收敛,则:
(式8)
k=k+1 (式9)
重复102-117计算步骤,直到计算收敛。
步骤119:如果计算收敛,则整个模型的本次计算结束。
综上所述,依照本发明的电力***仿真中火电厂调速***模型的实现方法,具有较好的可操作性和适应性,可以方便地模拟电厂的一次调频、调速控制的不同组态方式,能够应用于电力***暂态及中长期动态的全过程动态稳定仿真。
以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明,而对本发明进行的详细描述,但可以想到,在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改,这些变化和修改均在本发明的保护范围内。