CN107766632B - 计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应建模方法，包括以下步骤：S1：根据锅炉模块、汽轮机模块和发电机模块的数学模型建立计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应模型，具体包括：计及蓄热动态的火电机组转速反馈低阶频率响应模型和计及蓄热动态的火电机组功频反馈低阶频率响应模型；S2：对步骤S1建立的计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应模型进行时域解析表达，进而评估扰动后机组动态频率响应过程。本发明通过对锅炉模块简化并将其引入频率响应模型之中，形成了计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应模型，进而能够准确刻画机组的频率响应过程。

Description

计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应建模方法
技术领域
本发明涉及电力***火电机组频率响应建模领域，尤其涉及一种计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应建模方法。
背景技术
随着特高压输电工程逐步推进，可再生能源容量占比不断提高，频率稳定问题日益凸显。频率响应作为频率控制的第一道防线，是大功率缺失下阻止频率大幅下降的关键措施。
在目前的火电机组频率响应建模研究中，一般未计及锅炉蓄热动态对机组频率响应的影响，而这其中便隐含认定机组蓄热非常充裕，扰动过程中主蒸汽压力维持不变，原动机出力仅与其阀门开度呈正相关。而在实际运行中，***大功率缺失引起的机组阀门开度变化会造成主蒸汽压力的波动，从而改变调速器出力与阀门开度的线性关系。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应建模方法，包括以下步骤：
S1：根据锅炉模块、汽轮机模块和发电机模块的数学模型建立计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应模型，具体包括：计及蓄热动态的火电机组转速反馈低阶频率响应模型和计及蓄热动态的火电机组功频反馈低阶频率响应模型；
S2：对步骤S1建立的计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应模型进行时域解析表达，进而评估扰动后机组动态频率响应过程。
所述S1具体包括以下步骤：
S11：对锅炉模型作如下假设：频率响应过程中，锅炉回水流量维持不变，汽包压力与主蒸汽压力大小近似相等，汽包与主蒸汽管道蓄热特性相似，等效为单一蓄热元件；
简化后的锅炉模块模型为：
Figure BDA0001430907620000011
mT＝μPT (2)
式中，CE为锅炉等效蓄热系数；mf为锅炉回水流量；mT为主蒸汽流量；μ为阀门开度；PT为主蒸汽压力；
S12：汽轮机模块数学模型简化：汽轮机模型等效为高压缸做功部分及中低压缸做功部分，其数学模型为：
PH＝FHmT (3)
Figure BDA0001430907620000021
Pm＝PH+PL (5)
式中，PH为高压缸部分机械功率；PL为中低压缸部分机械功率；FH为高压缸功率系数；mT为主蒸汽流量；Pm为汽轮机机械功率；
S13：发电机数学模型简化：发电机采用二阶模型：
Figure BDA0001430907620000022
式中，H为机组惯性时间常数；ω为转子角速度；Pm为机械功率；Pe为电磁功率；
S14：计算阀门开度增量、主蒸汽压力增量和频率响应流量；
对于纯转速反馈的调速***，阀门开度增量为：
Figure BDA0001430907620000023
式中，R为调速***的调速不等率，ω为转子角速度；
对于功频反馈的调速***，阀门开度增量为：
Figure BDA0001430907620000024
式中，PI为电液调速***控制参数；Pd＝Pm-Pe，为功率缺额；
主蒸汽压力增量满足：
Figure BDA0001430907620000025
式中，PT,0为扰动前初始主蒸汽压力，μ0为扰动前初始阀门开度，ΔPT为扰动后主蒸汽压力增量，Δμ为扰动后阀门开度增量；
主蒸汽流量增量为：
mFR≈PT,0Δμ+μ0ΔPT (10)
式中，PT,0为扰动前初始主蒸汽压力，μ0为扰动前初始阀门开度，ΔPT为扰动后主蒸汽压力增量，Δμ为扰动后阀门开度增量。
所述S2具体包括以下步骤：
S21：计及蓄热动态的火电机组转速反馈低阶频率响应模型解析：根据步骤S1所建立的计及蓄热动态的火电机组转速反馈低阶频率响应模型，对其传递函数解析可得：
Figure BDA0001430907620000031
式中，Pd为功率缺额；R为调速不等率；CE为等效蓄热系数；TR为再热时间常数；FH为高压缸功率系数；H为惯性时间常数；μ0为初始阀门开度；PT,0为初始主蒸汽压力；
对于阶跃扰动Pd＝Pstepε(t)，有
Figure BDA0001430907620000032
从而，计及蓄热动态的火电机组转速反馈低阶频率响应模型解析如下：
Figure BDA0001430907620000033
其中：
Figure BDA0001430907620000034
S22：计及蓄热动态的火电机组功频反馈低阶频率响应模型解析，根据步骤S1所建立的计及蓄热动态的火电机组功频反馈低阶频率响应模型，对其传递函数解析可得：
Figure BDA0001430907620000041
式中，Pd为功率缺额；R为调速不等率；CE为等效蓄热系数；TR为再热时间常数；FH为高压缸功率系数；H为惯性时间常数；μ0为初始阀门开度；PT,0为初始主蒸汽压力；KP为调节***比例参数；KI为调节***积分参数；
其稳态误差为：
Figure BDA0001430907620000042
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应建模方法，具有如下优点：1.通过对锅炉模块简化并将其引入频率响应模型之中，形成了计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应模型，进而能够准确刻画机组的频率响应过程。2.通过对计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应模型进行时域解析，准确量化了不同运行参量对机组频率响应的影响效果。3.所建立的计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应模型，可为动态频率响应理论的容量配置、在线监视与运行风险在线分析、分群精细化控制和控制性能评价等研究工作开展提供理论依据。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开的方法的流程图；
图2为本发明公开的方法的计及蓄热动态的火电机组转速反馈低阶频率响应模型框图；
图3为本发明公开的方法的计及蓄热动态的火电机组功频反馈低阶频率响应模型框图。
图4为本发明公开的方法的计及蓄热动态的火电机组转速反馈低阶频率响应过程。
图5为本发明公开的方法的计及蓄热动态的火电机组功频反馈低阶频率响应过程。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1-图5所示的一种计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应建模方法，包括以下步骤：
S1：根据锅炉模块、汽轮机模块和发电机模块的数学模型建立计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应模型，具体包括：计及蓄热动态的火电机组转速反馈低阶频率响应模型和计及蓄热动态的火电机组功频反馈低阶频率响应模型；
S2：对步骤S1建立的计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应模型进行时域解析表达，进而评估扰动后机组动态频率响应过程。
所述步骤S1具体包括：
S11：对锅炉模型作如下假设：频率响应过程中，锅炉回水流量维持不变，汽包压力与主蒸汽压力大小近似相等，汽包与主蒸汽管道蓄热特性相似，可等效为单一蓄热元件；
简化后的锅炉模型为：
Figure BDA0001430907620000051
mT＝μPT (2)
式中，CE为锅炉等效蓄热系数；mf为锅炉回水流量；mT为主蒸汽流量；μ为阀门开度；PT为主蒸汽压力。
S12：汽轮机数学模型简化：汽轮机模型等效为高压缸做功部分及中低压缸做功部分，其数学模型为：
PH＝FHmT (3)
Figure BDA0001430907620000052
Pm＝PH+PL (5)
式中，PH为高压缸部分机械功率；PL为中低压缸部分机械功率；FH为高压缸功率系数；mT为主蒸汽流量；Pm为汽轮机机械功率。
S13：发电机数学模型简化：发电机采用二阶模型，用以反映转子转速变化与不平衡功率的关系：
Figure BDA0001430907620000053
式中，H为机组惯性时间常数；ω为转子角速度；Pm为机械功率；Pe为电磁功率。
S14：阀门开度增量、主蒸汽压力增量及频率响应流量计算。
对于纯转速反馈的调速***，阀门开度增量为：
Figure BDA0001430907620000061
式中，R为调速***的调速不等率；ω为转子角速度。
对于功频反馈的调速***，阀门开度增量为：
Figure BDA0001430907620000062
式中，PI为电液调速***控制参数；Pd＝Pm-Pe，为功率缺额。
主蒸汽压力增量满足：
Figure BDA0001430907620000063
式中，PT,0为扰动前初始主蒸汽压力，μ0为扰动前初始阀门开度，ΔPT为扰动后主蒸汽压力增量，Δμ为扰动后阀门开度增量。
主蒸汽流量增量为：
mFR≈PT,0Δμ+μ0ΔPT (10)
式中，PT,0为扰动前初始主蒸汽压力，μ0为扰动前初始阀门开度，ΔPT为扰动后主蒸汽压力增量，Δμ为扰动后阀门开度增量。
所述步骤S2具体包括：
S21：计及蓄热动态的火电机组转速反馈低阶频率响应模型解析。根据步骤S1所建立的如图2所示计及蓄热动态的火电机组转速反馈低阶频率响应模型，对其传递函数解析可得：
Figure BDA0001430907620000064
式中，Pd为功率缺额；R为调速不等率；CE为等效蓄热系数；TR为再热时间常数；FH为高压缸功率系数；H为惯性时间常数；μ0为初始阀门开度；PT,0为初始主蒸汽压力。
对于阶跃扰动Pd＝Pstepε(t)，有
Figure BDA0001430907620000065
从而，计及蓄热动态的火电机组转速反馈低阶频率响应模型解析如下：
Figure BDA0001430907620000066
其中：
Figure BDA0001430907620000071
S22：计及蓄热动态的火电机组功频反馈低阶频率响应模型解析。根据步骤S1所建立的如图3所示计及蓄热动态的火电机组功频反馈低阶频率响应模型，对其传递函数解析可得：
Figure BDA0001430907620000072
式中，Pd为功率缺额；R为调速不等率；CE为等效蓄热系数；TR为再热时间常数；FH为高压缸功率系数；H为惯性时间常数；μ0为初始阀门开度；PT,0为初始主蒸汽压力；KP为调节***比例参数；KI为调节***积分参数。
其稳态误差为：
Figure BDA0001430907620000073
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：根据锅炉模块、汽轮机模块和发电机模块的数学模型建立计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应模型，具体包括：计及蓄热动态的火电机组转速反馈低阶频率响应模型和计及蓄热动态的火电机组功频反馈低阶频率响应模型；
S2：对步骤S1建立的计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应模型进行时域解析表达，进而评估扰动后机组动态频率响应过程；
所述S1具体包括以下步骤：
S11：对锅炉模型作如下假设：频率响应过程中，锅炉回水流量维持不变，汽包压力与主蒸汽压力大小近似相等，汽包与主蒸汽管道蓄热特性相似，等效为单一蓄热元件；
简化后的锅炉模块模型为：
Figure FDA0002626068170000011
mT＝μPT (2)
式中，CE为锅炉等效蓄热系数；mf为锅炉回水流量；mT为主蒸汽流量；μ为阀门开度；PT为主蒸汽压力；
S12：汽轮机模块数学模型简化：汽轮机模型等效为高压缸做功部分及中低压缸做功部分，其数学模型为：
PH＝FHmT (3)
Figure FDA0002626068170000012
Pm＝PH+PL (5)
式中，PH为高压缸部分机械功率；PL为中低压缸部分机械功率；FH为高压缸功率系数；mT为主蒸汽流量；Pm为汽轮机机械功率；
S13：发电机数学模型简化：发电机采用二阶模型：
Figure FDA0002626068170000013
式中，H为机组惯性时间常数；ω为转子角速度；Pm为机械功率；Pe为电磁功率；
S14：计算阀门开度增量、主蒸汽压力增量和频率响应流量；
对于纯转速反馈的调速***，阀门开度增量为：
Figure FDA0002626068170000021
式中，R为调速***的调速不等率，ω为转子角速度；
对于功频反馈的调速***，阀门开度增量为：
Figure FDA0002626068170000022
式中，PI为电液调速***控制参数；Pd＝Pm-Pe，为功率缺额；
主蒸汽压力增量满足：
Figure FDA0002626068170000023
式中，PT,0为扰动前初始主蒸汽压力，μ0为扰动前初始阀门开度，ΔPT为扰动后主蒸汽压力增量，Δμ为扰动后阀门开度增量；
主蒸汽流量增量为：
mFR≈PT,0Δμ+μ0ΔPT (10)
式中，PT,0为扰动前初始主蒸汽压力，μ0为扰动前初始阀门开度，ΔPT为扰动后主蒸汽压力增量，Δμ为扰动后阀门开度增量，TR为再热时间常数。
2.根据权利要求1所述的计及蓄热动态的火电机组低阶频率响应建模方法，其特征还在于：所述S2具体包括以下步骤：
S21：计及蓄热动态的火电机组转速反馈低阶频率响应模型解析：根据步骤S1所建立的计及蓄热动态的火电机组转速反馈低阶频率响应模型，对其传递函数解析可得：
Figure FDA0002626068170000024
式中，Pd为功率缺额；R为调速不等率；CE为等效蓄热系数；TR为再热时间常数；FH为高压缸功率系数；H为惯性时间常数；μ0为初始阀门开度；PT,0为初始主蒸汽压力；
对于阶跃扰动Pd＝Pstepε(t)，有
Figure FDA0002626068170000025
从而，计及蓄热动态的火电机组转速反馈低阶频率响应模型解析如下：
Figure FDA0002626068170000026
其中：
Figure FDA0002626068170000031
S22：计及蓄热动态的火电机组功频反馈低阶频率响应模型解析，根据步骤S1所建立的计及蓄热动态的火电机组功频反馈低阶频率响应模型，对其传递函数解析可得：
Figure FDA0002626068170000032
式中，Pd为功率缺额；R为调速不等率；CE为等效蓄热系数；TR为再热时间常数；FH为高压缸功率系数；H为惯性时间常数；μ0为初始阀门开度；PT,0为初始主蒸汽压力；KP为调节***比例参数；KI为调节***积分参数；
其稳态误差为：
Figure FDA0002626068170000033
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