汽輪機在單機孤網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)下的控制策略研究

陳衛(wèi)兵

摘要：本文試圖通過建立火電廠汽輪機系統(tǒng)和發(fā)電機以及電網(wǎng)的機理性模型對孤網(wǎng)系統(tǒng)進行數(shù)值仿真，針對單臺汽輪機帶負荷情況下，無窮大容量電網(wǎng)假設(shè)不成立的情形，討論汽輪機控制策略對孤網(wǎng)穩(wěn)定運行的影響，并提出了適用于特定運行狀態(tài)下的汽機控制策略。

關(guān)鍵詞：孤網(wǎng)系統(tǒng)；協(xié)調(diào)控制；頻率穩(wěn)定

前言：現(xiàn)有大型發(fā)電廠的控制策略一般是在假設(shè)電網(wǎng)容量為無窮大的前提下設(shè)計的，然而在戰(zhàn)爭、自然災(zāi)害、以及人煙稀少的偏遠負荷區(qū)、分布式能源系統(tǒng)等極端狀態(tài)下完全有可能出現(xiàn)局部電網(wǎng)解列運行的情況，基于用電安全的考慮，對于此類情形下的電源穩(wěn)定性研究十分必要，特別是2008年南方冰災(zāi)對中國電網(wǎng)的破壞后，該類研究受到了廣泛的關(guān)注，本文僅針對特定機組容量和電網(wǎng)容量的情形，重點討論頻率穩(wěn)定性的控制問題。

一：模型建立

1.汽水系統(tǒng)模型。

對于鍋爐燃燒部分根據(jù)燃料的燃燒特性用一個慣性環(huán)節(jié)模擬燃料量與發(fā)熱量的間的關(guān)系，對汽輪機每個級組看著一個整體，只要算出進出級組前后蒸汽參數(shù)值以及蒸汽做功量即可，在實際建模中，針對具有一定尺寸的節(jié)點并采用集總參數(shù)并應(yīng)用流量表示時，其質(zhì)量守恒方程形式為：，能量守恒方程形式為：，穩(wěn)態(tài)動量方程為：，也即是動量方程變?yōu)榇鷶?shù)方程。

2.電氣系統(tǒng)模型。

電氣系統(tǒng)的模塊化劃分也是根據(jù)實際設(shè)備來進行的，對每個模塊建立其端口間的微分代數(shù)方程，對于發(fā)電機采取理想發(fā)電機假設(shè)，對三相轉(zhuǎn)動系統(tǒng)進行park變換從而將變化的磁感系數(shù)變成常數(shù)，線路使用π型模型，負荷使用綜合負荷模型。

數(shù)學(xué)模型的計算方法：

對于電力系統(tǒng)模型可以用一組微分代數(shù)方程表示，為了方便解算，將相關(guān)物理量分成狀態(tài)量和代數(shù)量，將狀態(tài)方程寫成的形式，在數(shù)值計算過程中將每個算式進行排序，使得程序執(zhí)行到“=”時，右端項在前面的語句中已經(jīng)計算過。

二：模型驗證：仿真平臺上模擬實際孤網(wǎng)中，電網(wǎng)負荷從275MW突然切除大部分負荷至68MW情況下的轉(zhuǎn)速變化情況。將仿真平臺控制參數(shù)設(shè)置與實際參數(shù)一致，仿真結(jié)果與實際數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速峰值相差在3轉(zhuǎn)/分，峰值時間相差小于1秒，穩(wěn)態(tài)值相差不到2轉(zhuǎn)/分。相對誤差都小于1%，仿真精度較高。

三：常規(guī)控制策略的問題：當(dāng)電網(wǎng)負荷出現(xiàn)大擾動時，系統(tǒng)頻率出現(xiàn)了大的波動，最高轉(zhuǎn)速超過3090轉(zhuǎn)/分，將使得OPC動作，穩(wěn)定頻率僅為2830轉(zhuǎn)/分，遠低于額定頻率。

四：原因分析：在發(fā)電機并到無窮大電網(wǎng)上，汽輪機使用DEH調(diào)節(jié)有響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)誤差小的優(yōu)點，但是當(dāng)在單機帶電網(wǎng)的情況下，系統(tǒng)頻率對擾動的敏感度要大得多，一臺大型電機的投切，某個低壓支路的故障都有可能造成十幾乃至幾十轉(zhuǎn)的誤差，如果仍然使用單機無窮大網(wǎng)絡(luò)的控制策略和參數(shù)整定，則閥門在短時間內(nèi)就會有較大響應(yīng)，產(chǎn)生較大超調(diào)，甚至出現(xiàn)調(diào)門全開全關(guān)現(xiàn)象，這種調(diào)節(jié)可以使系統(tǒng)頻率在很短的時間內(nèi)第一次經(jīng)過額定頻率，但是汽機是有慣性的，在經(jīng)過額定頻率之后誤差會反向，迅速又會出現(xiàn)反調(diào)，同樣是出現(xiàn)很大的超調(diào)，當(dāng)系統(tǒng)阻尼不夠的情況下，很容易出現(xiàn)發(fā)散振蕩。出現(xiàn)這種情況的原因就是從無窮大網(wǎng)絡(luò)變?yōu)閱螜C網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)慣性變小，沒有無窮大網(wǎng)絡(luò)來維持系統(tǒng)頻率在額定頻率附近，此時系統(tǒng)的慣性主要決定于汽輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，相對于汽輪機的容量，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的儲存能要小很多，原來系統(tǒng)是過阻尼，現(xiàn)在變成了欠阻尼。

五：改進措施：借鑒狀態(tài)參數(shù)控制策略的思路，控制器的輸出除了考慮頻率誤差，還應(yīng)該考慮功率誤差，由于汽輪機功率不易直接測量，只能通過各級組壓力和流量近似進行計算，負荷功率以發(fā)電機功率在近似，通過分析轉(zhuǎn)速誤差與功率誤差之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，功率誤差在擾動出現(xiàn)時要超前頻率誤差，而且功率誤差是出現(xiàn)頻率誤差的原因，因此通過功率誤差來調(diào)節(jié)閥門比通過轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)更加直接，且能更好地避免功率誤差和轉(zhuǎn)速誤差反向的情況下，控制器為了減小轉(zhuǎn)速誤差而將閥門向增大功率誤差的方向調(diào)節(jié)。對于單機帶負荷的網(wǎng)絡(luò)來說，對于頻率偏差的要求沒有那么嚴格，只要轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定，超速不是太多（3060轉(zhuǎn)以內(nèi)），轉(zhuǎn)速短時間低于正常轉(zhuǎn)速30%都是可以接受，所以盡早讓功率接近平衡，讓轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。在汽機調(diào)節(jié)時，如果以發(fā)電機功率為目標(biāo)負荷，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的參數(shù)調(diào)整為對閥位影響非常小，這樣在擾動開始的短時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的輸出量就很小，主要由功率控制起作用，當(dāng)功率基本穩(wěn)定時，再慢慢將轉(zhuǎn)速調(diào)整到接近額定轉(zhuǎn)速。在同樣的負荷擾動下，更改控制策略后的仿真結(jié)果如圖所示：

從結(jié)果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速超速比原來減小了近30轉(zhuǎn)/分，最低轉(zhuǎn)速偏移額定轉(zhuǎn)速減小了約100轉(zhuǎn)/分，調(diào)節(jié)效果大大改善，不過從轉(zhuǎn)速曲線來看，在較大的負荷擾動出現(xiàn)時，系統(tǒng)頻率還是有個明顯的上升，說明即使控制系統(tǒng)給定值為電網(wǎng)功率，由于閥門和汽機的慣性，功率的改變?nèi)匀贿€是有一定的滯后，滯后時間約為兩秒鐘，如果想進一步較小頻率擾動還需要將中亞調(diào)門納入控制范圍，這樣可以減小汽機容積效應(yīng)的慣性。

六：結(jié)論：傳統(tǒng)無窮大網(wǎng)絡(luò)中的汽機DEH控制策略對于單機帶負荷的網(wǎng)絡(luò)控制效果不理想，甚至還不如液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)功率目標(biāo)值改為電網(wǎng)負荷并將轉(zhuǎn)速控制的影響調(diào)到較小時，有助于單機帶負荷工況下網(wǎng)絡(luò)頻率穩(wěn)定。

參考文獻：

[1]田鶴年 汽輪機模擬電液式調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性數(shù)學(xué)模型[J] 汽輪機技術(shù) 2004，46（2）

[2]陳曉平 汽輪機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)辨識及控制系統(tǒng)的仿真和應(yīng)用 [學(xué)位論文]2006

[3]劉曉強，王西田 考慮主蒸汽壓力變化的機組一次調(diào)頻動態(tài)特性[J] 熱能動力工程 2008.3