火电机组及其控制系统的自定义建模

田新首，石 岩

(1.华北电力大学，北京 102206;2.中国电力科学研究院，北京 100192;3.华北水利水电学院，河南郑州 450011)

火电机组及其控制系统的自定义建模

田新首1，2，石 岩3

(1.华北电力大学，北京 102206;2.中国电力科学研究院，北京 100192;3.华北水利水电学院，河南郑州 450011)

现有系统仿真软件一般认为，在暂态过程中，火电厂的出力是不变的，把锅炉、汽轮机等的动态过程做简单的线性处理，而慢动态的存在可能是导致系统发生中长期失稳的重要原因.根据当代火力发电设备的特点，得到比较详细的火电单元机组及其控制系统的模型，并在电力系统分析综合程序中进行了自定义建模和系统仿真.

控制系统;调速系统;自定义建模;火电单元机组

在我国，火电一直占据着电力供应的重要地位，到2010年年底，其比重仍在70%左右.2011年1月6日召开的国家能源局全国能源工作会议表示，“十二五”时期，火电将仍然是我国的主力电源.基于火电在电力系统中占据的重要地位，对火电机组运行特性的研究是电网仿真分析的重要部分.

火电单元机组具有大容量、高参数的特点，这对火电单元机组控制水平的要求越来越高.单元机组协调控制系统具有多种控制功能，能够满足不同工况、不同运行方式的控制要求，可以把汽轮机发电机组和锅炉作为一个整体进行控制.对电网的仿真应包含比较详细的单元机组协调控制系统模型.

现有系统仿真软件关注的焦点往往是暂态过程，一般并不具有较完备的锅炉、汽轮机及其控制系统的仿真部分，而认为在暂态过程中，火电厂的出力是不变的，把锅炉、汽轮机等的动态过程做简单的线性处理，或者是只考虑调速器的调节作用.

这种考虑方式与火电机组大惯性、非线性、迟滞及参数慢时变等特点是吻合的，所以在进行电力系统机电暂态仿真过程中，不考虑或者简化考虑火电机组模型，对电力系统仿真的结果影响不大.但随着互联电网规模的不断扩大，各种新型动态元件接入电网，使得电力系统稳定性问题变得日趋复杂［1－5］，慢动态的存在可能是导致系统发生失稳的重要原因［6］.

综上所述，在电力系统仿真的研究工作中，开展单元机组及其控制系统建模的研究，可以更好地开展大区域互联电网稳定性的分析.

1 火电厂单元机组的数学模型

在机电暂态仿真中，仿真过程一般在十几秒的范围内，在此情况下可以假设主蒸汽压力不变，调速器控制的汽门开度控制决定汽轮机机械功率的大小.而在全过程的动态仿真中，时间跨度大，锅炉的压力在长时间内有可能发生变化，此假设已不适合，必须考虑锅炉的动态特性［7］.IEEE推荐的锅炉模型如图1 所示［7］.

图1 锅炉模型框图

文献［8－9］中有对该锅炉模型更为详细的描述和注释，图1经过适当简化后更容易理解.

汽包炉单元机组协调受控对象的非线性数学模型的基本结构如图2所示，该模型已分别在300 MW和600 MW单元机组上进行了参数辨识，且得到了实际的验证［10－11］.

图2 单元机组协调被控对象模型框图

图1和图2中:p1为汽机一级压力;pb为汽包(或分离器)压力;M为燃料量;μT为汽机调节阀开度;函数发生器f7(x)表征燃料量变化引起炉膛热负荷变化的非线性增益;D为锅炉蒸汽量;T0为4阶惯性环节的时间常数，用以代替燃料量改变至炉膛热负荷变化的滞后时间τM;DB为汽机旁路通汽量;DQ为用蒸汽流量单位表示的锅炉汽水容积吸热量;RT为汽机动态流通阻力;Cb为蓄热系数，表示当锅炉汽包压力每改变1 MPa时锅炉所释放出来的蒸汽量;Rgr=(pb－pT)/f5(pb－pT)，为过热器的动态阻力;DT为汽机通汽量;DTB为锅炉产汽量;CM为蒸汽母管的容量系数;pT为机前压力;NP为原动机的机械功率(在热工控制系统仿真环境下，NP才可以等同于发电机有功功率NE);f2(x)－f6(x)的作用参见文献［10］.

为了采用多种研究工具在各种不同的研究环境下开展工作，文献［12］通过数学方法，进一步将该数学模型由方框图描述转换为若干数学公式:

式(9)为频域描述，其他为时域描述.

2 单元机组的控制系统模型

较为完整的单元机组协调控制系统的模型结构如图3所示，该模型提供了状态反馈、前馈、预测控制等功能，还有单元手动控制、机跟炉、炉跟机和机炉协调4种控制方式.如果仿真过程中不需要使用某些功能，可以通过加法器的参数设置来加以选择.

图3 单元机组协调控制系统(CCS)总体仿真方案

制粉系统暂时简化为惯性环节.这一方案中考虑了几种常用的运行方式，按DEH是否接受CCS的指令，可以变换不同的控制方式.

3 火电单元机组及其控制系统的自定义建模与仿真

借鉴文献［13］提出的一种动态模型的用户自定义建模方法，据此在PSASP中建立火电单元机组及其控制系统的数学模型，并进行包含火电单元机组及其控制系统的动态仿真.

将该模型接入电力系统，其中火电单元机组及其控制系统的模型与系统的连接如图4所示.

图4 系统模型连接示意图

图4中:Δm为燃煤的增量;Δμ为汽门开度的增量;ΔT为汽轮机输出转矩增量;ΔId，ΔIq为I在d，q轴上的分量的增量;ΔVd，ΔVq分别为V 在d，q轴上的分量的增量;Δω为电角速度增量;Δδ为公角增量;ΔTφ为电磁转矩增量;ΔP为系统功率的增量.

图5为在PSASP仿真环境中采用36节点8机系统作为试验算例的系统单线图.结合图2和图3在PSASP仿真环境下建立用于描述火电机组及其控制系统的自定义模型，并在2号机上进行调用.

实验分2种情况，发电机BUS2采用调用新建仿真模型与传统调速器模型，其他机组不调用调速器模型.为了实验的准确性与可比性，2种模型中相同意义的参数采用相同参数值.在机电暂态过程中由于时间较短，燃煤量的变化比较小可以认为其不变化，机械功率的变化仅由汽门开度的大小决定.实验采用2种故障方式:三相短路接地瞬时故障;三相短路接地永久性故障.

图5 36节点8机系统单线图

图6 发电机有功功率变化曲线

图7 系统频率变化曲线

设线路BUS9－BUS23在母线BUS9侧2%处三相短路接地永久性故障，1 s时刻开始持续0.1 s后切

图8 发电机有功功率变化曲线

设线路BUS9－BUS23在母线BUS9侧2%处发生三相短路接地瞬时故障，故障1 s时刻开始，持续0.1 s重合闸成功.按上述方案进行仿真，发电机有功功率与系统频率变化仿真曲线如图6与图7所示.除故障线路.按上述方案进行仿真，发电机有功功率与系统频率变化仿真曲线如图8与图9所示.

图9 系统频率变化曲线

由以上变化曲线可知，新建火电单元机组及其控制系统模型考虑了单元机组内部的非线性过程.在电网三相短路接地瞬时故障情况下，初始阶段新建仿真模型的发电机有功功率振荡幅度稍大，几秒钟之后与调用传统模型的发电机有功功率变化过程类似，这与原动机机械功率输出的变化趋势是一致的;系统频率变化的区别主要体现在初始阶段.在电网三相短路永久性故障情况下，初始阶段新建仿真模型的发电机有功功率调节幅度稍大，几秒钟之后与调用传统模型类似，最后2个模型的有功功率均能回到初始值上来;对系统频率有影响，故障初始阶段系统频率变化稍大.

4 结语

介绍了火电单元机组及其控制系统模型在电力系统仿真中的自定义建模方法，并进行了模型搭建和系统仿真.仿真结果显示，在线路三相短路接地瞬时故障与在线路三相短路接地永久性故障情况下，新建模型与传统模型对系统的影响略有差别，主要体现在故障的初始变化阶段.仿真结果验证了新建仿真模型的调节效果是合理的.

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Custom Modeling on Thermal Power Unit and Its Control System

TIAN Xin-shou1，2，SHI Yan3
(1.North China Electric Power University，Beijing 102206，China;2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China;3.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The existing system simulation software thinks that the output of thermal power plant is constant in the transient process，and the turbine，boiler and other dynamic processes are linearly done，meanwhile the existing of slow dynamics may be the important reason of long-term instability on power system.Based on the characteristics of modern thermal power generation equipment，a more detailed thermal power unit and its control system model are obtained，and a custom modeling and system simulation is finished in the power system analytic program.

control system;speed control system;custom modeling;thermal power unit

1002－5634(2012)03－0051－04

2012－02－21

田新首(1985—)，男，河南濮阳人，博士研究生，主要从事电力系统分析与可再生能源方面的研究.

(责任编辑:杜明侠)