汽轮机在单机孤网系统状态下的控制策略研究

陈卫兵

摘要：本文试图通过建立火电厂汽轮机系统和发电机以及电网的机理性模型对孤网系统进行数值仿真，针对单台汽轮机带负荷情况下，无穷大容量电网假设不成立的情形，讨论汽轮机控制策略对孤网稳定运行的影响，并提出了适用于特定运行状态下的汽机控制策略。

关键词：孤网系统；协调控制；频率稳定

前言：现有大型发电厂的控制策略一般是在假设电网容量为无穷大的前提下设计的，然而在战争、自然灾害、以及人烟稀少的偏远负荷区、分布式能源系统等极端状态下完全有可能出现局部电网解列运行的情况，基于用电安全的考虑，对于此类情形下的电源稳定性研究十分必要，特别是2008年南方冰灾对中国电网的破坏后，该类研究受到了广泛的关注，本文仅针对特定机组容量和电网容量的情形，重点讨论频率稳定性的控制问题。

一：模型建立

1.汽水系统模型。

对于锅炉燃烧部分根据燃料的燃烧特性用一个惯性环节模拟燃料量与发热量的间的关系，对汽轮机每个级组看着一个整体，只要算出进出级组前后蒸汽参数值以及蒸汽做功量即可，在实际建模中，针对具有一定尺寸的节点并采用集总参数并应用流量表示时，其质量守恒方程形式为：，能量守恒方程形式为：，稳态动量方程为：，也即是动量方程变为代数方程。

2.电气系统模型。

电气系统的模块化划分也是根据实际设备来进行的，对每个模块建立其端口间的微分代数方程，对于发电机采取理想发电机假设，对三相转动系统进行park变换从而将变化的磁感系数变成常数，线路使用π型模型，负荷使用综合负荷模型。

数学模型的计算方法：

对于电力系统模型可以用一组微分代数方程表示，为了方便解算，将相关物理量分成状态量和代数量，将状态方程写成的形式，在数值计算过程中将每个算式进行排序，使得程序执行到“=”时，右端项在前面的语句中已经计算过。

二：模型验证：仿真平台上模拟实际孤网中，电网负荷从275MW突然切除大部分负荷至68MW情况下的转速变化情况。将仿真平台控制参数设置与实际参数一致，仿真结果与实际数据对比发现，转速峰值相差在3转/分，峰值时间相差小于1秒，稳态值相差不到2转/分。相对误差都小于1%，仿真精度较高。

三：常规控制策略的问题：当电网负荷出现大扰动时，系统频率出现了大的波动，最高转速超过3090转/分，将使得OPC动作，稳定频率仅为2830转/分，远低于额定频率。

四：原因分析：在发电机并到无穷大电网上，汽轮机使用DEH调节有响应速度快，稳态误差小的优点，但是当在单机带电网的情况下，系统频率对扰动的敏感度要大得多，一台大型电机的投切，某个低压支路的故障都有可能造成十几乃至几十转的误差，如果仍然使用单机无穷大网络的控制策略和参数整定，则阀门在短时间内就会有较大响应，产生较大超调，甚至出现调门全开全关现象，这种调节可以使系统频率在很短的时间内第一次经过额定频率，但是汽机是有惯性的，在经过额定频率之后误差会反向，迅速又会出现反调，同样是出现很大的超调，当系统阻尼不够的情况下，很容易出现发散振荡。出现这种情况的原因就是从无穷大网络变为单机网络，系统惯性变小，没有无穷大网络来维持系统频率在额定频率附近，此时系统的惯性主要决定于汽轮发电机组的转子系统，相对于汽轮机的容量，转子系统的储存能要小很多，原来系统是过阻尼，现在变成了欠阻尼。

五：改进措施：借鉴状态参数控制策略的思路，控制器的输出除了考虑频率误差，还应该考虑功率误差，由于汽轮机功率不易直接测量，只能通过各级组压力和流量近似进行计算，负荷功率以发电机功率在近似，通过分析转速误差与功率误差之间的关系发现，功率误差在扰动出现时要超前频率误差，而且功率误差是出现频率误差的原因，因此通过功率误差来调节阀门比通过转速来调节更加直接，且能更好地避免功率误差和转速误差反向的情况下，控制器为了减小转速误差而将阀门向增大功率误差的方向调节。对于单机带负荷的网络来说，对于频率偏差的要求没有那么严格，只要转速能稳定，超速不是太多（3060转以内），转速短时间低于正常转速30%都是可以接受，所以尽早让功率接近平衡，让转速稳定。在汽机调节时，如果以发电机功率为目标负荷，转速调节的参数调整为对阀位影响非常小，这样在扰动开始的短时间内，转速调节的输出量就很小，主要由功率控制起作用，当功率基本稳定时，再慢慢将转速调整到接近额定转速。在同样的负荷扰动下，更改控制策略后的仿真结果如图所示：

从结果发现，转速超速比原来减小了近30转/分，最低转速偏移额定转速减小了约100转/分，调节效果大大改善，不过从转速曲线来看，在较大的负荷扰动出现时，系统频率还是有个明显的上升，说明即使控制系统给定值为电网功率，由于阀门和汽机的惯性，功率的改變仍然还是有一定的滞后，滞后时间约为两秒钟，如果想进一步较小频率扰动还需要将中亚调门纳入控制范围，这样可以减小汽机容积效应的惯性。

六：结论：传统无穷大网络中的汽机DEH控制策略对于单机带负荷的网络控制效果不理想，甚至还不如液压调节系统，在控制系统功率目标值改为电网负荷并将转速控制的影响调到较小时，有助于单机带负荷工况下网络频率稳定。

参考文献：

[1]田鹤年 汽轮机模拟电液式调节系统静态特性数学模型[J] 汽轮机技术 2004，46（2）

[2]陈晓平 汽轮机电液调节系统参数辨识及控制系统的仿真和应用 [学位论文]2006

[3]刘晓强，王西田 考虑主蒸汽压力变化的机组一次调频动态特性[J] 热能动力工程 2008.3