火电机组涉网特性模型参数敏感性研究

苍国超

（国家电力投资集团有限公司，北京 100033）

0 引言

随着社会经济的发展和科学技术的进步，特别是我国“西电东送、南北互供和全国联网”工程的开展，推动了我国互联电网的快速发展［1］。电力系统运行环境的复杂性对电力系统安全稳定性提出了更为严格的要求，电力系统的随机扰动（如频率、功率等）严重威胁电力系统的安全稳定运行［2］。在由“源—网—荷”构成的复杂电力系统中，电源起着举足轻重的作用，常规现场试验 （例如：一次调频试验、AGC能力试验等）在一定程度上可以评价电源点的动态性能，从而提高电网的安全稳定分析与运行管理水平［3-4］。

在做好电源常规入网检测和评估试验的同时，对电力系统进行仿真和实测可以更有效地分析电网安全稳定性。原动机及其调速系统承担着系统调频、调峰的重要任务，为促进大区域互联电网稳定性分析向更好的方向发展，研究原动机及其调节系统对电力系统动态稳定的影响十分必要［5］。

文献［6］给出了再热凝汽式汽轮机通用模型，用以描述火电机组的涉网特性，然而事故数据追忆和典型工况试验数据分析均表明该模型与实际数据存在一定的误差［7］。文献［8］用机理建模的方法建立了考虑回热系统的汽轮机动态模型。文献［9］在分析执行机构工作原理的基础上，建立了适用于电网稳定性分析的电液伺服及执行机构模型。文献［10］在电力系统分析综合程序（PSASP）中搭建了OPC保护响应的数学模型，通过典型事故进行仿真对比验证了模型的正确性。文献［11］将发电机高转速启动条件纳入PLU保护控制的触发逻辑，建立新的稳定计算仿真模型，采用典型网侧故障数据对模型进行校核。文献［12］结合机电暂态仿真与中长期仿真的特点，考虑单元机组的主要动态特性与非线性特性，提出了一种适用于电力系统稳定分析的火电机组动力系统数学模型。由此可见目前的研究工作多侧重于火电机组涉网特性的精细化建模，而关于火电机组涉网模型参数对电力系统稳定性的扰动影响分析仍有待进一步开展。

综合考虑回热系统、PLU控制回路等因素，建立相对完善的火电机组涉网特性分析模型。结合单机无穷大的电网模型，基于RTDS系统，搭建了网源协调仿真模型，开展多工况下的参数扰动特性仿真研究，以此分析模型参数变化对电力系统稳定的影响，进一步完善机组涉网特性模型。

1 火电机组涉网特性模型

与汽机侧相比，锅炉侧的过程响应特性相对缓慢，因此，在研究火电机组涉网特性模型时，一般仅考虑汽轮机及其控制系统。因此，火电机组涉网特性模型主要包括：汽轮机本体模型、执行机构模型、回热系统模型和控制系统模型等。

1.1 汽轮机本体模型

汽轮机的主要动态特性通过蒸汽容积效应模型来描述，用于电网仿真的汽轮机模型普遍采用简化形式如图 1 所示［6］。

图 1 中，FHP，FIP，FLP分别为高压缸功率系数、中压缸功率系数、低压缸功率系数；TCH，TRH，TCO分别为高压汽室蒸汽容积时间、再热蒸汽容积时间、低压连通管蒸汽容积时间；λ为高压缸功率过调系数。

常规模型是按照高、中和低压缸分别建模后进行串联获得。考虑实际回热系统对机组并网特性的影响，后续建模将按照各级抽汽点来分割缸体的蒸汽容积效应。

图1 再热凝汽式汽轮机通用模型

1.2 执行机构模型

调速系统迟缓率［9］用以描述由于各部件的摩擦、卡涩、不灵活等因素造成的执行机构动作迟缓程度。因此，为提高执行机构模型仿真的精度，将LVDT测量延迟和精度效应、滑阀和油动机死区等影响因素纳入传统电液伺服系统模型［6］中，其结构如图2所示。

图2中，TC为阀门开启时间，TO为阀门关闭时间，其他符号说明可参考文献［6］。

1.3 回热系统模型

文献［8］通过机理分析建立了考虑回热系统的汽轮机动态模型，该模型结构简单，同时能够有效地反映出回热器对汽轮机动态特性的影响，其结构如图3所示。

图2 改进电液伺服系统模型

图3中，αri为抽汽份额系数；Ci为级组功率系数；Wi（S）为回热器动态特性传递函数，其中 i为功率级数；K1，K2，K3为静态参数，直接用热平衡计算得到的参数。

图3 给水回热加热系统的信号流图

1.4 PLU控制回路模型

功率负荷不平衡［11］（Power Load Unbalance，PLU）是用于功率及负荷之间的不平衡对机组进行保护的控制方案，典型PLU逻辑如图4所示。当发电机负荷瞬间减少且发电机功率与机械功率的差值大于保护限值时，触发PLU保护动作，快速关闭高、中调阀，抑制汽机超速。

图4 PLU逻辑

2 RTDS仿真模型搭建

2.1 RTDS简介

实时数字仿真仪 （Real Time Digital Simulator，RTDS）由加拿大曼尼托巴RTDS公司开发制造，主要用来对电力系统电磁暂态过程进行全数字模拟。RTDS可在一个时间步长里完成各种状态量的求解计算，计算精度和模型的合理性已通过多年的国内外运行验证，是目前世界上应用最广泛、技术最成熟的实时仿真系统［13-15］。

2.2 仿真模型搭建

利用RTDS中的元件模块库，搭建了改进的火电机组涉网特性分析模型，模型主要包括机组协调控制系统模块（如图5所示）、高调阀模块（如图6所示）、高压缸模块（如图7所示）、PLU控制模块（如图8所示）和电网侧模型等模块。

图5 协调控制系统模块（RTDS）

图6 执行机构模块（RTDS）

图7 高压缸模块（RTDS）

2.3 模型分析研究

2.3.1 模型对比仿真研究

为检验所建立的火电机组涉网特性模型的准确性，将所建模型与文献［6］中提及的传统模型进行RTDS仿真对比。仿真过程描述：在系统运行稳定后，给系统侧电压叠加一个阶跃扰动，使系统侧电压从500 kV升至550 kV（类似触发电网频率振荡周期1.2 Hz的扰动），模型响应特性对比如图9所示。

图9 改进模型与传统模型结果对比

由图9看出，当电网发生频率扰动时，相比于传统模型，新建模型振荡时间更长。这是由于该模型考虑了阀门的非线性和回热系统等因素的影响，导致模型出现了更长时间的震荡过程，这也与实际情况中的电网波动更为符合。

2.3.2 PLU模块的影响分析

以PLU为代表的保护回路是保障机组安全稳定运行的基石，当电网发生某些特定故障时，用于维持电力系统的安全稳定。仿真过程描述：系统在正常运行时，模拟电网短时短路故障，造成发电机功率突然减小，满足PLU触发条件，模型响应特性对比如图10所示。

由图10可以看出，PLU投入与否对火电机组涉网模型的响应特性影响较大。因此，在涉网特性建模中对该类型控制保护回路进行考虑可以提高模型的适用性，进而提高电力系统稳定性分析结果的准确性。

图10 PLU投入对电网稳定性的影响

3 模型参数敏感性研究

为进一步研究火电机组涉网特性模型参数波动对电力系统稳定性的影响，基于RTDS中搭建的网源协调仿真分析模型，针对不同的模型参数变动进行扰动仿真试验，具体参数设置情况如下：

1）工况1，模型原参数不变；

2）工况2，再热容积时间常数变为原来2倍，其他参数不变，如图11所示；

3）工况3，高压缸蒸汽容积时间常数变为原来2倍，其他参数不变，如图12所示；

4）工况4，油动机时间常数变为原来2倍，其他参数不变，如图13所示；

图12 高压缸容积时间常数敏感性分析

图13 油动机时间常数敏感性分析

5）工况 5，回热器时间常数变为原来 1/2，其他参数不变，如图14所示；

图14 回热器容积时间常数敏感性分析

6）工况6，功率前馈系数从0.3变为0.7，其他参数不变，如图15所示。

从图11～15的仿真结果可以看出，当电力系统发生频率扰动时，高压缸容积时间常数、油动机时间常数的不确定性会对并网机组有功功率的响应特性产生更为明显的影响，而再热蒸汽容积时间常数、回热器惯性时间常数以及功率前馈系数的不确定性均不会对并网机组有功功率的响应特性产生明显影响。

图15 功率前馈系数敏感性分析

4 结语

通过机理分析对汽轮机及其控制系统进行建模研究，获得了较为完善的火电机组涉网特性分析模型。在RTDS上对模型进行仿真并与传统模型进行仿真对比，结果表明新模型具有更好的仿真精度。

基于仿真模型对模型参数的扰动特性进行仿真，得出高压缸容积时间常数、油动机时间常数的不确定性会对并网机组有功功率的响应特性产生较大的影响，而再热蒸汽容积时间常数、回热器惯性时间常数以及功率前馈系数的影响较小，明确了各参数的敏感特性，可用于指导后续的火电机组涉网特性模型参数现场实测工作。