300MW机组汽轮机调节系统建模研究

姜杰夫

(大唐华银株洲发电有限公司，湖南株洲412005)

300MW机组汽轮机调节系统建模研究

姜杰夫

(大唐华银株洲发电有限公司，湖南株洲412005)

对某机组进行汽轮机调节系统参数实测，以建立汽轮机执行机构模型和汽轮机本体模型。发现该机组数字式电液控制系统 (DEH)中的负荷控制回路模型与电力系统综合分析程序 (PSASP)中的内置模型存在较大区别，利用PSASP中的用户自定义建模功能，建立电液调节系统模型和汽轮机调节系统模型，并最终实现对该机组汽轮机调节系统建模效果的仿真校核。

汽轮机调节系统；DEH；用户自定义建模；仿真校核

在电力系统中，汽轮机调节系统承担着系统调频、调峰的任务，对于维护系统稳定和提高电能质量都起着非常重要的作用。随着科学技术和制造工艺的快速发展，汽轮机调节系统动态特性、响应速度得到了极大的提高〔1〕。而汽轮机调节系统模型的完善程度是影响电力系统稳定分析可靠性和精确性的重要因素。汽轮机调节系统参数测试的目的，是通过现场试验的方法建立和规范电力系统稳定计算用的汽轮机及其调节系统模型〔2－6〕。

文献 〔7〕对汽轮机调节系统的建模质量有明确要求，所建立的模型应能够反映被建模机组的实际情况。

对大唐华银株洲发电有限公司4号机组进行了汽轮机调节系统参数实测。建立了该机组的执行机构模型和汽轮机本体模型，在试图对该机组的电液调节系统进行建模的过程中发现，该机组所采用的DEH为某公司生产的XDPS－400系统，其控制策略与典型电液调节系统存在明显的区别，无法直接利用典型电液调节系统模型完成汽轮机调节系统的建模工作。因此借助PSASP中的用户自定义建模功能，根据该机组DEH中的控制策略，如实地建立了该机组的电液调节系统模型，并最终对其进行仿真校核。校核结果表明，建立的汽轮机调节系统模型能够真实反映实际机组特性，为电力系统分析提供了准确的基础数据。

1 汽轮机调节系统参数实测与建模

1.1 电液伺服系统的参数实测与建模

不考虑主汽压力时，汽轮机调节系统模型可由电液调节系统、电液伺服机构、汽轮机模型组成。其中电液调节系统根据功率/频率计算生成流量指令，电液伺服机构对流量指令转换而成的阀位信号为调门开度，控制进入汽轮机的蒸汽流量，蒸汽流量在汽轮机内膨胀做功转换为机械功率。图1为调节系统中的电液伺服机构模型。

图1中:Tc为油动机关闭时间常数；To为油动机开启时间常数；VELopen为过速开启系数；VELclose为过速关闭系数；PMAX为原动机最大输出功率；PMIN为原动机最小输出功率；PCV为阀位指令值；PGV为阀位开度；T2为LVDT变送器时间常数；Kp为电液转换器PID比例环节倍数；KD为电液转换器PID微分环节倍数；KI为电液转换器PID积分环节倍数。

在停机条件下，对该机组进行执行机构大/小阶跃扰动试验，取高调门GV1作为电液伺服系统模型的建模对象，根据其实际动作特性确定电液伺服系统模型的参数。

图2是GV1大阶跃扰动时的动作特性曲线。当GV1大幅度动作时，可认为电液伺服系统伺服电流达到极限值，电液转换器运动到极限位置，根据图2所示的最大开启和关闭速度曲线，计算油动机开启时间常数To为1.225 s，油动机关闭时间常数TC为1.771 s。

GV1小阶跃扰动时的动作特性曲线如图3所示。小阶跃扰动试验中，伺服卡和电液转换器均工作在线性条件下，未达到极值，此时电液伺服系统的PID参数对阀门动作曲线有重要影响，根据图3中GV1的动作特性可以辨识得到电液转换器PID的控制参数:KP＝8，KI＝1，KD＝0。

根据执行机构大/小阶跃扰动试验，得到电液伺服系统模型的相关参数，将所得参数输入电液伺服系统模型中，建立完整的电液伺服系统模型。

为了验证所建立模型的准确性，对其进行仿真校核。大阶跃试验条件下，模型仿真结果与实测结果如图4所示:

比较图4中的仿真曲线和实际曲线，按照文献〔7〕的要求计算其偏差，见表1。表1中:tup是电液伺服机构上升时间，表示阶跃试验中，从阶跃量加入开始到被控量变化至90%阶跃量所需时间；ts是电液伺服系统调节时间，表示从起始时间开始，到被控量与最终稳态值之差的绝对值始终不超过5%阶跃量的最短时间。

小阶跃试验条件下，模型仿真结果与实测结果如图5所示:

比较图5中的仿真曲线和实际曲线，计算其偏差见表2。

表1和2表明，所建立的电液伺服系统模型能够满足文献 〔7〕中仿真与实测的误差允许值要求。

1.2 汽轮机的参数实测与建模

图6是稳定计算用的再热凝汽式汽轮机模型。其中:TCH为高压汽室蒸汽容积时间；TRH为再热蒸汽容积时间；TCO为低压连通管蒸汽容积时间；FHP为高压缸功率系数；FIP为中压缸功率系数；FLP为低压缸功率系数 (FHP＋FIP＋FLP＝1)；λ是高压缸功率自然过调系数；PGV为进入汽轮机的蒸汽流量；PM为汽轮机输出的机械功率。

汽轮机模型中需要确定的参数共7个:TCH/ TRH/TCO，FHP/FIP/FLP，λ。对中、低压缸作合缸处理，即此时TCO＝0，FLP＝0。再热容积时间常数TRH是基于再热压力是该容积环节的集总参数确定的，其值由阀控方式阶跃扰动试验中的再热压力变化趋势辨识可得TRH＝19.7 s。

图7表明，再热容积环节的仿真曲线与实际再热压力变化趋势吻合，这说明了所得辨识结果(TRH＝19.7 s)是能够较好地反映实际再热容积环节的特性。TCH通过类似方法可以辨识获得，本文不再赘述；根据汽轮机热力特性说明书，计算得到λ＝0.6，FHP＝0.265，FLP＝0.735。根据以上确立的参数，可以建立的完整汽轮机模型。

2 模型整体校核

为了确认所建立模型的精确程度，根据文献〔7〕的要求对模型进行整体校核，通过仿真数据与实测数据的比较结果，计算相应的品质参数，最终根据品质参数与规定指标的偏差判断建模的效果。

对建立的模型进行仿真计算，需要在专门的电力系统计算程序中进行。以湖南地区为例，所采用的电力系统计算程序为PSASP。尽管在PSASP中，提供了汽轮机调节系统模型，但其中的电液调节系统模型较为简单，其负荷控制回路结构与该厂4号机组存在较大区别。图8是PSASP中的电液调节系统负荷控制回路模型。

图8中:Kf是控制器的前馈增益，KP是PID控制器的比例系数，KI是PID控制器的积分系数；KD是PID控制器的微分系数。该电液调节模型具有典型的前馈－反馈控制的特点。而该厂4号机组其电液调节系统负荷控制回路模型如图9所示。

比较图8和9可以发现，在图9中功率设定与一次调频增量之和并非作为前馈作用，与PID控制器输出直接相加，而是与其相乘最终生成流量指令，因此无法直接调用PSASP中的内置模型用于仿真计算。利用PSASP的用户自定义建模功能建立了与图9相同电液调节系统的汽轮机调节系统模型，并利用该模型实现了仿真校核。汽轮机闭环频率扰动试验下的仿真曲线与实测曲线的比较如图10，11所示。

根据图10，11计算仿真曲线与实测数据的品质参数，如表3所示。表3中:PHP是高压缸最大功率出力功率，表示阶跃试验中功率快速变化过程达到的最大值减去初始功率的数值；THP是高压缸峰值时间，表示阶跃试验中从阶跃量加入起到功率达到高压缸最大功率出力功率所需时间；ts是功率调节时间。

图10，11及表3表明，在模型整体校核过程中，建立的模型能够较好地反映实际机组的功率响应特性且其品质参数满足文献 〔7〕的要求。

3 结语

利用大唐华银株洲发电有限公司4号机组进行了汽轮机调节系统，实测数据建立了其汽轮机调节系统模型，对模型进行了仿真校核。校核结果表明，该模型能够满足电力系统稳定分析的需要。由于该机组所采用的电液调节系统负荷控制回路模型与PSASP内置模型不同，因此需要利用用户自定义建模功能建立与其结构相同的模型。而某公司提供的电液调节系统负荷控制回路模型具有普遍性，如图9所示，因此本文所建立的电液调节系统模型能够在其他同类型机组上得到有效应用。

〔1〕盛锴，朱晓星.再热凝汽式汽轮机调速系统模型的仿真及验证 〔J〕.热力发电，2014，43(3):87-91.

〔2〕盛锴，刘复平，刘武林，等.汽轮机阀门流量特性对电力系统的影响及其控制策略 〔J〕.电力系统自动化，2012，36 (7):104-109.

〔3〕盛锴.高压汽室蒸汽容积环节模型参数对再热凝汽式汽轮机调速系统仿真校验的影响 〔J〕.华东电力，2012，40(11): 2 049-2 053.

〔4〕盛锴，朱晓星，倪宏伟，等.汽轮机调节系统模型仿真校核技术 〔J〕.中国电力，2013，46(12):52-58.

〔5〕盛锴.基于内模控制的火电机组功率控制系统 〔J〕.热能动力工程，2013，28(6):616-621.

〔6〕盛锴.分散控制系统控制器实时性能的测试方法及应用 〔J〕.电站系统工程，2013，29(5):50-52.

〔7〕DL/T 1235—2013同步发电机原动机及其调节系统参数实测与建模导则 〔S〕.北京:中国电力出版社，2013.

300MW steam turbine governing system modeling research

JIANG Jie-fu
(Datang Huayin Zhuzhou Power Generation Co.，LTD，Zhuzhou 412005，China)

According to themeasured results of the turbine governing system parameter for a certain unit，steam turbine and its actuatormodelswere established.Whenmodeling the DEH control system，itwas found that there were big differences between the power control loop of Digital Electro-Hydraulic(DEH)control system and the built-in models of PSASP.DEH control system model of the unitwas faithfully established by user-defined modeling function in PSASP.The turbine governing system model of the units was completely established.Finally simulation and validation for simulation results of the steam turbine governing system model is realized.

steam turbine governing system；DEH；user-defined modeling；simulation and verification

TM715

A

1008-0198(2014)06-0022-04

姜杰夫 (1976)，男，汉族，学士，工程师，现从事火力发电企业热工专业工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.006

2014-04-14 改回日期:2014-11-26