基于PSD—BPA和Simulink的汽轮机调节系统建模与仿真校核

梁超

【摘 要】汽轮机调节系统模型是电力系统稳定分析的基础数据，以某电厂1号机组为研究对象，对其调速器系统模型参数进行辨识。本文采用基于PSD-BPA的模型参数辨识方法，并利用Matlab及其Simulink工具箱予以实现。通过实例证实，基于PSD-BPA和Simulink的模型可很好对汽轮机调速系统模型参数进行仿真校核，取得了一定的效果。

【关键词】调速系统 参数辨识 Simulink工具箱 PSD-BPA

近年来，我国电网发展迅速，电网的装机容量与规模越来越大，保证电网的稳定性是近年来重点关注的课题[1-2]。汽轮机调速系统在汽轮机实际运行控制中起着非常重要的作用，其特性直接影响机组的稳定性。对汽轮机组的调速系统进行试验及辨识研究是十分必要的。本文利用Matlab/simulink工具箱及电力系统潮流及暂态稳定程序PSD-BPA的联合仿真建模方法，实现了对复杂协调控制系统的汽轮机调节系统的建模和仿真校核[3-4]。

1 模型分析

在电力系统潮流及暂态稳定程序PSD-BPA中，用于稳定计算用的汽轮机及其调节系统模型主要由电液伺服机构、汽轮机模型和电液调节系统几部分组成。其中，电液调节系统需要调整阀位指令时可依据控制方式和控制目的来调节；电液伺服机构是用来控制进入汽轮机的蒸汽流量，而这是通过阀位指令改变执行器（汽轮机调节汽门）的开度来实现的；蒸汽流量在汽轮机内膨胀做功为机械功率，而机械功率经发电机转换为电磁功率最终进入电网[5]。

1.1 电液伺服机构

控制系统中电液执行机构的结构框图见图1。图中PN：原动机额定输出功率MW；TC：油动机关闭时间常数s；TO：油动机开启时间常数s；VELopen、VELlose：过速开启、关闭系数（标么值）；PMAX、PMIN：原动机最大、最小输出功率（标么值）；PCV：阀位指令值；PGV：调门开度；T2：LVDT变送器时间常数s；KP：电液转换器PID比例环节倍数；KD：电液转换器PID微分环节倍数，KD=TD （s）；KI：电液转换器PID积分环节倍数，KI=1/TI （1/s）；INTG_MAX、INTG_MIN：电液转换器PID积分环节限幅上限、下限；PID_MAX、PID_MIN：PID输出限幅环节的上限、下限。

1.2 汽轮机模型

图2为汽轮机正常运行时的结构，图3汽轮机正常运行时的模型。图3中TCS：高压调门后和调节级汽室蒸汽容积时间常数s；TRH ：中间再热蒸汽容积时间常数s；TCO：低压连通管蒸汽容积时间常数s；FHP、FIP、FLP：高、中、低三缸所占整机的功率百分比，又称功率系数，满足：FHP+FIP+FLP=1；：高、中压缸功率自然过调系数。

1.3 电液调节系统

图4为调速器传递函数模型，图中PCV：阀位指令值；PM：汽轮机转子的机械功率输出（实际为电功率），相对值；：转速变送器时间常数s；ε：迟缓率；K：转速偏差放大倍数。由图可知，该电液调节系统的控制方式包括：1）调节级压力反馈控制；2）纯转速调节，负荷开环给定控制（PREF为负荷给定）；3）负荷反馈控制（正常工作模式）。

2 模型参数辨识

2.1 现场试验

某厂1号汽轮机是哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的CJK350/275-24.2/0.64/566/566型超临界凝汽式汽轮机，配以哈尔滨电机厂生产QFSN-350-2型发电机。DEH数字式电液调节系统及DCS系统采用的是国电智深EDPF-NT+。

现场试验包括静态试验和动态试验两部分，静态试验为机组停机情况下完成，动态试验为机组带负荷完成。

2.2 PSD-BPA简介

潮流程序的计算方法采用P-Q分解法，与牛顿-拉夫逊算法相结合。利用matlab及其simulink工具箱实现此算法的调速系统参数辨识原理如下：

首先，利用matlab/simulink工具箱建立未知参数的系统模型；然后将现场采样得到的激励信号加入到模型中的相关输入点，为了提高收敛性，通常是先采用P-Q分解法进行初始迭代，然后再转入牛顿-拉夫逊法求解。最终获得最小的最优模型参数。

2.3 模型仿真校核

以某厂1号机并网负荷扰动试验数据作为辨识数据，根据现场实测结果，PSD-BPA程序用户应选用TB卡，模型框图如图5所示，利用PSD-BPA及Simulink对图5所包含的未知参数进行优化计算后的辨识结果如表1所示。

仿真时选取了CCS方式有功功率下阶跃扰动试验的数据。实测发电机功率与仿真系统输出的对比图如图6所示。而实测与仿真结果的误差表如表2所示，由表可见，仿真结果与实测数据之间误差满足要求，获得较高的仿真精度，可以满足科研的需要。

3 结语

通过对某电厂1号汽轮机调速系统模型参数仿真校核，得到了该机组调速系统的调节特性参数，此方法对于仿真研究等方面的研究都具有一定的参考价值。并且，与传统的参数辨识方法相比，基于PSD-BPA和Simulink的参数辨识方法在仿真校核时容易实现，计算速度较快且精度高，同时可在一定程度上解决传统方法在进行汽轮机调速系统参数辨识时遇到的困难，这对开展类似工作具有很好的实用性。

参考文献：

[1]唐胜利，朱慕铨，何祖威.200MW汽轮机调速系统试验及仿真分析[J].汽轮机技术，1998，40（3）：23-25.

[2]宋新立，刘肇旭，李永庄等.電力系统稳定计算中火电厂调速系统模型及其应用分析[J]. 电网技术，2008，32（23）：44-49.

[3]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）：616-622.

[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]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].