燃气发电机组并网无功调节建模及仿真研究

林 祥

（国家电网有限公司技术学院分公司，山东 济南 250002）

0 引言

燃气轮机是一种结构简单的旋转轮式热力发动机， 其特点在于使用持续流动的气体带动叶轮高速旋转， 并将燃料的能量转变为有用功， 主要由压气机、燃烧室、透平三大部分组成，具有体积小、启动迅速、重量少等优点。

燃气发电机组以其清洁、安全、经济效益高、排放低的优势，在“绿水青山就是金山银山”的节约资源和保护环境的基本国策落实中， 日渐提升了其在电网中的比重。 这同时也使我国的电力网络成为世界上规模最大、最复杂的系统之一。研究电力网络深层的分布结构及其特性， 是进一步解决监督安全和控制优化问题的重点和难点［1］。

无功电压控制对于确保电网整体安全、 稳定运行及其经济效益具有重要的意义， 是组成电网安全的主要部分［2］。 电压是优化配电网、衡量电能质量的关注指标之一， 要保证电压偏移在额定范围内，对无功进行有效控制是重要手段之一。 燃气发电机组启动性能好、启动成功率高，在电压和无功的可靠性要求高时，常常承担调峰调压的作用。 目前，对于燃气发电机组并网无功调节尚待解决的主要问题包括： 如何有效利用现场各智能设备提供的相关参数及调节方式；现有仿真参数精度较低，与实际参数差距较大；仿真模型的准确度和可信度，是否能给现场运行人员提供有效参考； 对无功动态变化过程的模拟和重现。 为了让运行人员对燃气发电机组的并网无功特性有更深入的了解，本文基于MUSE 数字仿真平台， 对燃气发电机的无功调节特性进行了研究， 建立了包含发电机励磁系统、发电机仿真、潮流系统的燃气发变组仿真模型。

1 MUSE数字仿真平台

MUSE（多用户仿真支撑环境）系统是一体化仿真支撑环境软件，用于大型强耦合和细粒度计算，广泛应用于电厂仿真、变电站仿真等，包括实时数据库服务、实时计算引擎、计算机辅助建模系统、操作员终端的运行方式四大部分。 其中计算机辅助建模系统又包含5 个解决方案：流体网络自动建模、控制回路组态、电气网络自动建模、梯形图建模和一般方式的图形组态。

一体化支撑平台软件MUSE 包含了仿真支撑系统软件、教练员站软件、工程师站软件、组态软件、操作员站软件、就地站软件、评分系统软件、DCS 仿真系统软件等各种功能软件。 仿真系统的运算基于高精度的仿真模型，所有模型严格遵守能量守恒、质量守恒、动量守恒三大定律，图形化的建模工具能够对模块按照现场实际参数进行预处理和工况调整。

使用面向对象的图形化建模技术， 实现友好的人机交互。 针对各种不同的控制系统，MUSE 平台拥有一一对应地独创的虚拟DPU 技术，能够对仿真对象实现一比一的模拟，相比于传统的仿真系统，更容易与电厂的实时监控系统相对接。 其灵活的一机多模功能，可以灵活编组，统一管理和监控，对于一套模型， 实际培训时可作为多个虚拟的机组运行为多人同时培训提供了良好的解决方案。

2 燃气发电机组无功调节模型

本文研究对象为F 级改进型热电联产燃气蒸汽联合循环机组，为高效一拖一双轴型。每套机组包括一台燃气轮机、一台燃机发电机、一台蒸汽轮机、一台汽轮发电机、一台无补燃三压再热性余热锅炉、供热调压系统及其相关的辅助设备和控制系统等。 并着重研究了的燃气轮机带燃机发电机部分， 发电机为全氢冷却方式，自并励静止励磁，燃气发电机所有控制均在燃机控制系统中实现， 采用自动准同期方式， 出口断路器和主变高压侧断路器的同期均在相应控制系统中实现。

燃气发电机组无功调节模型按照现场设备，主要构成有：电气潮流系统、发电机励磁系统、燃机发电机等。对燃机发电机定子电流、电压、励磁电压、电流、有功功率、无功功率等进行真实模拟，在额定容量下，发电机转子电流不超过额定值，负序电流不超过额定值的10%，且最大相电流不超过额定值。

2.1 电气潮流系统

电气潮流系统主要用于模拟电网电压变化和电网频率变化对发电机的影响， 电网假设为一个无穷大网，节点与支路相互连接，构成回路。 潮流系统基于潮流方程计算， 其节点的有功功率和无功功率计算如公式（1）-（2）：

式中：Pi和Qi表示节点i注入的有功功率和无功功率；Ui表示节点i的电压幅值；Uj表示节点j的电压幅值；Gij表示节点i和节点j之间的电导；Bij表示节点i 和节点j 之间的电纳，θij表示节点i和节点j之间的电压相角差；H表示与节点i相连所有节点的集合［3］。

2.2 发电机励磁系统

励磁系统能够自动和手动调节， 其跟踪特性和切换过程与实际设备相符，如图1 所示。 发电机端电压Ut经测量环节后与给定的参考电压Uref比较，其偏差ε 进入自动电压调节器， 经综合放大、 移相触发、限幅等环节，输出电压Ur作为主励磁机的励磁电压，并以此控制励磁机的输出电压，即发电机的励磁电压。

图1 励磁系统实用模型框图

根据励磁系统框图及各环节的基本方程式，得出式（3）：

式中：TA表示放大环节时间常数；KA表示放大环节放大倍数；TF表示励磁负反馈环节时间常数；KF表示励磁负反馈环节放大倍数

2.3 燃气发电机

发电机的数学模型能够反映真实的全物理过程，反映发电机的空载特性、短路特性、调节特性和各种负载不同功率因素下的负载特性。 在零轴分量为零的条件下， 由电功率定义可推导得到发电机有功功率为：

发电机无功功率为：

定子电压的幅值为：

定子电流的幅值为：

当同步发电机接在无穷大电网上时，d 轴和q 轴电流为：

式中：Us表示电网电压，Eq表示电势，Xd表示发电机的 d 轴电抗，Xq表示发电机的 q 轴电抗，XL表示线路电抗，id、iq分别表示发电机的d 轴和q 轴电流。

3 实例分析

本文所述基于MUSE 平台的无功调节模型如图2 所示，自右向左、自下向上依次为：燃机励磁变压器及励磁变压器温度计算模块、灭磁开关、发电机静态变频器、励磁整流模块、励磁控制模块、发电机模块，各模块端口相连，构成燃气发电机无功调节模拟系统。

燃机冲转过程之中， 励磁整流模块和励磁控制模块共同模拟作用，为发电机提供励磁电压和电流。燃机控制画面电机启动后，SFC 静态变频器启动，机组转速上升，升速达 2 000 r／min 以上，SFC 装置退出运行，励磁变压器高压开关和低压开关分闸，励磁系统退出。 燃机转速继续上升到2 900 r／min 左右，励磁系统再次投入，发电机升压达额定电压。 燃机转速3 000 r／min，相关检查完成后，通过控制画面使用自动准同期方式进行并网，发电机出口开关正常合闸，燃机带初始负荷15 MW。通过一系列操作缓慢升高负荷，无功投入自动调节，直至有功功率达到250 MW 满负荷，观察并记录该过程中有功功率和无功功率变化情况。

图2 燃机发电机无功调节模拟系统图

表1 为有功功率、 无功功率及发电机功率因数的实际与仿真对应参数。

表1 实际参数与仿真参数对照表

对应实时采集曲线如图3 所示， 其中实线表示发电机有功功率，虚线表示发电机无功功率，从图中可看出，无功功率随有功功率变化而变化，且动作趋势与现场实际一致。

图3 仿真有功功率和无功功率趋势图

4 结束语

本文分析了燃气发电机的无功调节特性和原理，建立了能够准确反映发电机无功调节的模型，包括电气潮流系统、发电机励磁系统、燃气发电机等部分， 以潮流方程等为约束公式， 通过实例仿真的方式，验证了燃气发电机组无功调节模型的仿真精度，该模型算法已成功运用于多个燃机仿真项目。