汽輪機在單機孤網系統狀態下的控制策略研究

陳衛兵

摘要：本文試圖通過建立火電廠汽輪機系統和發電機以及電網的機理性模型對孤網系統進行數值仿真，針對單臺汽輪機帶負荷情況下，無窮大容量電網假設不成立的情形，討論汽輪機控制策略對孤網穩定運行的影響，并提出了適用于特定運行狀態下的汽機控制策略。

關鍵詞：孤網系統；協調控制；頻率穩定

前言：現有大型發電廠的控制策略一般是在假設電網容量為無窮大的前提下設計的，然而在戰爭、自然災害、以及人煙稀少的偏遠負荷區、分布式能源系統等極端狀態下完全有可能出現局部電網解列運行的情況，基于用電安全的考慮，對于此類情形下的電源穩定性研究十分必要，特別是2008年南方冰災對中國電網的破壞后，該類研究受到了廣泛的關注，本文僅針對特定機組容量和電網容量的情形，重點討論頻率穩定性的控制問題。

一：模型建立

1.汽水系統模型。

對于鍋爐燃燒部分根據燃料的燃燒特性用一個慣性環節模擬燃料量與發熱量的間的關系，對汽輪機每個級組看著一個整體，只要算出進出級組前后蒸汽參數值以及蒸汽做功量即可，在實際建模中，針對具有一定尺寸的節點并采用集總參數并應用流量表示時，其質量守恒方程形式為：，能量守恒方程形式為：，穩態動量方程為：，也即是動量方程變為代數方程。

2.電氣系統模型。

電氣系統的模塊化劃分也是根據實際設備來進行的，對每個模塊建立其端口間的微分代數方程，對于發電機采取理想發電機假設，對三相轉動系統進行park變換從而將變化的磁感系數變成常數，線路使用π型模型，負荷使用綜合負荷模型。

數學模型的計算方法：

對于電力系統模型可以用一組微分代數方程表示，為了方便解算，將相關物理量分成狀態量和代數量，將狀態方程寫成的形式，在數值計算過程中將每個算式進行排序，使得程序執行到“=”時，右端項在前面的語句中已經計算過。

二：模型驗證：仿真平臺上模擬實際孤網中，電網負荷從275MW突然切除大部分負荷至68MW情況下的轉速變化情況。將仿真平臺控制參數設置與實際參數一致，仿真結果與實際數據對比發現，轉速峰值相差在3轉/分，峰值時間相差小于1秒，穩態值相差不到2轉/分。相對誤差都小于1%，仿真精度較高。

三：常規控制策略的問題：當電網負荷出現大擾動時，系統頻率出現了大的波動，最高轉速超過3090轉/分，將使得OPC動作，穩定頻率僅為2830轉/分，遠低于額定頻率。

四：原因分析：在發電機并到無窮大電網上，汽輪機使用DEH調節有響應速度快，穩態誤差小的優點，但是當在單機帶電網的情況下，系統頻率對擾動的敏感度要大得多，一臺大型電機的投切，某個低壓支路的故障都有可能造成十幾乃至幾十轉的誤差，如果仍然使用單機無窮大網絡的控制策略和參數整定，則閥門在短時間內就會有較大響應，產生較大超調，甚至出現調門全開全關現象，這種調節可以使系統頻率在很短的時間內第一次經過額定頻率，但是汽機是有慣性的，在經過額定頻率之后誤差會反向，迅速又會出現反調，同樣是出現很大的超調，當系統阻尼不夠的情況下，很容易出現發散振蕩。出現這種情況的原因就是從無窮大網絡變為單機網絡，系統慣性變小，沒有無窮大網絡來維持系統頻率在額定頻率附近，此時系統的慣性主要決定于汽輪發電機組的轉子系統，相對于汽輪機的容量，轉子系統的儲存能要小很多，原來系統是過阻尼，現在變成了欠阻尼。

五：改進措施：借鑒狀態參數控制策略的思路，控制器的輸出除了考慮頻率誤差，還應該考慮功率誤差，由于汽輪機功率不易直接測量，只能通過各級組壓力和流量近似進行計算，負荷功率以發電機功率在近似，通過分析轉速誤差與功率誤差之間的關系發現，功率誤差在擾動出現時要超前頻率誤差，而且功率誤差是出現頻率誤差的原因，因此通過功率誤差來調節閥門比通過轉速來調節更加直接，且能更好地避免功率誤差和轉速誤差反向的情況下，控制器為了減小轉速誤差而將閥門向增大功率誤差的方向調節。對于單機帶負荷的網絡來說，對于頻率偏差的要求沒有那么嚴格，只要轉速能穩定，超速不是太多（3060轉以內），轉速短時間低于正常轉速30%都是可以接受，所以盡早讓功率接近平衡，讓轉速穩定。在汽機調節時，如果以發電機功率為目標負荷，轉速調節的參數調整為對閥位影響非常小，這樣在擾動開始的短時間內，轉速調節的輸出量就很小，主要由功率控制起作用，當功率基本穩定時，再慢慢將轉速調整到接近額定轉速。在同樣的負荷擾動下，更改控制策略后的仿真結果如圖所示：

從結果發現，轉速超速比原來減小了近30轉/分，最低轉速偏移額定轉速減小了約100轉/分，調節效果大大改善，不過從轉速曲線來看，在較大的負荷擾動出現時，系統頻率還是有個明顯的上升，說明即使控制系統給定值為電網功率，由于閥門和汽機的慣性，功率的改變仍然還是有一定的滯后，滯后時間約為兩秒鐘，如果想進一步較小頻率擾動還需要將中亞調門納入控制范圍，這樣可以減小汽機容積效應的慣性。

六：結論：傳統無窮大網絡中的汽機DEH控制策略對于單機帶負荷的網絡控制效果不理想，甚至還不如液壓調節系統，在控制系統功率目標值改為電網負荷并將轉速控制的影響調到較小時，有助于單機帶負荷工況下網絡頻率穩定。

參考文獻：

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