调速器建模调频辨识

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1引言

电力系统是一个庞大而复杂的系统，其分析的基本工具是数字仿真软件。目前电力系统仿真软件已具备详细仿真电力系统运行的可能性，但缺少仿真对象的模型和参数。具体到原动机及调速器模型，很多研究工作使用的是典型模型及未经实际验证的“典型值”。在研究系统暂态稳定时，由于仿真时间短，使用典型模型及参数并不会带来很大影响。但对于目前超大规模电力系统所面临的新课题，这可能会造成相当大的误差。例如，2001年美国西部电力联合体（WesternElectricityCoordinatingCouncil，WECC）进行了两次测试[1,2]。在关掉所有发电机AGC的情况下，通过跳开750MW及1250MW的发电容量，测试系统中现有的原动机及调速器模型的准确性。测试表明，使用旧模型仿真所得到的频率，与实测频率有较大差距，且实测频率较低，即旧模型及参数过于乐观。文献[3]也指出，在电力系统发生频率降低的事故中，仿真得出的机械功率比实测值约高出50%。又如，我国华北、华中、山东电网联网后，区域间低频振荡的频率将可能降低至0.1～0.2Hz[4]，若通过时域仿真来考察该模式的特点，就需要计算数十秒的时间，此时原动机及调速器的影响将不可忽略；建设特高压电网后形成的“三华”电网（华北、华中、华东）、南方电网等均为交直流混联的电网，当直流输电系统发生换相失败、闭锁等故障时，有功功率缺额巨大，这类失去大电源后的低频减载问题直接取决于原动机及调速器的响应。因此，需要使用符合实际的模型及参数，否则仿真结果将与系统实际响应不符。有鉴于此，国内外的电力企业都已经或将要进行原动机及调速器的实测建模工作。WECC根据其在2001年的测试结果，提出了一种新模型（GGOV1），同时获得了实测的参数。国内各大区电网和大部分省网也已开展了电力系统4大参数的测试工作，目前大多已完成了发电机参数测试和励磁系统参数测试，部分省市已进行了原动机及调速器的建模和参数辨识[5-7]，国内学术界对于原动机及调速器的研究也取得了相当大的成果[8-11]。本文提出了一种新的原动机及调速器模型。因该模型是在进行原动机及调速器的实测建模过程中，对其响应特性进行总结归纳而建立的，故称之为响应特性模型。本文首先介绍了燃煤机组的一次调频功能。其次，分析了原动机及调速器在转速阶跃试验时的典型响应特性，据此建立了响应特性模型，并指出了该模型的适用范围。应用响应特性模型及单纯形算法[12]，对某电厂的转速阶跃试验数据进行了参数辨识，并利用实际系统发生大扰动时的数据进行了校核。与各实测曲线的对比表明，采用该模型仿真符合机组的实际响应。最后，给出了典型机组的模型参数库。

2燃煤机组的一次调频功能

目前，超临界及超超临界机组普遍应用协调控制系统（CoordinatedControlSystem，CCS）进行锅炉与汽轮机的控制[13,14]。CCS中具有一次调频功能，而汽轮机数字化电气及液压（DigitalElectricHydraulic，DEH）控制系统中也具有一次调频功能。二者结合在一起时，有多种配合方式[15]，经现场试验证明，如下调节方式具有较好的效果：令DEH侧使用功率开环控制，当机组转速发生变化时，DEH根据变化量的大小，按比例改变阀门开度；令CCS侧功率闭环，即当一次调频结束后，功率的变化量|ΔP|等于转速的变化量|Δω|乘以转速不等率K，即当机组转速发生变化时，首先通过DEH功率开环控制功能，按照偏差大小按比例开启或关闭汽轮机阀门，利用蓄热来达到快速改变汽轮机机械功率的效果；同时，CCS通过内置的转速不等率函数改变负荷设定值，以防止反调，同时将改变后的负荷设定值送至锅炉，以保证持续的热量供应，保持稳定的一次调频功率输出。

3原动机及调速器的典型响应特性

3.1燃煤机组的响应特性燃煤机组原动机及调速器的正常运行方式为协调控制方式。在该方式下进行转速阶跃试验，即从某时刻开始，人为设定DEH所测得的转速为一事先给定的转速。通过分析已做过转速阶跃试验的所有机组的响应特性，发现在扰动之后的60s内，有功功率的变化趋势按时间顺序可分成三段，即快速变化段、慢速变化段和功率拉回段。转速阶跃试验的典型试验结果如图1所示。从图1可以看出：第一阶段（转速发生阶跃后的0～3s左右），机组的响应相当快。这是因为汽轮机DEH内部开环的一次调频功能，在检测到转速发生偏差以后，立即开启（或关闭）阀门。阀门的动作很快，其时间常数一般在0.3～0.6s，因此机组功率就会快速变化。此时功率的增加主要依靠高压缸的蓄热。图2为典型的高压调节汽门开度变化曲线，可见在很短的时间内高压调节汽门就已完成了响应，达到了新的稳态值。第二阶段（转速发生阶跃后的3～30s左右），约占机组功率2/3的中、低压缸开始响应，释放蓄热。中、低压缸位于中间再热器之后，而中间再热器的时间常数一般为10～20s，故这一阶段功率的响应较慢。第三阶段（转速发生阶跃后的30～60s左右），机组功率会向初始值方向拉回。这主要是因为主蒸汽压力的变化。若阀门开启，则会导致主蒸汽压力下降，锅炉的惯性时间常数较长（100～200s），短期内无法通过增加燃料供给阻止压力下滑，因而蒸汽做功能力随之降低，机械功率下降。图3为阀门开启后，主蒸汽压力的典型变化曲线。同样，若阀门关闭，则会导致主蒸汽压力上升，由于锅炉的惯性，短期内无法通过减少燃料供给阻止压力升高，蒸汽做功能力增加，机械功率回升。其他可能导致功率向初始值方向拉回的原因尚有：（1）若压力下滑（或上升）幅度过大，汽轮机主控的压力控制模块可能会发出减小（或增加）阀门开度的指令，以期能够减小（或增加）输出功率，维持压力。（2）某些机组上的CCS有输出速率限制，若参数整定不当，会与DEH的一次调频功能发生冲突。即如果DEH的响应速度比CCS快，可能导致CCS将功率拉回。

3.2燃气轮机的典型响应特性对于燃气轮机，其典型响应特性也呈现出三段的特点。某燃气轮机在转速发生阶跃时的响应如图4所示。燃气轮机的机理与燃煤机组不同，其功率拉回不是因为蒸汽压力的降低，而是因为燃气轮机一般均带有负荷控制器，其功能为在扰动发生一段时间后，将功率拉回到初始值。

4原动机及调速器的响应特性模型

根据燃煤机组和燃气轮机在转速阶跃试验中的典型响应特性，可采用3个环节来分别模拟响应特性的3段曲线。即用一个输入

信号为转速偏差（经死区、限幅处理）的一阶惯性环节来实现快速变化段（T1取较小值），用另一个输入信号为转速偏差（经死区、限幅处理）的一阶惯性环节来实现慢速变化段（T2取较大值），再用一个输入信号为功率差的积分环节来实现功率拉回段。这样可得到响应特性模型的结构如图5所示。图中，K1、K2、K3、T1、T2均为待辨识的参数；ω为转速，ω0为转速参考值；Pe为电功率，P0为功率的参考值；ωmax为最大转速差，ωmin为最小转速差，ε为死区；Pmax为最大有功功率，Pmin为最小有功功率，Pm为机械功率。

5响应特性模型的适用范围

响应特性模型是在分析燃煤机组与燃气轮机典型响应特性的基础上提出的，因而适用的机组类型为燃煤机组与燃气轮机。响应特性模型适用的时间段为发生扰动后60s以内。若时间超过60s且足够长，则由于积分环节的作用，会将电功率重新拉回到扰动发生前的初始值。这对燃气轮机可能是合理的，对燃煤机组却不一定合理。因为对于一个CCS及DEH能够协调工作的机组，随着时间的推移，锅炉响应完成后，功率的变化量能够达到式（1）所规定的值。例如考察的时间延长到10min，机组功率的变化呈现出先升、后降、再升的特点（转速低于3000r/min的情况），如图6所示。

6响应特性模型应用示例

对某600MW机组进行了两次转速阶跃试验，见表1。若已知响应特性模型结构、输入量（转速的阶跃变化量）以及输出量（机械功率随时间变化的曲线），就能使用各种优化算法辨识参数。本文使用单纯形算法进行参数辨识，其详细介绍参见文献[12]。目标函数（误差）定义为仿真曲线与实测曲线的平均偏差除以仿真期间实测功率的最大变化量（曲线的最高点与扰动前的稳定值之差），即式中，e为目标函数的值（误差值）；T为仿真时间长度；Psim(t)为仿真值；Pmes(t)为实测值，|ΔPmax|为实测功率的最大变化量。辨识所得的响应特性模型参数见表2，其中Pmax以及Pmin均以发电机额定容量为基准值。仿真曲线与实测曲线的对比如图7、图8所示。辨识完成后，试验1的误差为3.70%，试验2的误差为5.56%，均在可接受的范围。转速阶跃试验完成以后，在该600MW机组所处的电网中，通过切除一台1000MW机组进行了频率大扰动试验，以校核模型及参数的正确性。为保证该600MW机组的响应足够大，试验前将死区修改为0.000333（即1r/min）。试验期间，记录其转速、功率等数据。然后构造了一个单机无穷大系统，该600MW机组作为“单机”，并使用图5所示的响应特性模型及表2的参数（其中死区改为0.000333）。自第10s开始，将实测的转速作为响应特性模型的输入信号，即令图5中的ω为实测值。对比该机组功率的仿真曲线与实测曲线，如图9所示，依照式（2）算得的误差为5.21%。从上述3次试验可见，采用响应特性模型并结合实测的参数，在定性与定量两方面，均能较好地模拟实际原动机及调速器的响应特性。

7典型机组的模型参数库

对某省电网内各种容量的典型机组均进行了转速阶跃试验，参数辨识结果见表3。各次试验的误差均在10%以内，限于篇幅，曲线的对比不再给出。

8结论

本文分析了燃煤机组及燃气轮机在转速阶跃试验中所表现出来的动态特性，据此提出了一种新的原动机及调速器模型，称之为响应特性模型。利用转速阶跃试验的实测数据，通过优化算法辨识了若干典型机组的参数。使用该模型并结合实测的参数，能够较好地模拟原动机及调速器的动态特性，并能