本發(fā)明涉及一種用于一次調(diào)頻分析的鍋爐、汽輪機、電網(wǎng)三方協(xié)調(diào)控制的超臨界及超超臨界機組協(xié)調(diào)控制模型。

背景技術(shù)：

開發(fā)清潔能源，提高化石能源轉(zhuǎn)化效率是當今趨勢。在這種發(fā)展趨勢下，小容量火電機組由于發(fā)電煤耗高、能源利用率低逐漸退出運行，大容量、高參數(shù)的超臨界及超超臨界機組正在推廣運行。然而，超臨界及超超臨界機組中水的狀態(tài)參數(shù)達到臨界點時(壓力22.129MPa、溫度374.15℃)，汽密度與水密度相等，汽包鍋爐的自然循環(huán)在超臨界下不適用，使得直流鍋爐成為超臨界及超超臨界機組的唯一型式。

直流鍋爐和汽包鍋爐的結(jié)構(gòu)具有差異。超臨界和超超臨界鍋爐是由受熱管道所組成，沒有大氣包。主汽閥開度在控制汽輪機功率的同時，反過來影響直流爐出口處的阻力特性，由于缺乏汽包的緩沖，動態(tài)特性受主汽閥開度的影響遠遠大于汽包爐，因此，直流鍋爐的被控特性與汽包鍋爐完全不同。直流鍋爐由于鍋爐的蓄熱相對較小，對擾動較敏感，使得機、爐之間耦合嚴重，從而使主汽壓力大幅度變化，既降低了控制質(zhì)量，又增加了直流鍋爐運行的風險。

因此，在傳統(tǒng)的一次調(diào)頻控制策略下，隨機負荷波動所引起的主蒸汽壓力和溫度的波動會對超臨界及超超臨界機組運行產(chǎn)生非常不利的影響。

傳統(tǒng)的機網(wǎng)協(xié)調(diào)的重點是關(guān)注發(fā)電機組而較少考慮鍋爐，一方面要求電網(wǎng)各種電氣設(shè)備和保護裝置、安全自動裝置或安全自動控制系統(tǒng)，應和發(fā)電機的各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)、保護裝置相配合，從而最大限度的保證發(fā)電機的安全運行；另一方面要求發(fā)電機的各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)、保護裝置與電網(wǎng)的自動裝置相協(xié)調(diào)，保證電網(wǎng)的安全。嚴格來說單元機組應該包括鍋爐，但是從電網(wǎng)運行角度看，與電網(wǎng)直接互聯(lián)的是汽輪機組。所以電網(wǎng)和汽輪發(fā)電機組之間的關(guān)聯(lián)互動在機網(wǎng)協(xié)調(diào)中備受重視，而忽視了鍋爐的安全和動態(tài)特性。

傳統(tǒng)的機爐協(xié)調(diào)控制指的是當外界負荷變化時，將功率變化指令同時發(fā)給鍋爐及汽輪機控制系統(tǒng)，對調(diào)節(jié)閥開度及鍋爐進行同步調(diào)整，協(xié)調(diào)控制。其控制的核心思想是提高機組對電網(wǎng)負荷變化的響應速度，并未充分考慮大容量高參數(shù)機組在響應負荷波動時造成的鍋爐氣壓波動。

由以上分析可知，傳統(tǒng)的機網(wǎng)協(xié)調(diào)和機爐協(xié)調(diào)的控制重點是汽輪發(fā)電機組與電網(wǎng)，一次調(diào)頻控制回路中僅體現(xiàn)了對電網(wǎng)頻差的負反饋控制策略，并未考慮對鍋爐的影響，從而存在較大的安全隱患。特別是隨著超臨界和超超臨界機組的發(fā)展，如果在一次調(diào)頻控制中不考慮鍋爐的特性，將會給大容量高參數(shù)火電機組參加一次調(diào)頻帶來很大阻力，不利于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)的機網(wǎng)協(xié)調(diào)和機爐協(xié)調(diào)的控制重點是汽輪發(fā)電機組與電網(wǎng)，一次調(diào)頻控制回路中僅體現(xiàn)了對電網(wǎng)頻差的負反饋控制策略，并未考慮對鍋爐的影響，從而存在較大的安全隱患，為了滿足電網(wǎng)安全運行要求的同時，又能夠讓大容量高參數(shù)發(fā)電機組安全高效的運行，進而提供用于鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型。

本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：步驟一：建立反映超臨界及超超臨界機組中直流鍋爐機理模型:直流鍋爐動態(tài)考慮燃燒系統(tǒng)、水冷壁和過熱器，依據(jù)工質(zhì)能量平衡方程、工質(zhì)質(zhì)量平衡方程、工質(zhì)動量平衡方程，直流鍋爐機理模型，

工質(zhì)從省煤器流出后，進入水冷壁，經(jīng)過水冷壁后，工質(zhì)由水變成蒸汽，水冷壁出口為微過熱點；水冷壁內(nèi)工質(zhì)在運行中，滿足能量平衡方程、質(zhì)量平衡方程，

水冷壁內(nèi)工質(zhì)能量平衡方程：

水冷壁內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量平衡方程：

式中，V₁為直流鍋爐水冷壁的容積，單位為m³，h₁為水冷壁中工質(zhì)的平均焓值，單位為J/kg，ρ₁為水冷壁中工質(zhì)的平均密度，單位為kg/m³，G_in為給水流量，單位為kg/s，h_in為給水焓值，單位為J/kg，G_jian為水冷壁出口處微過熱點的工質(zhì)流量，單位為kg/s，h_jian為水冷壁出口焓值，單位為J/kg，Q₁為水冷壁工質(zhì)單位時間的吸熱量，單位為J/s，

解水冷壁方程，由式(2)可得

對式(1)展開可得

式(4)移項可得

h₁為水冷壁平均焓值，取水冷壁入口焓值h_in與水冷壁出口焓值h_jian的平均值，水冷壁中工質(zhì)的平均密度ρ₁取水冷壁入口密度ρ_in與出口密度ρ_jian的平均值，即：

h₁＝(h_in+h_jian)/2 (6)

ρ₁＝(ρ_in+ρ_jian)/2 (3)

在直流鍋爐的運行中，雖然水冷壁軸向各點工質(zhì)的焓值不同，但在動態(tài)中，各點的變化率相等，平均值的變化率可以用任意一點的變化率來表征，水冷壁出口處焓值h_jian和工質(zhì)密度ρ_jian的變化率等于平均值h₁和ρ₁的變化率，即：

由水冷壁方程式(1～9)，求解出水冷壁方程，建立水冷壁模型；

鍋爐的過熱器入口壓力P_jian和主蒸汽壓力P_t的壓力的差同主蒸汽流量G_t之間存在平方根關(guān)系，過熱器溫度控制中，減溫水取自鍋爐給水，所以噴入過熱器的減溫水焓值為h_in，在過熱器中噴減溫水，減溫水焓值與給水焓值相同，進而控制主蒸汽溫度，過熱器內(nèi)工質(zhì)滿足質(zhì)量平衡方程、能量平衡方程、動量平衡方程

過熱器內(nèi)工質(zhì)能量平衡方程：

過熱器內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量平衡方程：

過熱器內(nèi)工質(zhì)動量平衡方程：

式中，V_s為過熱器內(nèi)蒸汽體積，單位為m³，h_s為過熱器蒸汽平均焓值，單位為J/kg，ρ_s為過熱器蒸汽平均密度，單位為kg/m³，G_j為減溫水流量，單位為kg/s，G_t為主蒸汽流量，單位為kg/s，h_t為主蒸汽焓值，單位為J/kg，Q_s為過熱器內(nèi)蒸汽單位時間的吸熱量，單位為J/s，P_jian為微過熱點蒸汽壓力，單位為Pa，P_t為主蒸汽壓力，單位為Pa，K_sh為過熱器管道的阻力系數(shù)，單位為N·s²/(kg²·m²)，

解過熱器方程，由式(2)可得

對式(10)展開可得

式(15)移項可得

h_s為過熱器焓值平均值，取過熱器入口焓值h_jian與過熱器出口焓值h_t的平均值，過熱器體積V_s是常數(shù)，過熱器中工質(zhì)的平均密度ρ_s取過熱器入口密度ρ_jian與過熱器出口密度ρ_t的平均值，即：

h_s＝(h_t+h_jian)/2 (17)

ρ_s＝(ρ_t+ρ_jian)/2 (18)

由過熱器方程式(10～18)，求解出過熱器方程，建立過熱器模型，

燃燒系統(tǒng)有一定的延時和慣性，煤量指令下達后，磨煤機開始動作，經(jīng)過一定的延時和慣性，才會變成煤量的實際值，電廠實際控制中，有專門控制單元協(xié)調(diào)燃煤量與給風量，將燃煤量作為變量，鍋爐燃燒放出的熱量用傳遞函數(shù)可以表示為：

式中，Q為燃燒系統(tǒng)放熱量，單位為J，τ為燃燒系統(tǒng)延遲時間常數(shù)，單位為s，T_c為燃燒系統(tǒng)慣性時間常數(shù)，單位為s，K為常系數(shù)，μ_B為燃燒率指令，單位為p.u.，

煤燃燒所釋放出的熱量Q，一部分熱量Q₁用于加熱鍋爐水冷壁內(nèi)的水，使之變成蒸汽，另一部分熱量Q_s用于加熱過熱器中的工質(zhì)，使微過熱蒸汽變成過熱蒸汽，因此，Q＝Q₁+Q_s，若Q₁＝nQ，則Q_s＝(1-n)Q，運行中Q會發(fā)生波動，水冷壁與過熱器吸熱的比例保持恒定，比例系數(shù)n恒定，

直流鍋爐整體輸入為燃燒率指令、給水流量、減溫水流量，此外，汽輪機調(diào)節(jié)閥流量與鍋爐入口焓值也會影響鍋爐動態(tài)，直流鍋爐整體輸入出為主蒸汽壓力、主蒸汽溫度及微過熱點焓值，

直流鍋爐模型包括鍋爐燃燒系統(tǒng)、水冷壁、過熱器，燃燒系統(tǒng)釋放總熱量為Q，傳遞到水冷壁熱量為Q_l，傳遞到過熱器熱量為Q_s,依據(jù)過熱器動量式(12)，水冷壁出口流量G_jian由壓力差決定，水冷壁的出口焓值即為過熱器的入口焓值，主蒸汽流量G_t的信號來自于汽輪機模型，燃燒率指令μ_B、給水流量G_in、減溫水流量G_j由鍋爐控制器給出，輸出信號反映單元機組的狀態(tài)通過鍋爐控制器的輸入，直流鍋爐機理模型；

步驟二：建立超臨界及超超臨界直流鍋爐控制器模型：

超臨界直流鍋爐控制量主要是燃燒率、給水、減溫水，高壓缸出口處蒸汽壓力P_tj與主蒸汽壓力P_t的比值準確反映鍋爐的能量需求，該信號是燃燒控制、給水控制主要的信號，

燃燒率控制時依據(jù)鍋爐能量需求信號P_tj/P_t，另外，主蒸汽壓力是鍋爐能量的代表，反映鍋爐能量高低，因此，主蒸汽壓力偏差也作為鍋爐燃燒率控制所依據(jù)的信號，經(jīng)過PID控制后與鍋爐能量需求信號共同調(diào)節(jié)燃燒率的大小，

鍋爐給水最主要的控制信號是P_tj/P_t，同時受主蒸汽溫度偏差值、微過熱點焓值信號偏差值影響，

依據(jù)主蒸汽溫度偏差值進行減溫水控制，使得主蒸汽溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)，進而完成超臨界及超超臨界直流鍋爐控制器模型的建立；

步驟三：建立汽輪機一次調(diào)頻模型：

用于一次調(diào)頻分析的汽輪機模型為線性模型，動態(tài)特性用傳遞函數(shù)來表示，在汽輪機與直流鍋爐耦合的環(huán)節(jié)為主蒸汽流量調(diào)節(jié)閥門，即為主蒸汽閥門開度及主蒸汽壓力，汽輪機模型包含主蒸汽流量及主蒸汽壓力，

一次調(diào)頻通道

閥門開度指令R_t與閥門的實際開度S_z之間的傳遞函數(shù)為一階慣性，汽輪機調(diào)節(jié)閥流量G_t與汽輪機機械功率P_M之間的傳遞函數(shù)為一階慣性，機械功率、電功率之差(P_M-P_L)與轉(zhuǎn)差之間的傳遞函數(shù)為一階慣性，即軸的慣性，

主蒸汽流量

依據(jù)氣體流過主汽閥流體力學原理，主蒸汽流量與主蒸汽壓力和主汽閥開度的乘積成正比，

G_t＝k_vP_tS_z (20)

式(20)中，G_t為主蒸汽流量，單位為kg/s，P_t為主蒸汽壓力，單位為Pa，S_z為閥門開度，單位為p.u.，k_v為常系數(shù)，

在機爐耦合關(guān)系中，主蒸汽壓力影響流過主汽閥的流量，進而影響汽輪機功率，同時，汽輪機主汽閥流量會影響鍋爐動態(tài)，即鍋爐與汽輪機的相互耦合關(guān)系，

汽輪機一次調(diào)頻模型的輸入為主蒸汽壓力、主汽閥開度指令和電機的電功率，輸出為轉(zhuǎn)差及汽機調(diào)節(jié)閥流量，建立汽輪機一次調(diào)頻模型，

步驟四：建立包含不同類型機組的電力系統(tǒng)調(diào)頻模型：

若系統(tǒng)中的超臨界及超超臨界機組均采用鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型，則驗證鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型的效果，即對調(diào)頻的改善效果，建立包含不同類型機組的電力系統(tǒng)調(diào)頻模型，

用于一次調(diào)頻分析的模型采用剛性集結(jié)模型，電力系統(tǒng)一次調(diào)頻時間尺度為秒級，在該時間尺度下，機組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)是同步的，各個點的電力系統(tǒng)頻率一致，電網(wǎng)頻率決定于系統(tǒng)內(nèi)所有機組的功率之和及電力系統(tǒng)總負荷，即電力系統(tǒng)是剛性集結(jié)的，

在系統(tǒng)中，不同類型的發(fā)電機組一次調(diào)頻模型不同，針對一次調(diào)頻的功率通道，將模型分為以下5種模型：純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)汽輪機、中間再熱式汽輪機、功頻調(diào)節(jié)汽輪機、水輪機、鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制汽輪機，

純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)汽輪機

純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式下，汽輪機頻率偏差信號通過一次調(diào)頻控制通道反饋到閥門，控制通道的比例系數(shù)為1/δ，與給定值求和后作為蒸汽閥門的指令信號，進而通過執(zhí)行機構(gòu)控制閥門的開度，閥門控制信號經(jīng)過執(zhí)行機構(gòu)、容積效應環(huán)節(jié)后，與擾動相疊加作為轉(zhuǎn)子慣量環(huán)節(jié)的輸入，轉(zhuǎn)子慣量環(huán)節(jié)輸出頻率偏差信號，純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的功率沒有閉環(huán)，功率并非可控，

功頻調(diào)節(jié)汽輪機

為了使汽輪機的功率跟蹤功率給定，將電功率反饋到控制回路中，在純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，測量發(fā)電機輸出的電功率，進而反饋到輸入給定處，與給定、一次調(diào)頻量求和后作為汽輪機的閥門控制信號，閥門控制信號經(jīng)過PI環(huán)節(jié)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、容積效應環(huán)節(jié)后，與擾動相疊加作為轉(zhuǎn)子慣量環(huán)節(jié)的輸入，轉(zhuǎn)子慣量環(huán)節(jié)輸出頻率偏差信號，

中間再熱式汽輪機

中間再熱式汽輪機中的蒸汽經(jīng)過高壓缸做功后會返回到鍋爐中再熱，隨后進入中壓缸、低壓缸做功，其中執(zhí)行機構(gòu)特性為較小時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，經(jīng)過高壓調(diào)節(jié)閥的工質(zhì)經(jīng)過容積后進入高壓缸，蒸汽要經(jīng)過再熱器容積后再進入中壓缸、低壓缸，再熱器容積效應也等效為慣性環(huán)節(jié)

水輪機

采用機械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用并聯(lián)型PID調(diào)速器，PID參數(shù)K_p＝5.185、K_i＝0.988、K_d＝3.333，T_a為軸慣性時間常數(shù)，T_b為負荷的慣性時間常數(shù)，工程實際中，T_b范圍為T_b＝(0.24～0.30)T_a，取T_b＝0.27T_a，

步驟五：修正汽輪機功率給定信號:

在鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型中加入一個控制器，其輸入為主蒸汽壓力偏差信號ΔP_t和頻差信號Δf，其輸出與汽輪機功率給定信號相疊加，根據(jù)模型使用者設(shè)置和調(diào)節(jié)該控制器的參數(shù)，實現(xiàn)保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的前提下，充分利用鍋爐的能量的目標，既使火電機組充分參與調(diào)頻，又使超臨界直流鍋爐主蒸汽壓力趨于平穩(wěn)，

頻率偏差信號Δf信號反映電網(wǎng)能量大小，使鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型應對電網(wǎng)側(cè)功率頻繁變動，主蒸汽壓力偏差信號ΔP_t信號反映直流鍋爐能量高低，且便于測量，相當于在原來的功率給定值R_t之上增加了一個修正量，該修正量既能反映鍋爐能量的高低，又能體現(xiàn)電網(wǎng)能量的高低，進而完成鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明建立了一個把鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)看作一個控制對象來研究一次調(diào)頻控制方法的超臨界及超超臨界機組仿真模型，該模型能夠依據(jù)鍋爐動態(tài)能量的高低以及電力系統(tǒng)頻率的高低控制有功功率。具體地，當電網(wǎng)頻率較低時，可以利用主蒸汽壓力偏高的機組參與調(diào)頻，電網(wǎng)頻率較高時，可以利用能量偏低的機組參與調(diào)頻，既提高鍋爐能量利用率又使超臨界機組充分參加一次調(diào)頻，達到網(wǎng)源雙贏，在電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上，分別增加了直流鍋爐主蒸汽壓力反饋信號和電網(wǎng)頻率偏差反饋信號，構(gòu)成了一個帶有特殊信號借口的超臨界及超超臨界機組標準數(shù)學模型。主蒸汽壓力信號反映了當前鍋爐能量的高低，電網(wǎng)頻率偏差信號反映了電網(wǎng)的能量狀態(tài)。針對不同的網(wǎng)源能量狀態(tài)，可以在模型中設(shè)計不同的控制器來調(diào)整一次調(diào)頻控制策略，使得新控制策略既對鍋爐主蒸汽壓力恢復有益，又對頻率恢復有益。

附圖說明

圖1是汽包鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是直流鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是超臨界機組物理模型，圖4是超臨界直流鍋爐整體模型，圖5是水冷壁、過熱器、燃燒系統(tǒng)信號與工質(zhì)能量平衡方程、工質(zhì)質(zhì)量平衡方程、工質(zhì)動量平衡方程關(guān)系，圖6是水冷壁模型求解圖，圖7是過熱器模型求解圖，圖8是汽輪機一次調(diào)頻模型，圖9是汽輪機一次調(diào)頻數(shù)學模型，圖10是中間再熱式汽輪機數(shù)學模型，圖11是一次調(diào)頻分析的水輪機傳遞函數(shù)框圖，圖12是鍋爐、純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)汽輪機、中間再熱式汽輪機、功頻調(diào)節(jié)汽輪機、水輪機和電網(wǎng)協(xié)調(diào)的汽輪機電力系統(tǒng)調(diào)頻模型，圖13是修正功率指令法原理示意圖，圖14是電網(wǎng)能量平衡狀態(tài)下的主蒸汽壓力信號與頻差信號仿真圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖1-圖13說明本實施方式，本實施方式所述用于鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型，所述模型是通過以下步驟實現(xiàn)的：

步驟一：建立反映超臨界及超超臨界機組中直流鍋爐機理模型:直流鍋爐動態(tài)考慮燃燒系統(tǒng)、水冷壁和過熱器，依據(jù)工質(zhì)能量平衡方程、工質(zhì)質(zhì)量平衡方程、工質(zhì)動量平衡方程，直流鍋爐機理模型，

工質(zhì)從省煤器流出后，進入水冷壁，經(jīng)過水冷壁后，工質(zhì)由水變成蒸汽，水冷壁出口為微過熱點；水冷壁內(nèi)工質(zhì)在運行中，滿足能量平衡方程、質(zhì)量平衡方程，

水冷壁內(nèi)工質(zhì)能量平衡方程：

水冷壁內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量平衡方程：

式中，V₁為直流鍋爐水冷壁的容積，單位為m³，h₁為水冷壁中工質(zhì)的平均焓值，單位為J/kg，ρ₁為水冷壁中工質(zhì)的平均密度，單位為kg/m³，G_in為給水流量，單位為kg/s，h_in為給水焓值，單位為J/kg，G_jian為水冷壁出口處微過熱點的工質(zhì)流量，單位為kg/s，h_jian為水冷壁出口焓值，單位為J/kg，Q₁為水冷壁工質(zhì)單位時間的吸熱量，單位為J/s，

解水冷壁方程，由式(2)可得

對式(1)展開可得

式(4)移項可得

h₁為水冷壁平均焓值，取水冷壁入口焓值h_in與水冷壁出口焓值h_jian的平均值，水冷壁中工質(zhì)的平均密度ρ₁取水冷壁入口密度ρ_in與出口密度ρ_jian的平均值，即：

h₁＝(h_in+h_jian)/2 (6)

ρ₁＝(ρ_in+ρ_jian)/2 (6)

在直流鍋爐的運行中，雖然水冷壁軸向各點工質(zhì)的焓值不同，但在動態(tài)中，各點的變化率相等，平均值的變化率可以用任意一點的變化率來表征，水冷壁出口處焓值h_jian和工質(zhì)密度ρ_jian的變化率等于平均值h₁和ρ₁的變化率，即：

由水冷壁方程式(1～9)，求解出水冷壁方程，建立水冷壁模型；

鍋爐的過熱器入口壓力P_jian和主蒸汽壓力P_t的壓力的差同主蒸汽流量G_t之間存在平方根關(guān)系，過熱器溫度控制中，減溫水取自鍋爐給水，所以噴入過熱器的減溫水焓值為h_in，在過熱器中噴減溫水，減溫水焓值與給水焓值相同，進而控制主蒸汽溫度，過熱器內(nèi)工質(zhì)滿足質(zhì)量平衡方程、能量平衡方程、動量平衡方程

過熱器內(nèi)工質(zhì)能量平衡方程：

過熱器內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量平衡方程：

過熱器內(nèi)工質(zhì)動量平衡方程：

式中，V_s為過熱器內(nèi)蒸汽體積，單位為m³，h_s為過熱器蒸汽平均焓值，單位為J/kg，ρ_s為過熱器蒸汽平均密度，單位為kg/m³，G_j為減溫水流量，單位為kg/s，G_t為主蒸汽流量，單位為kg/s，h_t為主蒸汽焓值，單位為J/kg，Q_s為過熱器內(nèi)蒸汽單位時間的吸熱量，單位為J/s，P_jian為微過熱點蒸汽壓力，單位為Pa，P_t為主蒸汽壓力，單位為Pa，K_sh為過熱器管道的阻力系數(shù)，單位為N·s²/(kg²·m²)，

解過熱器方程，由式(2)可得

對式(10)展開可得

式(15)移項可得

h_s為過熱器焓值平均值，取過熱器入口焓值h_jian與過熱器出口焓值h_t的平均值，過熱器體積V_s是常數(shù)，過熱器中工質(zhì)的平均密度ρ_s取過熱器入口密度ρ_jian與過熱器出口密度ρ_t的平均值，即：

h_s＝(h_t+h_jian)/2 (17)

ρ_s＝(ρ_t+ρ_jian)/2 (18)

由過熱器方程式(10～18)，求解出過熱器方程，建立過熱器模型，

燃燒系統(tǒng)有一定的延時和慣性，煤量指令下達后，磨煤機開始動作，經(jīng)過一定的延時和慣性，才會變成煤量的實際值，電廠實際控制中，有專門控制單元協(xié)調(diào)燃煤量與給風量，將燃煤量作為變量，鍋爐燃燒放出的熱量用傳遞函數(shù)可以表示為：

式中，Q為燃燒系統(tǒng)放熱量，單位為J，τ為燃燒系統(tǒng)延遲時間常數(shù)，單位為s，T_c為燃燒系統(tǒng)慣性時間常數(shù)，單位為s，K為常系數(shù)，μ_B為燃燒率指令，單位為p.u.，

煤燃燒所釋放出的熱量Q，一部分熱量Q₁用于加熱鍋爐水冷壁內(nèi)的水，使之變成蒸汽，另一部分熱量Q_s用于加熱過熱器中的工質(zhì)，使微過熱蒸汽變成過熱蒸汽，因此，Q＝Q₁+Q_s，若Q₁＝nQ，則Q_s＝(1-n)Q，運行中Q會發(fā)生波動，水冷壁與過熱器吸熱的比例保持恒定，比例系數(shù)n恒定，

直流鍋爐整體輸入為燃燒率指令、給水流量、減溫水流量，此外，汽輪機調(diào)節(jié)閥流量與鍋爐入口焓值也會影響鍋爐動態(tài)，直流鍋爐整體輸入出為主蒸汽壓力、主蒸汽溫度及微過熱點焓值，

直流鍋爐模型包括鍋爐燃燒系統(tǒng)、水冷壁、過熱器，燃燒系統(tǒng)釋放總熱量為Q，傳遞到水冷壁熱量為Q_l，傳遞到過熱器熱量為Q_s,依據(jù)過熱器動量式(12)，水冷壁出口流量G_jian由壓力差決定，水冷壁的出口焓值即為過熱器的入口焓值，主蒸汽流量G_t的信號來自于汽輪機模型，燃燒率指令μ_B、給水流量G_in、減溫水流量G_j由鍋爐控制器給出，輸出信號反映單元機組的狀態(tài)通過鍋爐控制器的輸入，直流鍋爐機理模型；

步驟二：建立超臨界及超超臨界直流鍋爐控制器模型：

超臨界直流鍋爐控制量主要是燃燒率、給水、減溫水，高壓缸出口處蒸汽壓力P_tj與主蒸汽壓力P_t的比值準確反映鍋爐的能量需求，該信號是燃燒控制、給水控制主要的信號，

燃燒率控制時依據(jù)鍋爐能量需求信號P_tj/P_t，另外，主蒸汽壓力是鍋爐能量的代表，反映鍋爐能量高低，因此，主蒸汽壓力偏差也作為鍋爐燃燒率控制所依據(jù)的信號，經(jīng)過PID控制后與鍋爐能量需求信號共同調(diào)節(jié)燃燒率的大小，

鍋爐給水最主要的控制信號是P_tj/P_t，同時受主蒸汽溫度偏差值、微過熱點焓值信號偏差值影響，

依據(jù)主蒸汽溫度偏差值進行減溫水控制，使得主蒸汽溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)，進而完成超臨界及超超臨界直流鍋爐控制器模型的建立；

步驟三：建立汽輪機一次調(diào)頻模型：

用于一次調(diào)頻分析的汽輪機模型為線性模型，動態(tài)特性用傳遞函數(shù)來表示，在汽輪機與直流鍋爐耦合的環(huán)節(jié)為主蒸汽流量調(diào)節(jié)閥門，即為主蒸汽閥門開度及主蒸汽壓力，汽輪機模型包含主蒸汽流量及主蒸汽壓力，

一次調(diào)頻通道

閥門開度指令R_t與閥門的實際開度S_z之間的傳遞函數(shù)為一階慣性，汽輪機調(diào)節(jié)閥流量G_t與汽輪機機械功率P_M之間的傳遞函數(shù)為一階慣性，機械功率、電功率之差(P_M-P_L)與轉(zhuǎn)差之間的傳遞函數(shù)為一階慣性，即軸的慣性，

主蒸汽流量

依據(jù)氣體流過主汽閥流體力學原理，主蒸汽流量與主蒸汽壓力和主汽閥開度的乘積成正比，

G_t＝k_vP_tS_z (20)

式(20)中，G_t為主蒸汽流量，單位為kg/s，P_t為主蒸汽壓力，單位為Pa，S_z為閥門開度，單位為p.u.，k_v為常系數(shù)，

在機爐耦合關(guān)系中，主蒸汽壓力影響流過主汽閥的流量，進而影響汽輪機功率，同時，汽輪機主汽閥流量會影響鍋爐動態(tài)，即鍋爐與汽輪機的相互耦合關(guān)系，

汽輪機一次調(diào)頻模型的輸入為主蒸汽壓力、主汽閥開度指令和電機的電功率，輸出為轉(zhuǎn)差及汽機調(diào)節(jié)閥流量，建立汽輪機一次調(diào)頻模型，

步驟四：建立包含不同類型機組的電力系統(tǒng)調(diào)頻模型：

若系統(tǒng)中的超臨界及超超臨界機組均采用鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型，則驗證鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型的效果，即對調(diào)頻的改善效果，建立包含不同類型機組的電力系統(tǒng)調(diào)頻模型，

用于一次調(diào)頻分析的模型采用剛性集結(jié)模型，電力系統(tǒng)一次調(diào)頻時間尺度為秒級，在該時間尺度下，機組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)是同步的，各個點的電力系統(tǒng)頻率一致，電網(wǎng)頻率決定于系統(tǒng)內(nèi)所有機組的功率之和及電力系統(tǒng)總負荷，即電力系統(tǒng)是剛性集結(jié)的，

在系統(tǒng)中，不同類型的發(fā)電機組一次調(diào)頻模型不同，針對一次調(diào)頻的功率通道，將模型分為以下5種模型：純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)汽輪機、中間再熱式汽輪機、功頻調(diào)節(jié)汽輪機、水輪機、鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制汽輪機，

純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)汽輪機

純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式下，汽輪機頻率偏差信號通過一次調(diào)頻控制通道反饋到閥門，控制通道的比例系數(shù)為1/δ，與給定值求和后作為蒸汽閥門的指令信號，進而通過執(zhí)行機構(gòu)控制閥門的開度，閥門控制信號經(jīng)過執(zhí)行機構(gòu)、容積效應環(huán)節(jié)后，與擾動相疊加作為轉(zhuǎn)子慣量環(huán)節(jié)的輸入，轉(zhuǎn)子慣量環(huán)節(jié)輸出頻率偏差信號，純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的功率沒有閉環(huán)，功率并非可控，

功頻調(diào)節(jié)汽輪機

為了使汽輪機的功率跟蹤功率給定，將電功率反饋到控制回路中，在純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，測量發(fā)電機輸出的電功率，進而反饋到輸入給定處，與給定、一次調(diào)頻量求和后作為汽輪機的閥門控制信號，閥門控制信號經(jīng)過PI環(huán)節(jié)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、容積效應環(huán)節(jié)后，與擾動相疊加作為轉(zhuǎn)子慣量環(huán)節(jié)的輸入，轉(zhuǎn)子慣量環(huán)節(jié)輸出頻率偏差信號，

中間再熱式汽輪機

中間再熱式汽輪機中的蒸汽經(jīng)過高壓缸做功后會返回到鍋爐中再熱，隨后進入中壓缸、低壓缸做功，其中執(zhí)行機構(gòu)特性為較小時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，經(jīng)過高壓調(diào)節(jié)閥的工質(zhì)經(jīng)過容積后進入高壓缸，蒸汽要經(jīng)過再熱器容積后再進入中壓缸、低壓缸，再熱器容積效應也等效為慣性環(huán)節(jié)

水輪機

采用機械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用并聯(lián)型PID調(diào)速器，PID參數(shù)K_p＝5.185、K_i＝0.988、K_d＝3.333，T_a為軸慣性時間常數(shù)，T_b為負荷的慣性時間常數(shù)，工程實際中，T_b范圍為T_b＝(0.24～0.30)T_a，取T_b＝0.27T_a，

步驟五：修正汽輪機功率給定信號:

在鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型中加入一個控制器，其輸入為主蒸汽壓力偏差信號ΔP_t和頻差信號Δf，其輸出與汽輪機功率給定信號相疊加，根據(jù)模型使用者設(shè)置和調(diào)節(jié)該控制器的參數(shù)，實現(xiàn)保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的前提下，充分利用鍋爐的能量的目標，既使火電機組充分參與調(diào)頻，又使超臨界直流鍋爐主蒸汽壓力趨于平穩(wěn)，

頻率偏差信號Δf信號反映電網(wǎng)能量大小，使鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型應對電網(wǎng)側(cè)功率頻繁變動，主蒸汽壓力偏差信號ΔP_t信號反映直流鍋爐能量高低，且便于測量，相當于在原來的功率給定值R_t之上增加了一個修正量，該修正量既能反映鍋爐能量的高低，又能體現(xiàn)電網(wǎng)能量的高低，進而完成鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型。

實施例

依照某電網(wǎng)在較大負荷變動下的180s頻率數(shù)據(jù)，以前文所述的爐-機-網(wǎng)協(xié)調(diào)控制模型為對象，記錄在電網(wǎng)能量平衡狀態(tài)下的主蒸汽壓力信號與頻差信號仿真圖像，如圖14所示。額定主蒸汽壓力為24.2MPa，頻差的參考值為50Hz。由圖14可知，鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型能夠準確采集超臨界及超超臨界機組中的主蒸汽壓力信號與頻差信號，為模型使用者提供了一個設(shè)計平臺。使用者可以根據(jù)需要設(shè)計控制器，利用這兩個信號達到鍋爐、汽輪機和電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的目的。