技術(shù)特征：

1.用于鍋爐、汽輪機(jī)和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型，其特征在于：所述模型是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的：

步驟一：建立反映超臨界及超超臨界機(jī)組中直流鍋爐機(jī)理模型:直流鍋爐動(dòng)態(tài)考慮燃燒系統(tǒng)、水冷壁和過(guò)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(dòng)量平衡方程，直流鍋爐機(jī)理模型，

工質(zhì)從省煤器流出后，進(jìn)入水冷壁，經(jīng)過(guò)水冷壁后，工質(zhì)由水變成蒸汽，水冷壁出口為微過(guò)熱點(diǎn)；水冷壁內(nèi)工質(zhì)在運(yùn)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(guò)熱點(diǎn)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(shí)間的吸熱量，單位為J/s，

解水冷壁方程，由式(2)可得

對(duì)式(1)展開(kāi)可得

式(4)移項(xiàng)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(yùn)行中，雖然水冷壁軸向各點(diǎn)工質(zhì)的焓值不同，但在動(dòng)態(tài)中，各點(diǎn)的變化率相等，平均值的變化率可以用任意一點(diǎn)的變化率來(lái)表征，水冷壁出口處?kù)手礹_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(guò)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(guò)熱器溫度控制中，減溫水取自鍋爐給水，所以噴入過(guò)熱器的減溫水焓值為h_in，在過(guò)熱器中噴減溫水，減溫水焓值與給水焓值相同，進(jìn)而控制主蒸汽溫度，過(guò)熱器內(nèi)工質(zhì)滿足質(zhì)量平衡方程、能量平衡方程、動(dòng)量平衡方程

過(guò)熱器內(nèi)工質(zhì)能量平衡方程：

過(guò)熱器內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量平衡方程：

過(guò)熱器內(nèi)工質(zhì)動(dòng)量平衡方程：

式中，V_s為過(guò)熱器內(nèi)蒸汽體積，單位為m³，h_s為過(guò)熱器蒸汽平均焓值，單位為J/kg，ρ_s為過(guò)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(guò)熱器內(nèi)蒸汽單位時(shí)間的吸熱量，單位為J/s，P_jian為微過(guò)熱點(diǎn)蒸汽壓力，單位為Pa，P_t為主蒸汽壓力，單位為Pa，K_sh為過(guò)熱器管道的阻力系數(shù)，單位為N·s²/(kg²·m²)，

解過(guò)熱器方程，由式(2)可得

對(duì)式(10)展開(kāi)可得

式(15)移項(xiàng)可得

h_s為過(guò)熱器焓值平均值，取過(guò)熱器入口焓值h_jian與過(guò)熱器出口焓值h_t的平均值，過(guò)熱器體積V_s是常數(shù)，過(guò)熱器中工質(zhì)的平均密度ρ_s取過(guò)熱器入口密度ρ_jian與過(guò)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(guò)熱器方程式(10～18)，求解出過(guò)熱器方程，建立過(guò)熱器模型，

燃燒系統(tǒng)有一定的延時(shí)和慣性，煤量指令下達(dá)后，磨煤機(jī)開(kāi)始動(dòng)作，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)和慣性，才會(huì)變成煤量的實(shí)際值，電廠實(shí)際控制中，有專(zhuān)門(mén)控制單元協(xié)調(diào)燃煤量與給風(fēng)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(shí)間常數(shù)，單位為s，T_c為燃燒系統(tǒng)慣性時(shí)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(guò)熱器中的工質(zhì)，使微過(guò)熱蒸汽變成過(guò)熱蒸汽，因此，Q＝Q₁+Q_s，若Q₁＝nQ，則Q_s＝(1-n)Q，運(yùn)行中Q會(huì)發(fā)生波動(dòng)，水冷壁與過(guò)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(jī)調(diào)節(jié)閥流量與鍋爐入口焓值也會(huì)影響鍋爐動(dòng)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(guò)熱點(diǎn)焓值，

直流鍋爐模型包括鍋爐燃燒系統(tǒng)、水冷壁、過(guò)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(guò)熱器熱量為Q_s,依據(jù)過(guò)熱器動(dòng)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(guò)熱器的入口焓值，主蒸汽流量G_t的信號(hào)來(lái)自于汽輪機(jī)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(hào)反映單元機(jī)組的狀態(tài)通過(guò)鍋爐控制器的輸入，直流鍋爐機(jī)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(zhǔn)確反映鍋爐的能量需求，該信號(hào)是燃燒控制、給水控制主要的信號(hào)，

燃燒率控制時(shí)依據(jù)鍋爐能量需求信號(hào)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(hào)，經(jīng)過(guò)PID控制后與鍋爐能量需求信號(hào)共同調(diào)節(jié)燃燒率的大小，

鍋爐給水最主要的控制信號(hào)是P_tj/P_t，同時(shí)受主蒸汽溫度偏差值、微過(guò)熱點(diǎn)焓值信號(hào)偏差值影響，

依據(jù)主蒸汽溫度偏差值進(jìn)行減溫水控制，使得主蒸汽溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)，進(jìn)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(jī)一次調(diào)頻模型：

用于一次調(diào)頻分析的汽輪機(jī)模型為線性模型，動(dòng)態(tài)特性用傳遞函數(shù)來(lái)表示，在汽輪機(jī)與直流鍋爐耦合的環(huán)節(jié)為主蒸汽流量調(diào)節(jié)閥門(mén)，即為主蒸汽閥門(mén)開(kāi)度及主蒸汽壓力，汽輪機(jī)模型包含主蒸汽流量及主蒸汽壓力，

一次調(diào)頻通道:

閥門(mén)開(kāi)度指令R_t與閥門(mén)的實(shí)際開(kāi)度S_z之間的傳遞函數(shù)為一階慣性，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥流量G_t與汽輪機(jī)機(jī)械功率P_M之間的傳遞函數(shù)為一階慣性，機(jī)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(guò)主汽閥流體力學(xué)原理，主蒸汽流量與主蒸汽壓力和主汽閥開(kāi)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(mén)開(kāi)度，單位為p.u.，k_v為常系數(shù)，

在機(jī)爐耦合關(guān)系中，主蒸汽壓力影響流過(guò)主汽閥的流量，進(jìn)而影響汽輪機(jī)功率，同時(shí)，汽輪機(jī)主汽閥流量會(huì)影響鍋爐動(dòng)態(tài)，即鍋爐與汽輪機(jī)的相互耦合關(guān)系，

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

步驟四：建立包含不同類(lèi)型機(jī)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(jī)組均采用鍋爐、汽輪機(jī)和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型，則驗(yàn)證鍋爐、汽輪機(jī)和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型的效果，即對(duì)調(diào)頻的改善效果，建立包含不同類(lèi)型機(jī)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(shí)間尺度為秒級(jí)，在該時(shí)間尺度下，機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)是同步的，各個(gè)點(diǎn)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(jī)組的功率之和及電力系統(tǒng)總負(fù)荷，即電力系統(tǒng)是剛性集結(jié)的，

在系統(tǒng)中，不同類(lèi)型的發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻模型不同，針對(duì)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(jī)、中間再熱式汽輪機(jī)、功頻調(diào)節(jié)汽輪機(jī)、水輪機(jī)、鍋爐、汽輪機(jī)和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制汽輪機(jī)，

純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)汽輪機(jī)

純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式下，汽輪機(jī)頻率偏差信號(hào)通過(guò)一次調(diào)頻控制通道反饋到閥門(mén)，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(mén)的指令信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥門(mén)的開(kāi)度，閥門(mén)控制信號(hào)經(jīng)過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、容積效應(yīng)環(huán)節(jié)后，與擾動(dòng)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(hào)，純轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的功率沒(méi)有閉環(huán)，功率并非可控，

功頻調(diào)節(jié)汽輪機(jī)

為了使汽輪機(jī)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(cè)量發(fā)電機(jī)輸出的電功率，進(jìn)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(jī)的閥門(mén)控制信號(hào)，閥門(mén)控制信號(hào)經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、容積效應(yīng)環(huán)節(jié)后，與擾動(dòng)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(hào)，

中間再熱式汽輪機(jī)

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

水輪機(jī)

采用機(jī)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(shí)間常數(shù)，T_b為負(fù)荷的慣性時(shí)間常數(shù)，工程實(shí)際中，T_b范圍為T(mén)_b＝(0.24～0.30)T_a，取T_b＝0.27T_a，

步驟五：修正汽輪機(jī)功率給定信號(hào):

在鍋爐、汽輪機(jī)和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型中加入一個(gè)控制器，其輸入為主蒸汽壓力偏差信號(hào)ΔP_t和頻差信號(hào)Δf，其輸出與汽輪機(jī)功率給定信號(hào)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(shí)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(biāo)，既使火電機(jī)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(hào)Δf信號(hào)反映電網(wǎng)能量大小，使鍋爐、汽輪機(jī)和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型應(yīng)對(duì)電網(wǎng)側(cè)功率頻繁變動(dòng)，主蒸汽壓力偏差信號(hào)ΔP_t信號(hào)反映直流鍋爐能量高低，且便于測(cè)量，相當(dāng)于在原來(lái)的功率給定值R_t之上增加了一個(gè)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(jìn)而完成鍋爐、汽輪機(jī)和電網(wǎng)一次調(diào)頻分析協(xié)調(diào)控制模型。