本發(fā)明一種模擬火電機(jī)組靈活性能力的實(shí)時(shí)仿真的方法，屬于模擬仿真領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著新能源電力的發(fā)展和火電機(jī)組靈活性的改造，電源特性在不斷改變，為了大規(guī)模接入新能源電力并保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在電源-電網(wǎng)聯(lián)合仿真中，模擬火電機(jī)組靈活性能力至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的火電機(jī)組模擬方法主要是通過(guò)建立全激勵(lì)仿真機(jī)實(shí)現(xiàn)的，這種傳統(tǒng)的模擬方法需要對(duì)火電機(jī)組中所有系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)進(jìn)行建模，并將模型搭入計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬。由于該方法幾乎能夠再現(xiàn)機(jī)組所有環(huán)節(jié)的運(yùn)行特性，因此一般適用于電廠工作人員的模擬培訓(xùn)。

在電源-電網(wǎng)聯(lián)合模擬仿真中，電源側(cè)火電機(jī)組的模擬一般采用上述全激勵(lì)仿真機(jī)的形式，但由于實(shí)際仿真中，電網(wǎng)只與電源側(cè)間的有功交互有關(guān)，電源側(cè)只需提供機(jī)械轉(zhuǎn)矩，電網(wǎng)側(cè)也只需將實(shí)發(fā)功率反饋至電源側(cè)，而與電源側(cè)的發(fā)電過(guò)程無(wú)關(guān)，也與電源側(cè)各系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的運(yùn)行特性無(wú)關(guān)，因此，對(duì)于電源-電網(wǎng)的聯(lián)合模擬仿真而言，這種傳統(tǒng)的模擬方法存在以下缺陷：1、這種模擬方法相當(dāng)于在計(jì)算機(jī)中建立一臺(tái)火電機(jī)組，模型的搭建和修改非常復(fù)雜和繁瑣；2、這種模擬方法獨(dú)立于電網(wǎng)仿真系統(tǒng)RTDS(Real Time Digital Simulator；實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀)之外，需要與RTDS進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠克服上述技術(shù)問(wèn)題的模擬火電機(jī)組靈活性能力的實(shí)時(shí)仿真的方法，本發(fā)明的模擬火電機(jī)組靈活性能力的實(shí)時(shí)仿真的方法是在RTDS(Real Time Digital Simulator；實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)建立不同特性機(jī)組的簡(jiǎn)化模型并在穩(wěn)態(tài)工況下完成不同特性機(jī)組并網(wǎng)、切換和切除功能，本發(fā)明以RTDS(Real Time Digital Simulator)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀為仿真平臺(tái)，考慮了仿真周期的特殊性并充分利用了火電機(jī)組外特性簡(jiǎn)化模型準(zhǔn)確性和參數(shù)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同特性火電機(jī)組的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)模擬。

自動(dòng)發(fā)電量控制AGC(Automatic Generation Control)是并網(wǎng)發(fā)電廠提供的有償輔助服務(wù)之一，發(fā)電機(jī)組在規(guī)定的出力調(diào)整范圍內(nèi)，跟蹤電力調(diào)度交易機(jī)構(gòu)下發(fā)的指令，按照一定調(diào)節(jié)速率實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電出力，以滿足電力系統(tǒng)頻率和聯(lián)絡(luò)線功率控制要求的服務(wù)。

PID控制是工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的控制規(guī)律。其中P(proportion)表示比例控制；I(integral)表示積分控制；D(derivative)表示微分控制。

ACE和CPS均是電網(wǎng)區(qū)域控制偏差的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。ACE是基于過(guò)零要求及確定性限值來(lái)評(píng)估區(qū)域控制偏差的控制水平；CPS是基于統(tǒng)計(jì)方法來(lái)衡量區(qū)域控制偏差與頻率偏差的關(guān)系，以確定性限值來(lái)評(píng)估區(qū)域控制偏差的控制水平。

本發(fā)明的模擬火電機(jī)組靈活性能力的實(shí)時(shí)仿真的方法包括模擬機(jī)組的升降負(fù)荷速率及凝結(jié)水節(jié)流特性。本發(fā)明的模擬火電機(jī)組靈活性能力的實(shí)時(shí)仿真的方法具體包括以下步驟：

1、在RTDS上建立火電機(jī)組外特性簡(jiǎn)化模型；所述火電機(jī)組外特性簡(jiǎn)化模型為微分方程或者狀態(tài)方程的形式。

2、調(diào)整所述火電機(jī)組外特性簡(jiǎn)化模型的遲延時(shí)間和PID參數(shù)，得到不同升降負(fù)荷速率的火電機(jī)組模型；升降負(fù)荷速率的模擬具體是通過(guò)減小所述火電機(jī)組外特性簡(jiǎn)化模型的遲延時(shí)間并通過(guò)調(diào)節(jié)PID參數(shù)對(duì)快對(duì)象進(jìn)行慢控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3、建立含凝結(jié)水節(jié)流特性的火電機(jī)組模型；所述凝結(jié)水節(jié)流特性的模擬是在所述火電機(jī)組外特性簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上增加了凝結(jié)水節(jié)流功率增量模型，所述凝結(jié)水節(jié)流功率增量模型是一個(gè)含微分作用的二階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為：

因式分解后得：

其中,S為頻域的變量符號(hào)；a為小慣性環(huán)節(jié)的慣性時(shí)間常數(shù)；b為大慣性環(huán)節(jié)的慣性時(shí)間常數(shù)；k₁為小慣性環(huán)節(jié)的增益；k₂為大慣性環(huán)節(jié)的增益；k凝結(jié)水節(jié)流功率增量模型的增益系數(shù)。由因式分解可知，所述的凝結(jié)水節(jié)流功率增量模型為兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)疊加而成，所述的凝結(jié)水節(jié)流功率增量模型均為小慣性環(huán)節(jié)減去大慣性環(huán)節(jié)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：由于本發(fā)明以RTDS為平臺(tái)且考慮了其仿真周期的特殊性，因此，本發(fā)明避免了傳統(tǒng)全激勵(lì)仿真機(jī)模型建立和修改的復(fù)雜性，本發(fā)明的模擬火電機(jī)組靈活性能力的實(shí)時(shí)仿真的方法充分利用了火電機(jī)組外特性簡(jiǎn)化模型準(zhǔn)確性和參數(shù)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同特性火電機(jī)組的準(zhǔn)確模擬并能夠很好地展現(xiàn)全激勵(lì)仿真模型外部特性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述模擬火電機(jī)組靈活性能力的實(shí)時(shí)仿真的方法的RTDS中不同特性機(jī)組并網(wǎng)、切換和切除邏輯框圖；

圖2是本發(fā)明所述模擬火電機(jī)組靈活性能力的實(shí)時(shí)仿真的方法的含凝結(jié)水節(jié)流特性火電模型及控制過(guò)程框圖；

圖3a、3b、3c是本發(fā)明所述模擬火電機(jī)組靈活性能力的實(shí)時(shí)仿真的方法的凝結(jié)水節(jié)流功率增量模型及實(shí)發(fā)功率響應(yīng)曲線示意圖；

圖4是本發(fā)明所述模擬火電機(jī)組靈活性能力的實(shí)時(shí)仿真的方法的不同升降負(fù)荷速率機(jī)組實(shí)發(fā)功率曲線對(duì)比示意圖；

圖5是本發(fā)明所述模擬火電機(jī)組靈活性能力的實(shí)時(shí)仿真的方法的不同升降負(fù)荷速率機(jī)組ACE指標(biāo)對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。

所述含凝結(jié)水節(jié)流火電機(jī)組模型及控制過(guò)程如圖2，含凝結(jié)水節(jié)流火電機(jī)組模型由火電機(jī)組外特性簡(jiǎn)化模型和凝結(jié)水節(jié)流功率增量模型共同構(gòu)成。其中，機(jī)組外特性簡(jiǎn)化模型的控制過(guò)程采用PID控制器控制，凝結(jié)水節(jié)流特性的模擬則采用上述含微分作用的二階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬。圖中功率偏差限值函數(shù)f(x)如下：

其中，ΔP為AGC設(shè)定值與AGC下發(fā)時(shí)刻實(shí)發(fā)功率的偏差；ΔP^max為凝結(jié)水節(jié)流功率模型觸發(fā)的上限值；ΔP^min為凝結(jié)水節(jié)流功率模型觸發(fā)的下限值。由功率偏差限值函數(shù)f(x)可見，當(dāng)ΔP＞ΔP^max或ΔP＜ΔP^min時(shí)，f(x)的輸出為ΔP；當(dāng)ΔP^min＜ΔP＜ΔP^max時(shí)，f(x)的輸出為0。

當(dāng)AGC設(shè)定值與AGC下發(fā)時(shí)刻實(shí)發(fā)功率偏差超出ΔP^max或低于ΔP^min時(shí)，功率偏差限值函數(shù)的輸出為ΔP，其作用于凝結(jié)水節(jié)流功率增量模型后輸出凝結(jié)水節(jié)流功率增量；為了解除凝結(jié)水節(jié)流功率增量模型與機(jī)組外特性簡(jiǎn)化模型的耦合關(guān)系，以AGC設(shè)定值與上述凝結(jié)水節(jié)流功率增量的偏差作為機(jī)組外特性簡(jiǎn)化模型的設(shè)定值SP，并將機(jī)組外特性簡(jiǎn)化模型的輸出PV反饋至PID，構(gòu)成閉合回路。所述實(shí)發(fā)功率由簡(jiǎn)化模型響應(yīng)功率值和凝結(jié)水節(jié)流功率增量共同構(gòu)成。

本發(fā)明的模擬火電機(jī)組靈活性能力的實(shí)時(shí)仿真的方法是指將不同特性機(jī)組的簡(jiǎn)化模型搭入RTDS實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)并在穩(wěn)態(tài)工況下完成不同特性機(jī)組并網(wǎng)、切換和切除，所述切換的邏輯如圖1所示。在仿真開始時(shí)刻，電源側(cè)的火電模型和電網(wǎng)側(cè)的調(diào)速器模型同時(shí)接收AGC指令，電源側(cè)開關(guān)k₁、k₂、k₃、k₄均撥至位置1，即不考慮電網(wǎng)側(cè)發(fā)電機(jī)模型的動(dòng)態(tài)特性，直接將不同速率火電模型的機(jī)械轉(zhuǎn)矩作為其有功反饋值(注：兩者標(biāo)幺值相同)，分別構(gòu)成反饋控制回路；電網(wǎng)側(cè)開關(guān)k₅撥至位置3，k₆撥至位置8，即發(fā)電機(jī)模型所需的機(jī)械轉(zhuǎn)矩來(lái)自調(diào)速器模型的輸出，調(diào)速器模型的有功反饋采用發(fā)電機(jī)模型輸出的實(shí)發(fā)功率。

所述并網(wǎng)過(guò)程是指當(dāng)所有火電模型和發(fā)電機(jī)模型的輸出均穩(wěn)定至AGC設(shè)定值時(shí)，如需并入升降負(fù)荷速率為1.5％的火電機(jī)組，同時(shí)將開關(guān)k₁、k₅、k₆撥至2、4、3。此時(shí)，發(fā)電機(jī)模型所需的機(jī)械轉(zhuǎn)矩來(lái)自升降負(fù)荷速率為1.5％火電模型，并將實(shí)發(fā)功率反饋至此模型的PID，構(gòu)成閉合回路；同時(shí)將調(diào)速器模型輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩反饋至調(diào)速器模型的PID，構(gòu)成閉合回路。此時(shí)可下發(fā)新的AGC指令，完成火電機(jī)組在此升降負(fù)荷速率下，對(duì)電網(wǎng)ACE指標(biāo)和CPS指標(biāo)的特性實(shí)驗(yàn)。

所述切換過(guò)程是指當(dāng)所有模型達(dá)到新的AGC設(shè)定值時(shí)，如需將升降負(fù)荷速率為1.5％切換至2％，同時(shí)將開關(guān)k₁、k₂、k₅撥至1、2、5。即發(fā)電機(jī)模型所需的機(jī)械轉(zhuǎn)矩來(lái)自升降負(fù)荷速率為2％火電模型，并將實(shí)發(fā)功率反饋至此模型的PID，構(gòu)成閉合回路；同時(shí)，升降負(fù)荷速率為1.5％火電模型的有功功率反饋值采用模型自身機(jī)械轉(zhuǎn)矩輸出，構(gòu)成閉合回路，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)工況下，電源側(cè)不同升降負(fù)荷速率火電機(jī)組間的切換。此時(shí)可下發(fā)新的AGC指令，完成火電機(jī)組在此升降負(fù)荷速率下，對(duì)電網(wǎng)ACE指標(biāo)和CPS指標(biāo)的特性實(shí)驗(yàn)。

所述切除過(guò)程是指當(dāng)所有特性實(shí)驗(yàn)完成后，如需切除升降負(fù)荷速率為2％的火電模型，同時(shí)將開關(guān)k₂、k₅、k₆撥至位置1、3、8。此時(shí)各開關(guān)恢復(fù)至并網(wǎng)前的狀態(tài)，發(fā)電機(jī)模型的機(jī)械轉(zhuǎn)矩來(lái)自調(diào)速器模型。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種模擬火電機(jī)組靈活性能力的RTDS實(shí)現(xiàn)，首先火電模型以汽包爐模型為例。其中給煤量指令是由DEB400直接能量平衡生成的，此處不再贅述。

磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)及水冷壁動(dòng)態(tài)模型為：

式中，S為頻域的變量符號(hào)；B(s)為燃料量；D_q(s)為鍋爐有效吸熱量；T_g(s)為燃料動(dòng)態(tài)模型；T_w(s)為水冷壁動(dòng)態(tài)模型；T₁，T₂，k₁，τ₁為傳遞函數(shù)系數(shù)。本次仿真中，T₁＝15，T₂＝2.5，k₁＝1，τ₁＝20；e為自然常數(shù)。

鍋爐核心模型為：

式中，x₁為主蒸汽壓力；x₂為汽包壓力；u₁為鍋爐有效吸熱量；u₂為汽機(jī)調(diào)節(jié)閥門開度；y₁為主蒸汽流量；y₂為主蒸汽壓力；k₁為汽包蓄熱系數(shù)C_d的倒數(shù)；k₃為汽包蓄熱系數(shù)C_t的倒數(shù)，k₂，k₄，k₅，k₆為內(nèi)部系數(shù)。本次仿真中，k₂＝3.43，k₄＝4.472，k₅＝0.2236，k₆＝60。

汽輪機(jī)模型分為高壓缸模型和中低壓缸模型：

式中，S為頻域的變量符號(hào)；T₁為高壓缸慣性時(shí)間常數(shù)，T₂為中低壓缸慣性時(shí)間常數(shù)，本次仿真中，T₁＝3，T₂＝7。

所述升降負(fù)荷速率的模擬是通過(guò)減小火電機(jī)組外特性簡(jiǎn)化模型的遲延時(shí)間并調(diào)節(jié)相應(yīng)PID參數(shù)得到的。以額定功率600MW為例，三種升降負(fù)荷速率應(yīng)為9MW/min、12MW/min、18MW/min?；痣姍C(jī)組外特性簡(jiǎn)化模型中給煤量遲延時(shí)間是影響升降負(fù)荷速率的主要原因，實(shí)際運(yùn)行中給煤量遲延時(shí)間一般在40秒左右，但本次仿真中將三種升降負(fù)荷速率模型的給煤量遲延時(shí)間均為20秒，原因在于PID參數(shù)的調(diào)整簡(jiǎn)單方便，可通過(guò)調(diào)節(jié)PID參數(shù)對(duì)快對(duì)象進(jìn)行慢控制實(shí)現(xiàn)不同升降負(fù)荷速率的模擬，本次仿真中，不同升降負(fù)荷速率的PID參數(shù)如下表所示。

所述含凝結(jié)水節(jié)流特性火電模型及控制過(guò)程框圖如圖2所示。本次仿真中，分別取k＝30，a＝15，b＝70，輸入的功率偏差取20MW時(shí)，產(chǎn)生的凝結(jié)水節(jié)流功率增量如圖3(b)所示。由圖3(b)可見，在100s輸入功率偏差后，凝結(jié)水節(jié)流模型產(chǎn)生的功率增量迅速增加，一段時(shí)間后又慢慢恢復(fù)至0，這恰好吻合了凝結(jié)水節(jié)流功率增量在節(jié)流初期的快速性和除氧器水位慢恢復(fù)過(guò)程中的回調(diào)特性。

假設(shè)初始時(shí)刻，所述含凝結(jié)水節(jié)流特性的火電模型處于穩(wěn)態(tài)，AGC設(shè)定值和實(shí)發(fā)功率均為600MW，在100s下發(fā)新的AGC設(shè)定值620MW，則實(shí)發(fā)功率對(duì)比曲線如圖3(c)。由圖可見，所述含凝結(jié)水節(jié)流特性的火電模型既能夠反應(yīng)凝結(jié)水節(jié)流起始階段的快速性，又能反應(yīng)除氧器水位恢復(fù)過(guò)程中實(shí)發(fā)功率回調(diào)的特點(diǎn)。假設(shè)響應(yīng)死區(qū)為額定負(fù)荷的1％，即6MW，則含凝結(jié)水節(jié)流特性的火電模型的火電機(jī)組相比于不含凝結(jié)水節(jié)流特性的火電機(jī)組響應(yīng)時(shí)間更短，更快跨出響應(yīng)死區(qū)。因此，所述含凝結(jié)水節(jié)流特性的火電模型能夠很好反應(yīng)出凝結(jié)水節(jié)流過(guò)程對(duì)AGC性能考核指標(biāo)中k3的改善作用。

仿真過(guò)程中，不同特性機(jī)組的并網(wǎng)、切換和切除過(guò)程如圖1所示，在仿真的起始時(shí)刻，電源側(cè)的火電模型和電網(wǎng)側(cè)的調(diào)速器模型同時(shí)接收AGC指令，電源側(cè)開關(guān)k₁、k₂、k₃、k₄均撥至位置1，即不考慮電網(wǎng)側(cè)發(fā)電機(jī)模型的動(dòng)態(tài)特性，直接將不同速率火電模型的機(jī)械轉(zhuǎn)矩作為其有功反饋值，分別構(gòu)成反饋控制回路；電網(wǎng)側(cè)開關(guān)k₅撥至位置3，k₆撥至位置8，即發(fā)電機(jī)模型所需的機(jī)械轉(zhuǎn)矩來(lái)自調(diào)速器模型的輸出，調(diào)速器模型的有功反饋采用發(fā)電機(jī)模型輸出的實(shí)發(fā)功率。

當(dāng)所有火電模型和發(fā)電機(jī)模型的輸出均穩(wěn)定至AGC設(shè)定值時(shí)，如需并入升降負(fù)荷速率為9MW/min的火電機(jī)組，同時(shí)將開關(guān)k₁、k₅、k₆撥至2、4、3。此時(shí)，發(fā)電機(jī)模型所需的機(jī)械轉(zhuǎn)矩來(lái)自升降負(fù)荷速率為9MW/min火電模型，并將實(shí)發(fā)功率反饋至此模型的PID，構(gòu)成閉合回路；同時(shí)將調(diào)速器模型輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩反饋至調(diào)速器模型的PID，構(gòu)成閉合回路。此時(shí)可下發(fā)新的AGC指令，完成火電機(jī)組在該升降負(fù)荷速率下，對(duì)電網(wǎng)ACE指標(biāo)和CPS指標(biāo)的特性實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)所有模型達(dá)到新的AGC設(shè)定值時(shí)，如需將升降負(fù)荷速率為9MW/min切換至12MW/min，同時(shí)將開關(guān)k₁、k₂、k₅撥至1、2、5。即發(fā)電機(jī)模型所需的機(jī)械轉(zhuǎn)矩來(lái)自升降負(fù)荷速率為12MW/min火電模型，并將實(shí)發(fā)功率反饋至此模型的PID，構(gòu)成閉合回路；同時(shí)，升降負(fù)荷速率為9MW/min火電模型的有功功率反饋值采用模型自身機(jī)械轉(zhuǎn)矩輸出，構(gòu)成閉合回路，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)工況下，電源側(cè)不同升降負(fù)荷速率火電機(jī)組間的切換。此時(shí)可下發(fā)新的AGC指令，完成火電機(jī)組在該升降負(fù)荷速率下，對(duì)電網(wǎng)ACE指標(biāo)和CPS指標(biāo)的特性實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)所有特性實(shí)驗(yàn)完成后，如需切除升降負(fù)荷速率為12MW/min的火電模型，同時(shí)將開關(guān)k₂、k₅、k₆撥至位置1、3、8。此時(shí)各開關(guān)恢復(fù)至并網(wǎng)前的狀態(tài)，發(fā)電機(jī)模型的機(jī)械轉(zhuǎn)矩來(lái)自調(diào)速器模型。

仿真結(jié)果圖4、圖5所示，可見升降負(fù)荷速率為18MW/min的火電機(jī)組調(diào)節(jié)時(shí)間最短，ACE指標(biāo)偏離程度最小，AGC跟隨能力最強(qiáng)；升降負(fù)荷速率為9MW/min的火電機(jī)組調(diào)節(jié)時(shí)間最長(zhǎng)，AGC跟隨能力最弱，ACE指標(biāo)偏離程度最大，能夠真實(shí)反映機(jī)組升降負(fù)荷速率對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響情況。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明公開的范圍內(nèi)，能夠輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。