本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真建模分析
技術領域：
，具體涉及一種考慮主汽壓對流量影響實際特性的汽輪機精細化建模及辨識方法，
背景技術：
：目前，隨著電力系統(tǒng)日益趨于互聯(lián)，系統(tǒng)容量不斷增大，交直流混聯(lián)、特高壓接入等復雜運行方式的出現(xiàn)，傳統(tǒng)模型試驗的實施成本和難度不斷增加，對電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、運行維護等工作越來越倚重于數(shù)學建模仿真方法。這也使得電力系統(tǒng)建模仿真技術得到了廣泛的研究和應用。電力系統(tǒng)建模仿真技術的關鍵為仿真結果的準確性和仿真計算的成本，鑒于模型仿真所用的數(shù)值解法器已趨于成熟，能夠影響仿真結果和成本的主要為模型的特性。電力系統(tǒng)的模型由各組成元件模型按照物理或邏輯關系聯(lián)立得到，因此系統(tǒng)模型的特性主要由各元件模型的特性決定。有功-頻率特性研究是電力系統(tǒng)分析中的主要方向之一，也是確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的關鍵支撐。在我國，火力發(fā)電提供了七成以上的電力供應，因此該電源的有功-頻率模型特性對電力系統(tǒng)建模仿真結果的準確性和計算成本具有重要影響，也因此得到了廣泛關注。火力發(fā)電的有功-頻率模型具體表現(xiàn)為汽輪機調(diào)速系統(tǒng)模型，因此，對汽輪機調(diào)速系統(tǒng)建模仿真的研究具有重要意義。汽輪機調(diào)速系統(tǒng)建模仿真中的汽輪機模型具有復雜的特性并顯著影響仿真結果的準確性。通過大量的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，電力系統(tǒng)分析中的汽輪機調(diào)速系統(tǒng)模型，目前主要采用經(jīng)典汽輪機模型作為原動機模型、簡化或?qū)嶋H的控制器模型作為調(diào)節(jié)器模型等形式。由于沒有詳細考慮主汽壓變化對汽輪機流量輸入的影響，經(jīng)典汽輪機模型的機械功率輸出只能在功頻擾動的初始階段反映實際特性，而在擾動的中后期(擾動后約20s以后)，受主汽壓的顯著變化及其對進入高壓缸的蒸汽流量的影響，汽輪機流量的仿真值與實際值存在很大差別，這也進一步導致了汽輪機的功率輸出與實測有很大誤差，影響電力系統(tǒng)有功-頻率特性的仿真分析結果。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是針對電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中汽輪機系統(tǒng)模型不能準確反映功頻擾動響應中后期實際特性的問題，提供一種考慮主汽壓對蒸汽流量影響及動態(tài)功率系數(shù)的汽輪機本體建模和辨識方法。一種考慮主汽壓對流量影響實際特性的汽輪機精細化建模及辨識方法，包括以下步：步驟一：基于抽象函數(shù)的泰勒線性化近似方法建立考慮主汽壓力偏差對調(diào)節(jié)級壓力偏差影響實際特性的主汽壓、閥位指令-調(diào)節(jié)級壓力環(huán)節(jié)數(shù)學模型，根據(jù)主汽壓、閥位指令與調(diào)節(jié)級壓力的機理關系寫出抽象機理函數(shù)，再對該抽象函數(shù)進行泰勒級數(shù)展開并取一階近似得到含有待定系數(shù)的機理模型，包括公式和待定系數(shù)；步驟二：建立含有動態(tài)項的汽輪機做功模型，從汽輪機功率基本公式出發(fā)，推導包含理論動態(tài)項的汽輪機功率系數(shù)；步驟三：對步驟二和三的待定系數(shù)進行基于遺傳算法的系統(tǒng)辨識，得到汽輪機系統(tǒng)精細化模型。步驟三中對含有待定系數(shù)的汽輪機系統(tǒng)模型進行基于遺傳算法的參數(shù)辨識，包括以下步驟：(1)通過現(xiàn)場擾動試驗獲取實測數(shù)據(jù)；(2)搭建遺傳算法-汽輪機精細化模型，以模型輸出偏差最小作為目標函數(shù)，進行參數(shù)辨識；(3)對辨識結果進行比較驗證，從而確定待辨識參數(shù)的值。本發(fā)明以經(jīng)典汽輪機模型作為出發(fā)點，對廣泛采用的經(jīng)典模型進行精細化改進研究，通過機理分析和試驗研究的方法，詳細考慮主汽壓變化對汽輪機流量的影響和動態(tài)功率系數(shù)的機理形式，建立相應的模型，并結合試驗結果進行參數(shù)辨識，得到精細化汽輪機模型。本發(fā)明的研究結果為電力系統(tǒng)動態(tài)仿真提供能夠準確反映包括擾動響應中后期火電機組有功-頻率特性且不失結構簡明特點的原動機調(diào)速系統(tǒng)模型，同時也為汽輪機調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和優(yōu)化控制提供一定模型基礎，提高電網(wǎng)及火電機組的安全穩(wěn)定性。本發(fā)明主要涉及一種考慮主汽壓偏差對流量影響實際特性的電力系統(tǒng)動態(tài)仿真用汽輪機精細化建模及辨識方法，結合機理分析、試驗參數(shù)辨識等方法建立了精細化汽輪機本體模型，其優(yōu)勢在于：(1)在對汽輪機本體動態(tài)模型建模時，將實際的主汽壓偏差-調(diào)節(jié)級壓力偏差特性納入研究范疇，即考慮了主汽壓-調(diào)節(jié)級壓力變化詳細特性；(2)在對汽輪機做功環(huán)節(jié)建模時，考慮了動態(tài)項，使得功率系數(shù)通過試驗結果直接辨識；(3)在考慮主汽壓-調(diào)節(jié)級壓力變化詳細特性和功率動態(tài)項的條件下，建立了汽輪機本體詳細模型；(4)通過現(xiàn)場擾動試驗結果直接辨識汽輪機本體詳細模型參數(shù)。將此方法應用于電力系統(tǒng)動態(tài)仿真、汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真，采用數(shù)值仿真方法獲得機組的一次調(diào)頻功率響應、調(diào)節(jié)級壓力響應等。附圖說明下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述：圖1建模流程；圖2主汽壓力-調(diào)節(jié)級壓力詳細模型；圖3汽輪機系統(tǒng)精細化模型；圖4參數(shù)辨識流程；圖5遺傳算法-汽輪機系統(tǒng)辨識模型；圖6實施例仿真與現(xiàn)場結果對比。具體實施方式下面結合附圖1～6和實施例對本發(fā)明方法做進一步清楚、完整地描述，但本發(fā)明的實施方式不局限于此。一種考慮主汽壓對流量影響實際特性的汽輪機精細化建模及辨識方法，所述方法的流程如圖1所示，由以下步驟完成：步驟一：基于抽象函數(shù)的泰勒線性化近似方法建立考慮主汽壓力偏差對調(diào)節(jié)級壓力偏差影響實際特性的主汽壓、閥位指令-調(diào)節(jié)級壓力環(huán)節(jié)數(shù)學模型，根據(jù)主汽壓、閥位指令與調(diào)節(jié)級壓力的機理關系寫出抽象機理函數(shù)，再對該抽象函數(shù)進行泰勒級數(shù)展開并取一階近似得到含有待定系數(shù)的機理模型，包括公式和待定系數(shù)(見式(3))；步驟二：建立含有動態(tài)項的汽輪機做功模型，從汽輪機功率基本公式出發(fā)，推導包含理論動態(tài)項的汽輪機功率系數(shù)(見式(21-24))；步驟三：對步驟二和三的待定系數(shù)進行基于遺傳算法的系統(tǒng)辨識，得到汽輪機系統(tǒng)精細化模型(見圖3-5)。步驟三中對含有待定系數(shù)的汽輪機系統(tǒng)模型進行基于遺傳算法的參數(shù)辨識，包括以下步驟：(1)通過現(xiàn)場擾動試驗獲取實測數(shù)據(jù)；(2)搭建遺傳算法-汽輪機精細化模型，以模型輸出偏差最小作為目標函數(shù)，進行參數(shù)辨識；(3)對辨識結果進行比較驗證，從而確定待辨識參數(shù)的值。一、考慮主汽壓力偏差對調(diào)節(jié)級壓力偏差實際特性的主汽壓力-調(diào)節(jié)級壓力環(huán)節(jié)數(shù)學模型(1)由綜合閥位指令、主汽壓力和調(diào)節(jié)級壓力的一般關系知，調(diào)節(jié)級壓力PTiao寫為關于綜合閥位指令和主汽壓力的抽象函數(shù)：PTiao＝PTiao(PGVOrd,PTur)(1)式中：PGVOrd為綜合閥位指令，PTur為主汽壓力。(2)對上式進行泰勒級數(shù)展開，并取一階近似得，記得主汽壓力-調(diào)節(jié)級壓力環(huán)節(jié)公式：PTiaoΔ＝K1PGVOrdΔ+K2PTurΔ(3)待定系數(shù)K1為閥位指令-調(diào)節(jié)級壓力增益；K2為主汽壓力-調(diào)節(jié)級壓力增益。這兩個待定系數(shù)通過參數(shù)辨識獲取。主汽壓力-調(diào)節(jié)級壓力模型見圖2。二、包含動態(tài)項的汽輪機做功模型(1)基于機理公式的單缸汽輪機功率模型由弗留格爾公式得流過單個汽缸的流量DinΔ與其壓力PinΔ公式：DinΔ＝PinΔ(4)在小擾動工況下，忽略效率隨工況的變化，由蒸汽物理特性知，焓降近似為汽缸進、出口壓力的函數(shù)：Hdrop＝Hin(Pin)-Hout(Pout)(5)式中：Hin為汽缸進口的焓值；Hout為汽缸出口的焓值；上述兩個焓值分別是對應壓力的函數(shù)。利用泰勒級數(shù)展開，進行小偏差線性化近似得：式中：HdropIni為初始進出口焓降；PinIni為初始進口壓力；PoutIni為初始出口壓力。式(6)采用偏差相對值進一步寫為：式中：汽輪機功率定義公式：NTur＝DinHdropηTur(8)式中：NTur為汽輪機輸出的機械功率；Din為流入汽輪機的流量；Hdrop為汽缸進口到出口的焓降；ηTur汽輪機效率。在初始工況附近小擾動條件下，汽輪機效率假設不變，則汽輪機功率定義公式(8)進行小偏差線性化：NTurIni+NTurΔ＝(DinIni+DinΔ)(HdropIni+HdropΔ)ηTur(9)式中：NTurIni為汽輪機初始功率；NTurΔ為汽輪機功率偏差；DinIni為汽缸初始進汽量；DinΔ為汽缸進氣流量偏差；HdropΔ為焓降偏差。用額定值標幺化，并采用偏差表達，式(9)進一步寫為：NTurΔPu＝(DinIniPu+DinΔPu)(HdropPu+HdropΔPu)-NTurIniPu(10)式中：不妨假設初始工況為額定工況，則式(10)寫為：NTurΔPu＝(1+DinΔPu)(1+HdropΔPu)-1(11)將式(4)帶入式(11)得：NTurΔPu＝(1+PinΔPu)(1+HdropΔPu)-1(12)進一步將焓降偏差式(7)帶入式(12)得：將上式展開，并忽略二次以上微量得單缸汽輪機的功率公式：(2)將上述通用單缸汽輪機功率公式應用都實際汽輪機的高壓缸、中壓缸和低壓缸，得三個缸的功率公式：高壓缸功率模型：式中：下標RH表示再熱器內(nèi)的蒸汽參數(shù)。中壓缸功率模型：式中：下標IP表示中壓缸參數(shù)。低壓缸功率模型：式中：下標LP表示低壓缸參數(shù)。(3)在前述高、中、低壓缸功率公式基礎上，由汽輪機結構知，汽輪機的軸功率分別為高壓缸、中壓缸和低壓缸各自轉(zhuǎn)換的功率之和。在采用標幺值表示時，必然存在三個功率分配系數(shù)，它們表征了汽輪機對外輸出的軸功率在三個能量轉(zhuǎn)換汽缸間的功率分配。這種關系寫為：NtotalTurΔPu＝NHPΔPuFHP+NIPΔPuFIP+NLPΔPuFLP(18)將式(15)-(17)帶入上式得：上式進一步整理為關于調(diào)節(jié)級壓力PinHPΔPu、再熱壓力PRHΔPu和低壓連通管壓力PCOΔPu的表達式：記：得包含動態(tài)項的汽輪機做功模型：NtotalTurΔPu＝KHPPinHPΔPu+KIPPRHΔPu+KLPPCOΔPu(24)綜合上述分立模型，其它環(huán)節(jié)模型采用經(jīng)典模型結構，則得精細化汽輪機系統(tǒng)模型如圖3所示。圖中K為增益，T為時間常數(shù)，下標CH為高壓缸前汽室參數(shù)，RH為再熱參數(shù)，CO為低壓連通管參數(shù)。三、對含有待定系數(shù)的汽輪機模型進行基于遺傳算法的參數(shù)辨識圖4示出了基于遺傳算法的參數(shù)辨識流程。詳述如下：(1)獲取試驗數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場擾動試驗，獲取功率響應數(shù)據(jù)，作為汽輪機系統(tǒng)參數(shù)辨識的基礎。(2)搭建遺傳算法-汽輪機系統(tǒng)辨識模型如圖4所示，按照實際汽輪機裝置的輸入，以綜合閥位指令和主汽壓力作為汽輪機模型的輸入，以功率作為輸出，搭建汽輪機系統(tǒng)精細化模型。在此基礎上，引入經(jīng)典遺傳算法作為辨識方法，以實測功率與仿真功率偏差的絕對值乘以時間積分即：式中：Obj為目標函數(shù)；NTurΔTest為實測的功率；NTurΔSimu為仿真的功率；t為時間。基于上述辨識方法得模型參數(shù)，進而得到完整的精細化汽輪機模型。實施例1：根據(jù)本發(fā)明所提供的一種考慮主汽壓對流量影響實際特性的汽輪機精細化建模及辨識方法，以某電廠汽輪機為研究對象展開驗證，該汽輪機為超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽凝汽式，其相關參數(shù)如表1所示。表1實施例汽輪機相關參數(shù)表中：p0為主汽壓力。用說明書所述的方法建立精細化汽輪機系統(tǒng)模型；通過現(xiàn)場試驗，獲取汽輪機系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)；再通過圖5所示的遺傳算法-汽輪機系統(tǒng)辨識模型，辨識出待定參數(shù)，得如表2所示的80％額定出力附近的待定參數(shù)結果：表280％額定出力附近的待定參數(shù)結果參數(shù)辨識結果K12.3DGV0.9K30.696TCH3.5TRH18KCO0.75TCO3.6KHP0.5255KIP0.2262KLP0.2483將上述辨識結果帶入汽輪機精細模型，得精細化汽輪機模型仿真與現(xiàn)場的對比結果如圖6所示。由上述對比結果得如下結論：采用本發(fā)明所述的精細化汽輪機模型和辨識方法，能夠得到準確反映實際汽輪機特性的汽輪機系統(tǒng)模型。這種模型和參數(shù)辨識方法具有結構簡單、物理意義明確、便于實施的特點，用于電力系統(tǒng)仿真、汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、控制參數(shù)優(yōu)化等領域。當前第1頁1 2 3