二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型及其建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统仿真建模技术领域，特别涉及一种二次再热机组汽轮机调速 系统仿真模型及其建模方法。
【背景技术】
[0002] 随着节能减排的要求日益提高，为了提高机组循环热效率，大型火电机组无疑都 采用再热循环。机组再热方式包括一次再热和二次再热，与传统的一次再热技术相比，采用 二次再热技术可以提高机组的循环热效率1 %~2%，并能有效地减少氮氧化物和二氧化碳 等燃烧污染废弃物的排放，因此，二次再热技术是电力工业的重要发展方向。
[0003] 二次再热机组的汽轮机包括超高压缸、高压缸、中压缸以及低压缸，在结构上比一 次再热机组增加了一级超高压缸以及超高压主汽调节阀。二次再热机组中蒸汽经过超高压 主汽调节阀进入超高压缸，经超高压缸做功后排汽去往第一级再热器，蒸汽再热后经过高 压主汽调节阀进入高压缸做功，然后高压缸的排汽去往第二级再热器再热后进入中压缸继 续做功。汽轮机转速的调节依靠调节汽机的进汽量来实现，而二次再热机组由于增加了一 级超高压缸，因此相比于一次再热机组增加了一个中间再热容积和超高压汽室容积，以及 超高压主汽门与调节汽门的协调控制，这对二次再热机组转速调节的快速性和准确性有很 大的影响。
[0004] 目前国内成功并网运行的二次再热机组较少，可供借鉴的经验较欠缺，所以通过 建立二次再热机组汽轮机调速系统的模型来研究并发展二次再热机组控制技术具有重要 意义。
【发明内容】
[0005] 本发明采用的是基于MATLAB面向过程的二次再热机组汽轮机调速系统建模方法。 综合考虑二次再热机组汽轮机调速系统中不同环节的数学微分方程式以及各环节之间的 联系，通过建立描述调速系统动态特性的数学模型即建立各环节的传递函数，构建控制对 象流程，然后应用MATLAB软件中的SMULINK模块进行仿真模拟，获得二次再热机组汽轮机 调速仿真系统的运行参数，从而代替实际汽轮机调速系统进行性能分析和自动控制研究。
[0006] 二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型，包括二次再热汽轮机和调速系统，二次 再热汽轮机包括依次连接的分别对转子做功的超高压缸、高压缸和中低压缸，调速系统包 括依次连接的PID控制器、伺服放大器、电液转换器和油动机，油动机与二次再热机组汽轮 机的超高压缸连接，还包括对转子进行测速的测速器及反馈装置，测速器将转子实际转速 反馈给PID控制器，进而调节超高压主汽调节阀门的进汽量；
[0007] 所述模型的输入变量为机组实际转速与给定转速的差值信号，输出变量为机组实 际转速；
[0008] 所述模型采用数学环节模拟二次再热机组汽轮机调速系统的动态特性；
[0009] 所述模型采用功率系数描述二次再热机组各汽缸功率占二次再热机组汽轮机总 功率的百分比；
[0010] 通过不同环节之间的联系以及各环节本身的特性来推导各环节的数学微分方程 式，建立描述对象动态特性的完整数学模型，即建立各环节的传递函数;采用冲激响应法对 传递函数中的时间常数进行参数辨识，采用临界比例带法对二次再热机组汽轮机调速系统 仿真模型中的PID调节器参数进行分步整定，得出调节器的各项参数；
[0011] 所述机组动态特性包括电液转换器、油动机、超高压缸进汽容积、高压缸进汽容 积、转子、一次再热容积、二次再热容积、超高压缸功率、高压缸功率、中低压缸功率对机组 转速调节造成迟滞、超调的影响；
[0012] 所述环节包括：电液转换器环节、油动机环节、超高压缸进汽容积环节、高压缸进 汽容积环节、转子环节、一次再热容积环节、二次再热容积环节、超高压缸功率环节、高压缸 功率环节、中低压缸功率环节。
[0013] 所述机组功率包括超高压缸功率、高压缸功率、中低压缸功率。
[0014] 另外本发明还提供了一种二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型的建模方法，
[0015] 包括以下步骤：
[0016] (1)拆分调速系统的组成为：测速器、PID控制器、伺服放大器、电液转换器、油动 机、反馈装置等;所述机组动态特性:一次再热容积、二次再热容积、汽室容积等对机组转速 调节造成迟滞、超调的影响;及二次再热机组汽轮机功率组成:超高压缸功率、高压缸功率、 中低压缸功率；
[0017] (2)确定输入变量为实际转速与给定转速的转速信号偏差，输出变量为二次再热 机组实际转速，根据调速系统的输入与输出确定各环节之间的相互作用关系，构建对象控 制流程；
[0018] (3)采用数学环节模拟二次再热机组汽轮机调速系统的动态特性；
[0019] (4)采用功率系数描述二次再热机组各汽缸功率占二次再热机组汽轮机总功率的 百分比，二次再热机组的功率组成为超高压缸功率、高压缸功率和中低压缸功率，三者功率 系数相加为1;
[0020] (5)考虑调速系统不同环节之间的联系以及各环节本身的特性来推导各环节的数 学微分方程式，建立描述对象动态特性的完整数学模型，即建立各环节的传递函数；
[0021] (6)面向过程建立二次再热机组汽轮机调速系统模型，并应用MATLAB软件的 SmULINK模块进行仿真模拟，采用冲激响应法对传递函数中的时间常数进行参数辨识；
[0022] (7)采用临界比例带法对二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型中的PID调节器 参数进行分步整定，得出调节器的各项参数。
[0023]优选的，所述步骤(3)中数学环节为比例、积分、微分、惯性、延迟形式。
[0024]优选的，所述步骤(3)中，PID控制器采用数学环节为比例、积分、微分;再热容积、 汽室容积采用一阶惯性数学环节。
[0025] 优选的，所述步骤(5)中，建立超高压缸进汽容积环节的传递函数的推导方法如 下：
[0026] 先建立超高压缸进汽容积数学模型
[0027] qi = qi(si,p) q2 = q2(S2，p)
[0028] qi-流经阀门1的蒸汽流量;q2-流经阀门2的蒸汽流量；
[0029] S1-阀门1的开度；S2-阀门2的开度；
[0030] P--容器内蒸汽压力；
[0031] 根据气体流动的连续方程式有：
[0032] (qi_q2)dt = Vdp
[0033] 式中：P-气体的密度;V-气体体积；
[0034] 将方程按泰勒级数展开，略去高阶项得：
[0040] 对于调节阀与喷嘴之间的容积来讲，因为喷嘴组的出口面积是不变的，所以AS2 =0，即乂32 = 0;
[0041] 因此有：
[0043] 在稳定状态下，
，当阀门1的位移从0变化到AS1Q(此时x sl = l)时，容 积中的压力将从0变化到P0(xp=l)，此时κ2 = 1;
[0044] 因此有气体容积方程为：
[0046] 所以，经过拉式变换得：
[0048]所以，超高压缸进汽容积环节的传递函数为：
[0050]优选的，所述步骤(6)中，辨识过程为在正常情况下对被测对象输入一个阶跃信 号，记录响应曲线，再对冲激响应曲线与模型传递函数进行比较，确定其传递函数类型，最 后通过响应曲线辨识出其所属传递函数的参数。
[0051] 优选的，所述步骤(7)中，整定步骤为先把积分时间调至1^ = %，微分时间调至Td = 0,此时调节器只利用纯比例作用，在干扰作用下整定比例度，使被调参数产生振荡，调到等 幅振荡为止，记下此时的临界比例度3 1{值，及临界周期Tk值，然后根据经验公式计算出各参 数的整定值。
[0052]本发明还提供了二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型的使用方法。
[0053]通过二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型，应用MATLAB软件的SMULINK模块进 行仿真模拟，采用冲激响应法对传递函数中的时间常数进行参数辨识;然后采用临界比例 带法对二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型中的PID调节器参数进行分步整定，得出调 节器的各项参数。
[0054]下面对本发明进一步描述：
[0055] 基于MATLAB面向过程的二次再热机组汽轮机调速系统建模方法，包括以下步骤：
[0056] (8)针对二次再热机组汽轮机调速系统进行详细分析，拆分调速系统的组成（如： 测速器、PID控制器、伺服放大器、电液转换器、油动机、反馈装置等），分析机组动态特性(如 一次再热容积、二次再热容积、汽室容积等对机组转速调节造成迟滞、超调的影响），研