一种超临界中间再热式机组滑压运行时参与电网一次调频的控制方法及控制系统模型与流程
本发明属于超临界机组一次调频技术领域，特别涉及一种超临界中间再热式机组滑压运行时参与电网一次调频的控制方法及控制系统模型。
背景技术：
电网负荷改变，继而引起电网频率变化时，电网中全部并列运行的机组均自动的按其静态特性承担一定的负荷变化以减小频率的改变，这就是一次调频。一般发电机组均采用有差调节，一次调频不能精确的维持电网频率不变，但可以缓和频率改变的程度并保证机组的安全，并且对频率的变化反应较快。二次调频动作时，二次调频是无差调节，可使电网频率精确的恢复到原来的额定频率。当二次调频作用完成后，参与一次调频的调速器恢复到原来的位置。
对于并列运行机组间的负荷自动分配是根据它们各自的静态特性进行的，不均匀度越大，则分配给该机组的负荷越小，不均匀度较小的机组承担较大的负荷变化。一般来说并列运行的机组不均匀度相近，如果其中某台机组不均匀度特别小，则电网的频率波动会导致这台机组功率很大的波动，不能正常工作，电网容量越大，并列运行机组不均匀度越小，频率的稳定越容易保证。
超临界中间再热式机组是冷凝式机组向大功率发展的产物。为了提高经济性，同时又受到高温材料限制，目前几乎所有大功率冷凝式透机组均采用了中间再热。超临界中间再热式机组一般采用单元制，并配有旁路系统和中压联合汽门，以解决机炉最小负荷不一致及甩负荷时因中间再热容积导致的动态超速的问题。单元机组有两种基本的运行方式：定压运行和滑压运行。定压运行可能导致非常大的节流损失，因此，目前基本都采用滑压运行。滑压运行较易维持新汽温度和再热温度在较大温度范围内不变，可保证汽轮机组稳定的内效率，也有利于机组的快速启停和工况变化，但是滑压运行时，高压调节阀和中压调节阀是全开的，同时锅炉的热惯性较大，时间常数达100～300秒，当电网负荷降低时，无法及时的做出反应并参与一次调频。另外，随着并网运行机组容量的增加，网架构建的复杂化，新型间歇式电源的大量引入，北方冬季供热需求等导致的电网负荷与并列机组功率不平衡的问题，均严重影响电网频率的稳定性。作为发电主力的超临界中间再热式机组对电网负荷变化及时反应即参与一次调频就显得尤为重要。
综上，亟需一种新的超临界中间再热式机组滑压运行时参与电网一次调频的控制方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种超临界中间再热式机组滑压运行时参与电网一次调频的控制方法及控制系统模型，以解决上述存在的超临界中间再热式机组滑压运行情况下无法参与电网一次调频的问题。本发明的控制方法及控制系统模型，能够使超临界中间再热式机组滑压运行时参与电网一次调频，缓和频率的改变，维持功率与负荷的平衡。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种超临界中间再热式机组滑压运行时参与电网一次调频的控制方法，包括以下步骤：
在给定工况稳定运行时，高压调节阀全开，中压调节阀全开或调至预设开度；电网负荷降低时，获取发电机转速差信号并将其作为前馈信号，获得高压调节阀信号cv1和中压调节阀信号cv2；根据高压调节阀信号cv1获得高压调节阀开度调节信号gv1，根据中压调节阀信号cv2获得中压调节阀开度调节信号gv2；其中，高压调节阀和中压调节阀同时参与一次调频，调节完毕后，高压调节阀调至全开状态。
本发明的进一步改进在于，基于的超临界中间再热式机组系统包括：锅炉、高压汽轮机、中压汽轮机、低压汽轮机、过热器、再热器和冷凝器；
锅炉经过热器通过第一管路与高压汽轮机的进汽口相连通，高压汽轮机的出汽口通过第二管路与再热器的入口相连通，再热器的出口通过第三管路与中压汽轮机的进汽口相连通，中压汽轮机的出汽口通过第四管路与低压汽轮机的进汽口相连通，低压汽轮机的出汽口与冷凝器相连通；
第一管路上设置有高压主汽阀和高压调节阀；第三管路上设置有中压主汽阀和中压调节阀。
本发明的进一步改进在于，基于的超临界中间再热式机组模型包括：
将主汽压力信号p0和高压调节阀开度调节信号gv1叠加后获得的信号输入惯性环节得到高压缸进汽量的相对变化量d0信号；
d0信号经中间再热惯性环节后获得的信号与中压调节阀开度调节信号gv2叠加后获得中压缸进汽量的相对变化量d1信号；
d1信号经低压惯性环节后，得到的低压缸进汽蒸汽变化量信号；
在功率比系数调节下得到汽轮机功率输出信号pt，汽轮机功率输出信号pt为高压缸、中压缸和低压缸三者出力之和。
本发明的进一步改进在于，电网负荷变动时，采集获取实时的发电机转速差信号δn，将其经转速变送器惯性环节模块输入调速死区模块，调速死区模块的输出接入调差系数模块，调差系数模块的输出接入第一求和模块，第一求和模块的另一输入为电力系统负荷基准值ps，电力系统负荷基准值ps与调差系数模块的输出在第一求和模块做差运算获得功率波动信号；
第一求和模块输出的功率波动信号一路经增益系数为k4的增益模块放大后输入第二求和模块，另一路输入第三求和模块，再一路经增益系数为k2的增益模块放大后输入第四求和模块；实时发电机功率pt经功率变送器惯性环节模块后输入第三求和模块；第三求和模块出的信号依次经比例调节模块p2和增益系数为k3的增益模块放大后输入第二求和模块，第二求和模块输出中压调节阀信号cv2；第三求和模块出的信号依次经比例调节模块p1和增益系数为k1的增益模块放大后输入第四求和模块，第四求和模块输出高压调节阀信号cv1。
本发明的进一步改进在于，通过高压油动机实现高压调节阀的调节；通过中压油动机实现中压调节阀的调节；
高压调节阀信号与高压油动机反馈行程的偏差值经过综合放大模块并联的比例放大环节、积分环节，综合放大模块的输出限幅，油动机过速开启、过速关闭限制，再经油动机开启或关闭调节，最终输出高压调节阀开度调节信号gv1；
中压调节阀信号与中压油动机反馈行程的偏差值经过综合放大模块的比例放大环节、积分环节，综合放大模块的输出限幅，油动机过速开启、过速关闭限制，再经油动机开启或关闭调节，最终输出中压调节阀开度调节信号gv2。
本发明的进一步改进在于，当负荷变化时，调节阀信号也传送给锅炉控制系统，经控制器、执行机构调节燃料调节阀门开度及主蒸汽的压力。
本发明的进一步改进在于，额定工况下，中压调节阀的预设开度为留有5％～15％的节流。
一种超临界中间再热式机组滑压运行时参与电网一次调频的控制系统模型，包括：转速变送器惯性环节模块、调速死区模块、调差系数模块、功率变送器惯性环节模块、比例调节模块p1、比例调节模块p2、第一求和模块、第二求和模块、第三求和模块、第四求和模块、增益模块k1、增益模块k2、增益模块k3和增益模块k4；
转速变送器惯性环节模块的输入端用于接收发电机转速差信号；调速死区模块的输入端与转速变送器惯性环节模块的输出端相连接；调速死区模块的输出端与调差系数模块的输入端相连接，调差系数模块的输出端与第一求和模块的输入端相连接；第一求和模块的输入端还用于接收负荷基准值；第一求和模块的输出端与增益模块k2的输入端相连接；增益模块k2的输出端与第四求和模块的输入端相连接；
功率变送器惯性环节模块的输入端用于接收实时发动机功率信号，功率变送器惯性环节模块的输出端与第三求和模块的输入端相连接；第三求和模块的输出端与比例调节模块p1的输入端相连接；比例调节模块p1的输出端与增益模块k1的输入端相连接，增益模块k1的输出端与第四求和模块的输入端相连接；第四求和模块的输出端用于输出高压调节阀的调节控制信号；
第一求和模块的输出端还分别与第三求和模块和增益模块k4的输入端相连接；增益模块k4的输出端与第二求和模块的输入端相连接；第三求和模块的输出端还与比例调节模块p2的输入端相连接，比例调节模块p2的输出端与增益模块k3的输入端相连接，增益模块k3的输出端与第二求和模块的输入端相连接；第二求和模块的输出端用于输出中压调节阀的调节控制信号。
其中，转速变送器惯性环节模块的输入端接收实际的转速差信号δn，然后进入调速死区模块，该信号超出死区信号后，接入调差系数模块，并与负荷基准值ps同时输入第一求和模块进行做差运算得到功率波动信号；
实际功率pt接入功率变送器惯性环节模块得到功率测量信号，再经比例调节模块p1和增益系数为k1的增益模块放大得到高压阀的功率调节信号；
第一求和模块输出的功率波动信号经增益系数为k2的增益模块放大后，再与高压阀的功率调节信号在第四求和模块叠加，第四求和模块的输出为高压调节阀信号cv1；
第三求和模块输出的信号经比例调节模块p2和增益系数为k3的增益模块放大得到中压阀的功率调节信号，第一求和模块输出的功率波动信号经增益系数为k4的增益模块放大后，再与中压阀功率调节信号在第二求和模块叠加，第二求和模块的输出为中压调节阀信号cv2。
进一步地，还包括：高压油动机和中压油动机；
高压调节阀信号与高压油动机反馈行程的偏差值经过综合放大模块并联的比例放大环节、积分环节，综合放大模块的输出限幅，油动机过速开启、过速关闭限制，再经油动机开启或关闭调节，最终输出高压调节阀开度调节信号gv1；
中压调节阀信号与中压油动机反馈行程的偏差值经过综合放大模块的比例放大环节、积分环节，综合放大模块的输出限幅，油动机过速开启、过速关闭限制，再经油动机开启或关闭调节，最终输出中压调节阀开度调节信号gv2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的用于超临界中间再热式机组滑压运行时参与电网一次调频的控制方法，当机组在额定工况下运行时，高压调节阀和中压调节阀全开，没有节流损失；当机组负荷变化时，输出功率与负荷不平衡，导致转速发生变化，以此转速变化信号作为前馈信号同时传递给高压调节阀和中压调节阀，经比例积分控制器，通过执行机构，调节阀门开度，利用了中间再热蒸汽容积的蓄热能力，可显著增加机组滑压运行时参与一次调频的能力，提高电网频率的安全性和稳定性，保证机组的安全。当二次调频进行无差调节后，参与一次调频的高压调节阀和中压调节阀恢复到原来的开度，这样的控制策略可有效维持新蒸汽的压力，保证系统的循环效率，有效的减少节流损失。
本发明的控制方法，将转速变化信号作为高压调节阀和中压调节阀的前馈信号，经过执行机构调节高压调节阀和中压调节阀的开度，实现超临界中间再热式机组滑压运行时参与电网一次调频，缓和频率的改变，维持功率与负荷的平衡；其通过利用中间再热管道的蒸汽容积，中压调节阀和高压调节阀同时动作，能够有效增强超临界中间再热式机组滑压运行时参与一次调频的能力，减少电网频率的波动程度，可尽可能维持主蒸汽压力的恒定，保证系统的循环效率；当二次调频发挥作用进行无差调节后，阀门恢复到原来的位置，可减少节流损失。
进一步地，为了当机组负荷增加时，能够及时参与响应，缓解电网频率的降低，中压调节阀会留有5％～15％的节流。
本发明的控制模型，可实现超临界中间再热式机组滑压运行时参与电网一次调频，提高电网频率的安全性和稳定性，保证机组的安全。
附图说明
图1是现有的超临界中间再热式机组三级旁路系统示意图；
图2是现有的汽轮机跟随控制方式(滑压运行)示意图；
图3是现有的机炉协调控制方式(滑压运行+调节调节阀开度)示意图；
图4是本发明实施例中超临界中间再热式机组模型示意图；
图5是本发明实施例中超临界中间再热式机组控制系统模型示意图；
图6是本发明实施例中执行机构示意图；
图中，1、锅炉；2、高压汽轮机；3、中压汽轮机；4、低压汽轮机；5、过热器；6、再热器；7、冷凝器；8、高压主汽阀；9、高压调节阀；10、中压主汽阀；11、中压调节阀；12、第一旁通阀；13、第二旁通阀；14、第三旁通阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，图1是超临界中间再热式机组的三级旁路系统图。机组在低负荷工况(低于额定工况)时，对锅炉而言其最小允许负荷一般为额定蒸发量的30％～50％，负荷再低将导致锅炉燃烧不稳定，水循环被破坏，导致锅炉熄火；汽轮机空载运行时，进汽量仅需额定值的5％～8％，因此旁路系统的设置可处理锅炉的过剩蒸汽。旁路系统的设置也可改善单元机组的启动条件，大型机组通常采用滑参数启动，启动过程包括冲转、暖机、升速和并网带负荷等，每一步对蒸汽的压力、温度、流量都有不同的要求，若仅仅依靠调节锅炉的燃烧工况是无法达到的，因为锅炉的热惯性较大。在高压汽轮机2前设置高压主汽阀8和高压调节阀9，中压汽轮机3前设置中压主汽阀10和中压调节阀11，当汽轮机负荷降低较少时即电网频率大于50+0.5hz，不需要旁路系统动作，滑压运行时，由于锅炉的热惯性较大，不能及时改变新蒸汽压力，仅仅依靠中间再热管道的蒸汽容积，调节中压调节阀11的开度，以减少中低压汽轮机的输出功率，维持功率与负荷的暂时稳定，缓解电网频率的改变，而且滑压运行时，负荷降低会使机组循环效率明显下降，因为初蒸汽压力降低使得机组蒸汽可用焓减少，因此需调节中压调节阀开度与初蒸汽压力降低幅度，以使系统的循环效率达到最佳。机组在稳定运行时，工质水在锅炉1中吸收热量，经过热器5达到超临界状态，通过高压汽轮机2膨胀做功后，经再热器6加热，然后依次通过中压汽轮机3和低压汽轮机4膨胀做功，最后经冷凝器7冷凝，然后经过一系列措施达到进锅炉前的状态，至此完成一个水循环。第一旁通阀12、第二旁通阀13和第三旁通阀14，机组正常运行时均处于关闭状态。
本发明实施例的一种超临界中间再热式机组滑压运行时参与电网一次调频的控制方法，控制策略包括：机组稳定运行时，由于采用滑压运行策略，高压调节阀和中压调节阀全开，有时为了当机组负荷增加时，能够及时参与响应，缓解电网频率的降低，中压调节阀会留有5％～15％的节流。但是当电网负荷突然降低时，此处负荷突然降低指短时间内实际负荷与额定负荷产生较大偏差，如出现联络线跳闸，电网频率突然增加，严重威胁机组安全及电网安全稳定运行，因此需要大型机组及时作出反应，参与一次调频，缓解电网频率的改变。此时，将发电机转速变化信号作为前馈信号同时传递给高压调节阀和中压调节阀；传统的调节方式是只将控制信号传递给高压调节阀，但由于再热管道较大的蒸汽容积会造成功率迟延，因此，中压调节阀需及时动作，增加机组的一次调频能力，但当滑压运行策略，锅炉作出反应，并调节新蒸汽压力，待二次调频完成调节作用时，调节阀恢复到原来的开度，减少节流损失。
请参阅图2和图3，为超临界中间再热式汽轮机的调节方式；图2表示的是汽轮机跟随控制方式(滑压运行)，滑压运行时调节阀全开，没有节流损失，但无法参与一次调频；图3表示的是机炉协调控制方式，机炉协调控制方式是将调节信号同时送给锅炉和汽轮机，一方面可利用中间再热管道的蒸汽容积使机组快速反应，另一方面又可同时改变锅炉出力，使新蒸汽压力波动较小。
为研究此发明对机组参与一次调频能力的改善，建立如图4所示的超临界中间再热式机组的模型结构，如图5所示的控制系统模型，在该结构中有pi控制器、负荷反馈控制回路和以转速变化信号作为扰动信号的前馈控制。其中，p0—主蒸汽压力的相对变化量；pt—发电机实际功率；ps—负荷基准值；d0—高压缸进汽量的相对变化量；d1—中压缸进汽量的相对变化量；tn—转速变送器的时间常数；tch—高压缸蒸汽容积的时间常数；trh—中间再热管道蒸汽容积的时间常数；tco—低压连通管蒸汽容积的时间常数；tp—功率变送器的时间常数；λ—功率自然过调系数。
图4超临界中间再热式机组模型中，根据超临界机组的结构特点，将其分为锅炉、高压缸、中间再热容积、中压缸、低压联通管道和低压缸部分，分别建立各部件和控制系统以及执行机构的动态模型并进行连接。其中，tch、trh和tco分别代表高压调门后和调节级汽室蒸汽容积时间常数、中间再热蒸汽容积时间常数和低压连通管容积时间常数，fhp、fip和flp则分别代表高、中、低压缸的功率比系数。经典的再热式汽轮机模型中假定主汽压力恒定，然而机组变工况运行时，主汽压力是变化的，主汽压力变化会导致机组进汽量变化，从而直接影响汽轮机的出力，所以本发明引入了主汽压力信号p0作为另一输入，联合调门开度信号gv1对机组进汽量进行修正。叠加后的信号经惯性环节得到高压缸进汽量的相对变化量d0信号，d0信号经中间再热惯性环节后的信号与中压调节阀开度信号gv2叠加后作为中压缸进汽量的相对变化量d1信号，信号d1经低压惯性环节后，得到的低压缸进汽蒸汽变化量信号在功率比系数调节下得到高压缸汽轮机功率输出信号，为了让仿真能够更贴实际、提高模型精确度，机组模型引入高压缸功率自然过调系数对高压缸做功环节进行修正；与此类似，中压缸做功环节引入中压缸功率自然过调系数对模型进行修正。汽轮机总功率输出pt为高、中、低压缸三者出力之和。
图5为超临界中间再热式机组控制系统模型，转速变送器惯性环节模块的输入端接收实际的发电机转速差信号δn，然后进入调速死区模块，调速死区模块具有处理误差的作用，当误差小于设定死区宽度时输出为0，当误差大于设定死区宽度时，死区的输入与输出成线性关系。发电机转速差信号δn超出死区信号后，接入调差系数模块，并与电力系统负荷基准值ps同时输入第一求和模块进行做差运算得到功率波动信号；实时发电机功率pt接入功率变送器惯性环节模块得到发电机功率测量信号，发电机功率测量信号与功率波动信号叠加求和后再经比例调节模块p1和增益系数为k1的增益模块放大得到高压调节阀的功率调节信号；第一求和模块输出的功率波动信号经增益系数为k2的增益模块放大后，再与高压调节阀的功率调节信号进行前馈叠加输出到高压调节阀得到高压调节阀信号cv1；第三求和模块输出的信号经比例调节模块p2和增益系数为k3的增益模块放大得到中压调节阀的功率调节信号，中压调节阀的功率波动信号经增益系数为k4的增益模块放大后，再与中压调节阀功率调节信号进行前馈叠加输出到中压调节阀得到中压调节阀信号cv2。
请参阅图6，调节系统的执行机构主要包括高压油动机和中压油动机。调节阀信号与油动机反馈行程的偏差值经过综合放大模块的比例、积分环节，综合放大模块的输出限幅，油动机过速开启、过速关闭限制，再经油动机开启或关闭调节，最终输出调门开度。此外，当负荷变化时，调节信号也传送给锅炉控制系统，经控制器、执行机构调节燃料调节阀门开度及主蒸汽的压力。具体的，执行机构输入为阀门调节指令信号cv与来自反馈环节的阀门开度信号，输出为阀门开度信号gv，阀门指令信号cv与阀门开度反馈信号经求和模块做差运算后得到新的调节阀门指令信号，阀门指令信号经并联环节的比例放大环节倍数kp和积分环节
本发明中，高压缸蒸汽容积时间常数、中间再热容积时间常数、低压连通管容积时间常数、转速变送器时间常数、调速系统速度变动率等以上参数可通过对机组调节系统进行参数辨识获得；本发明针对某中间再热式机组采用以上模型及调节方法进行模拟，并与试验数据做对比，验证了上述方法可有效增加超临界中间再热式机组的一次调频能力，且响应较快。并研究了高压调节阀前馈比例系数及中压调节阀前馈比例系数对调节系统特性的影响，结果表明：
(1)机组采用滑压运行控制策略，当负荷变动时，利用中间再热管道的蒸汽容积，将转速变化信号作为前馈信号同时传递给高压调节阀和中压调节阀，使高压调节阀和中压调节阀同时动作，可提高机组对负荷的快速响应能力，同时主蒸汽压力也不会产生较大的变化，有效避免机组循环效率的降低。并且将反馈控制与前馈控制相结合，发挥前馈控制和反馈控制各自的优点，使一次调频控制系统的性能更高。
(2)当中压调节阀参与一次调频时，应匹配好高压调解阀和中压调节阀的前馈比例系数，否则会导致高压调节阀的控制对机组的动态响应几乎没有影响，进而影响整个调节系统的动态特性。
(3)滑压运行时，可能会使系统的循环效率降低，因此要尽可能的维持新蒸汽的初焓，利用中间再热管道的蒸汽容积，调节中压调节阀门的开度，使机组维持新蒸汽压力的恒定，保证了系统的循环效率。
为解决超临界中间再热式机组滑压运行情况下无法参与电网一次调频的问题，本发明提出了一种新的控制系统，将转速变化信号作为高压调节阀和中压调节阀的前馈信号，利用中间再热蒸汽容积，经过执行机构调节高压调节阀和中压调节阀的开度，缓和频率的改变，维持功率与负荷的平衡。当机组采用滑压运行策略，负荷变动时，利用中间再热容积的蓄热，将转速变化信号作为前馈信号同时传递给高压调节阀和中压调节阀，采用比例积分控制，使机组快速响应，提高机组参与一次调频的能力，尽力维持了主蒸汽压力的相对稳定，保证了系统的循环效率，当系统的二次调频发挥作用后，高压调节阀和中压调节阀恢复到原来的位置，避免过多的节流损失。
火电汽轮机运行方式有定压和滑压运行方式之分。定压方式下新蒸汽压力和温度保持不变，通过阀门改变开度调节机组负荷，滑压运行方式下汽轮机的调节阀全开，依靠改变主蒸汽压力来调节汽轮机的功率。对于汽轮机组发电功率较大的机组定压运行跳发阀门的平均压损高于滑压运行调节阀门的平均压损。本发明中提出的一种超临界中间再热式机组滑压运行时参与电网一次调频，有效解决了定压运行条件下造成调节阀门较大的压损，而单独的超临界滑压运行机组发电负荷并网时易造成电网功率和负荷之间的失衡，不能使电网的稳定安全运行，本发明提出了在滑压运行条件下对汽轮机组高压阀和中压阀控制方法，使机组能快速响应功率和负荷之间的变化，待二次调频完成精准调频后，调节阀门恢复到原来的阀门开度，很大程度上有效减少了平均节流损失。
综上所述，本发明提出了一种新的用于超临界中间再热式机组滑压运行时参与电网一次调频的控制方法，通过利用中间再热管道的蓄热能力，同时调节高压调节阀和中压调节阀的开度，并结合滑压运行的控制策略，使机组参与一次调频。本发明中，机组采用滑压运行的控制策略，在机组负荷变动时，该控制系统将转速变化信号作为前馈信号同时传递给高压调节阀和中压调节阀，高压调节阀和中压调节阀同时动作，使机组对负荷变化进行快速反应，尽可能的维持新蒸汽压力的恒定，提高机组响应负荷变化的能力，维持电网频率的稳定，保证系统的循环效率。待二次调频发挥作用，将一次调频卸掉，阀门恢复到原来的位置。一次调频的调节时间极短，又同时结合滑压运行策略，中压调节阀的动作不会产生过多的节流损失。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
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