基于PSASP和Simulink的汽轮机调节系统建模与仿真校核

基于PSASP和Simulink的汽轮机调节系统建模与仿真校核盛锴;魏乐;江效龙;寻新
【摘要】汽轮机调节系统模型是电力系统稳定分析的基础数据,模型的准确性决定了电力系统分析的可靠性,因此需要对所建立的汽轮机调节系统模型进行仿真、校核以确保建模质量.针对实际火电机组的汽轮机调节系统具有较为复杂的协调控制系统、导致难于通过专业的电力系统计算程序(如PSASP)实现建模、仿真及校核的问题,提出了一种基于Simulink和PSASP的联合建模方法,利用Simulink的灵活性和PSASP的专业性,实现对汽轮机调节系统的建模及仿真校核.模型仿真及校核的结果表明,该方法能够建立较为精确的模型并满足仿真校核的要求.
【期刊名称】《中国电力》
【年(卷),期】2015(048)002
【总页数】7页(P1-6,26)
【关键词】汽轮机调节系统;协调控制系统(CCS);电力系统综合分析程序(PSASP);Simulink;联合建模;仿真校核
【作者】盛锴;魏乐;江效龙;寻新
【作者单位】国网湖南省电力公司电力科学研究院,湖南长沙410007;华北电力大学控制与计算机工程学院,河北保定 071003;华北电力大学控制与计算机工程学院,河北保定 071003;国网湖南省电力公司电力科学研究院,湖南长沙410007
【正文语种】中文
【中图分类】TK263.7+2
电力系统稳定分析是电网规划和研究的重要手段，其准确性取决于电网基础数据的真实可靠。

电网的“四大参数测试”正是通过试验的方法以精确获得原动机及其
调节系统、发电机、励磁系统和负荷模型等电网基础数据。

作为原动机及其调节系统参数实测的重要组成部分，汽轮机及其调节系统参数测试的目的，是为了建立和规范电力系统并网机组参与电网一次调频的数学模型，为电力系统的中长期稳定性仿真分析提供真实可靠的数据[1-5]。

通过参数实测建立的汽轮机调节系统模型由3个子模型组成：电液调节系统、电
液伺服机构和汽轮机模型。

广义的电液调节系统建模既需要考虑数字电液系统（digital electro-hydraulic control，DEH）中的相关控制逻辑，也要考虑到协
调控制系统（coordinated control system，CCS）。

而目前常用的电力系统计
算程序（如PSASP，PSD-BPA等）所内置的电液调节系统模型并不能保证适用于任何情况[6]，尤其是在现代火电厂中，单元机组协调控制系统CCS得到了广泛应用，其设计理念和思路具有极大的开放性和灵活性，很难将不同等级、不同型号的火电机组的CCS协调控制系统统一到同一个或若干个固定的电液调节系统模型中。

因此，电力系统计算程序所提供的自定义建模功能，如电力系统综合分析程序PSASP中的用户自定义（user defined，UD）建模功能十分有用，它能够帮助使用者灵活地建立与实际机组电液调节系统一致的模型。

尽管UD自定义建模功能扩展了PSASP的使用范围，但仍存在一定的局限性[7]。

当实际的电液调节系统存在明显的离散特性或具有更为复杂的模型结构时，UD功能仍然很难建立真实的汽轮机调节系统。

为此，本文提出了一种利用 Matlab/ Simulink和 PSASP的联合仿真建模方法，利用Matlab/Simulink的灵活性和PSASP的精确性实现对具有复杂协调控制系统的汽轮机调节系统的建模和仿真校核。

在电力系统综合分析程序PSASP中，用于稳定计算用的汽轮机及其调节系统模型
主要由电液伺服机构、汽轮机模型和电液调节系统3部分组成。

其中，电液调节系统根据其控制方式和控制目的调整阀位指令；电液伺服机构根据阀位指令改变执行器（汽轮机调节汽门）的开度控制进入汽轮机的蒸汽流量；蒸汽流量在汽轮机内膨胀做功为机械功率，最终机械功率经发电机转换为电磁功率注入电网。

1.1 电液伺服机构
控制系统中电液伺服机构的结构如图1所示。

图1中，TO、TC为油动机开启、关闭时间常数；PCV为阀位指令值；PGV为调节汽门开度；T2为LVDT变送器时间常数；KP、KI、KD分别为 PID比例、积分、微分环节倍数；其余参数为限幅或限速环节的上限、下限。

1.2 汽轮机模型
图2是再热凝汽式汽轮机模型的结构。

图2中，TCH为高压汽室蒸汽容积时间常数；TRH为中间再热蒸汽容积时间常数；TCO为低压连通管蒸汽容积时间常数；FHP、FIP、FLP分别为高、中、低压缸功率系数，FHP+FIP+FLP＝1；Q为进入汽轮机的蒸汽流量；PM为汽轮机转子的机械功率输出；λ为高压缸功率自然过调系数。

1.3 电液调节系统
图3是PSASP中常用的电液调节系统模型，其中T1是转速变换常数；K1是转速放大倍数；K2是负荷前馈控制系数；PCV是阀位指令值；ε是调频死区。

由图3可知，根据控制目的的不同，该电液调节系统的控制方式有调节级压力反馈控制、纯转速调节和负荷反馈控制3种。

在PSASP上，该模型类似于电气电子工程师协会（IEEE）1973年推荐的典型模型[8]，而当代火电厂中，单元机组协调控制系统得到了广泛应用。

与图3中的模型相比，协调控制系统所对应的模型具有更大的灵活性和更为复杂的结构。

因此，仅考虑典型模型是无法完全反映现有机组的调速控制系统特性，而在汽轮机及其调
节系统建模中，考虑协调控制系统的影响对于保证所建模型的合理性和之后的电力系统稳定分析的准确性有重要影响。

上述分析表明：为了建立全面而准确的汽轮机及其调节系统模型，在建模过程中，需要充分考虑机组的协调控制系统[9]。

尽管各种大型的电力系统分析程序均内置了大量固定模型供用户使用，但是机组协调控制系统结构的复杂多变使得固定模型不能完全满足建模的需要。

在电力系统综合分析程序PSASP中，UD功能使用户无须了解程序内部结构和编程设计，可根据自己计算分析的需要，用工程技术人员熟悉的概念和容易掌握的方法设计各种模型。

UD功能极大地扩充了PSASP的使用范围，使其更为灵活。

然而，UD功能也有其使用的局限性。

在UD功能中，通过对其所提供的基本功能框的连接装配，实现对用户所需模型的设计。

因此基本功能框所具备的功能决定了UD功能最终的适用范围。

与之类似，协调控制系统的设计也是工程技术人员通过分散控制系统（distributed control system，DCS）中的组态软件设计实现的，即组态软件通过对基本功能代码进行组合，实现对控制组态的灵活设计。

然而在实际应用中，UD功能所提供的基本功能框不够丰富，有时无法实现DCS功能码的作用，从而难以仅仅通过UD功能完成全部建模过程。

2.1 协调控制系统结构分析
以某电厂330 MW机组的协调控制系统（汽轮机主控部分，如图4所示）为例，对具有复杂结构的协调控制系统进行说明和分析。

图4中的汽轮机主控模型参数如表1所示。

图4中，CCS侧的一次调频改变量经滤波环节处理后与功率设定值相加作为PI控制器的设定值，其与负荷反馈的偏差作为PI控制器的输入，经其运算后输出，该输出经限速后与来自DEH的流量指令（该流量指令不考虑一次调频增量）相减，送入积分器。

当积分器的输出大于1%时，发流量增指令的脉冲；当积分器的输出
小于-1%时，发流量减指令的脉冲。

以上任意脉冲信号被触发的同时，复位积分器。

此时该脉冲信号送入DEH中，实现对流量指令的增/减。

2.2 建模难点
比较图3和图4，不难发现图4中的协调控制系统结构与PSASP中的电液调节系统结构存在较大的差别，这决定了无法使用PSASP的内置模型进行建模。

而UD
功能所提供的基本功能框又无法通过简单的组合关系有效体现图4中如下若干环
节的特性：（1）汽轮机主控存在限速环节，而UD功能没有直接实现限速功能的基本框；（2）汽轮机主控用于累积PI控制输出与DEH侧流量指令误差的积分环节具有复位功能，而UD功能中无具有复位作用的积分器；（3）汽轮机主控通过增/减脉冲实现对流量指令的控制，而UD功能的基本框无脉冲功能；（4）汽轮
机主控DEH侧的流量指令的增/减是由增/减脉冲控制的流量指令改变量与原流量
指令累加实现的，此时汽轮机主控中实际存在的累加器也是UD功能所无法直接
实现的。

上述分析表明，当火电机组的协调控制系统足够复杂时，PSASP的UD功能可能
存在难于建立对应模型的问题。

为了能够对汽轮机调节系统进行建模、仿真及校核，本文提出了基于Matlab/ Simulink和PSASP的联合建模方式，利用PSASP的专业性和Simulink的灵活性实现对具有复杂协调控制系统的汽轮机调节系统的建模、仿真与校核。

3.1 基于Simulink的汽轮机调节系统建模
与PSASP的UD功能相比，Simulink具有更为丰富且灵活的功能。

本文提出的建模难点中限速环节和带复位功能的积分器可以由Simulink的基本功能块表示，而需要建模的累加器也可由Simulink的基本功能块组合实现，如图5所示。

图5中的累加器是一触发子系统，该子系统通过加法块和Memory寄存器块组合实现。

当外部来的信号为“上升沿”触发信号时，该子系统被激活，Memory寄
存器块所记录的上一时刻的输出与当前输入相加更新为当前输出。

考虑到图4中脉冲块的实际作用，在协调控制系统整体建模中加以实现，而不是
通过直接构建子系统的方式实现脉冲作用，此时所建立的协调控制系统模型如图6所示。

如图6所示，PI控制器经限速后的输出与DEH侧来的流量指令之差经积分器积分输出送入死区环节，若此时积分输出小于死区，则切换开关1、2输出始终为“0”，累加器触发条件不存在，累加器输出保持。

当积分输出越过死区，若此时输出越过的是死区上限，则切换开关1的输出是“+流量指令改变量”，而切换
开关2的输出为“0”，此时切换开关输出之和是“+流量指令改变量”；若此
时输出越过的是死区下限，则切换开关1的输出是“0”，而切换开关2的输出
为“-流量指令改变量”，此时切换开关输出之和是“-流量指令改变量”。

一旦
积分输出越限，累加器触发条件满足，根据其越限方向，流量指令实现增/减，流
量指令（当前值）＝流量指令（前一时刻）±流量指令改变量，同时积分器被复位，积分重新开始。

图6中的流量指令与一次调频前馈之和形成最终的调节汽门指令
以控制调节汽门的开度。

利用Simulink，按图1和图2建立汽轮机调节系统模型中的电液伺服机构和汽轮
机模型，最终建立完整的汽轮机调节系统。

3.2 基于Simulink与PSASP的单机无穷大系统的建模
汽轮机调节模型是电力系统稳定性分析的基础数据，为了确保电力系统分析的准确，需要对所建立的汽轮机调节模型进行仿真校核以确保建模质量。

DL/T 1235—2013《同步发电机原动机及其调节系统参数实测与建模导则》规定对汽轮机调节
系统模型的整体校核应保证仿真功率与实测功率满足其规定要求，然而汽轮机调节系统仅是电力系统一个组成部分，仅仅建立汽轮机调节系统模型是无法实现仿真校核的，因此仍需要建立完整的电力系统模型实现仿真，此时用于仿真的单机系统接
线图如图7所示。

图7中，汽轮机调节系统通过控制汽轮机调节汽门的开度调整进入汽轮机的蒸汽
流量，蒸汽流量在汽轮机内膨胀做功最终输出为汽轮机的机械功率PM，机械功率经发电机转换成电磁功率PE后注入电网。

实际中机组的机械功率是无法直接测量的，能够实测得到的功率实际是机组的电磁功率。

如图7所示，机组电磁功率不仅受汽轮机调节系统的影响，也与发电机、
励磁系统和电网等因素有关。

发电机、励磁系统等具有较强的非线性特征，以PSASP中的6阶发电机模型为例，用于描述其特征的数学方程式见文献[10]。

由于发电机模型的数学方程十分复杂，尽管本文已经建立了具有复杂协调控制系统的汽轮机调节系统模型，但要在Simulink中实现最终的仿真与模型校核，仍然需要在Simulink中建立复杂的电力系统模型，这不仅增加了建模难度，也加大了建模工作量。

与Simulink相比，PSASP是专业的电力系统分析软件，利用PSASP
可以构建真实的电力系统仿真环境。

为此，本文提出了基于Simulink与PSASP
的联合建模仿真方式。

电力系统研究中，Prony分析的思想指出：根据输出/输入在扰动作用下的关系，
可以从全阶模型中抽取出线性化的低阶模型，从而得到相关的传递函数。

基于Simulink与PSASP的联合建模仿真是指：（1）在PSASP建立除汽轮机调节系
统之外的真实而完整的电力系统模型；（2）在PSASP中设置仿真条件，令机械
功率阶跃变化，从而得到相应变化的电磁功率；（3）根据机械功率/电磁功率的
变化关系曲线，抽取线性化的低阶传递函数模型，以该模型代表包含发电机、电网的电力系统模型；（4）最终在Simulink中，以该低阶模型代替复杂的高阶模型，从而建立完整的电力系统模型[11-12]。

此时低阶传递函数模型为
式（1）中，wn为系统自然振荡频率；ξ为系统阻尼系数。

根据大电网数据，在PSASP中建立该机组对应的单机系统模型；根据Prony分析，确定式（1）中的
模型参数，此时wn＝9.245 rad/s，ξ＝0.177，G（s）为
图8是低阶传递函数模型G（s）与PSASP内置模型在机械功率阶跃变化时的有
功功率响应曲线，由图8可以看出传递函数模型对应的功率响应曲线与PSASP内置模型功率响应曲线具有近乎一致的变化趋势。

3.3 仿真校核结果
在Simulink中，对所建立的汽轮机调节系统模型进行CCS闭环方式下的仿真校核，校核结果如图9和图10所示。

表2为模型整体仿真与实测品质参数的偏差，其中PHP是汽轮机高压缸最大处理增量；THP是汽轮机高压缸峰值时间；ts是系统调节时间。

由表2知，所有指标
均在允许值范围内，且具有较高的仿真精度。

针对当实际机组具有较为复杂的协调控制系统而导致无法实现对其汽轮机调节系统进行建模、仿真及校核的问题，本文提出了一种基于PSASP与Simulink联合建
模的方法，利用PSASP的专业性和Simulink的灵活性，最终实现了对具有复杂
协调控制系统的汽轮机调节系统的建模、仿真与校核。

对于那些由于模型结构较为复杂而造成难于在专业的电力系统计算程序中实现汽轮机调节系统建模的机组而言，本文所提出的方法不失为一种新思路。

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