电力系统全过程动态仿真中的长过程动态模型

主蒸汽压力
Fig. 2
图 2 火电厂基本功能框 Functional block diagram of thermal power plant
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频率偏差 KM − Σ − KP
Power System Technology
Vol. 26 No. 11
Committee 1973 年推荐的汽轮机调速器模型。
伺服马达
截止阀
IV
图 5 MHC 汽轮机调节系统基本功能框图 Fig. 5 Functional block diagram of MHC steam turbine regulator
ABSTRACT: In power system full dynamic simulation besides the electric-mechanical transient processes of dynamic elements of power system should be simulated in detail, the detailed dynamic models of mid- and long-term processes are necessary. The dynamic models, such as thermal power plant, hydroelectric power plant, nuclear power plant and the automatic generation control (AGC), which are necessary for power system full simulation are implemented in power system full dynamic simulation software. KEY WORDS: power systems dynamics; long term dynamic simulation; long term dynamic models 摘要： 电力系统全过程动态仿真除了需要详细模拟电力系统 动态元件的机电暂态过程外， 还要有详细的中长期过程的动 态模型。 电力系统全过程仿真所需要的火电厂动力系统的数 学模型、水电厂动态模型、 压水堆核电站模型以及发电自动 控（AGC）模型等已在电力系统全过程仿真软件中得到实 现。 关键词：电力系统动态；长过程动态仿真；长过程动态模型 中图分类号：TM 743 文献标识码：A
表1 机电暂态、中长期过程的数学模型和假设条件 Fig. 1 The models and assumptions of electromechanical transient simulation and long-term dynamic simulation
机电暂态过程 考虑 考虑 考虑 考虑 考虑 考虑 否 否 否 否 否 否 否 否 否 否 中长期动态过程 考虑 考虑 考虑 考虑 考虑 考虑 考虑 考虑 考虑 考虑 考虑 考虑 考虑 考虑 考虑 考虑
1
概述
系统模型 网络 发电机 励磁系统 调速系统 负荷 汽轮机 锅炉等热力设备 水力系统模型 核反应堆模型 AGC 可调变压器 电压频率调节器 网络频率特性 网络阻抗频率特性 主蒸汽压力变化 继电保护与自动装置
电力系统机电暂态过程仿真软件主要研究电 力系统出现扰动后几秒到十几秒的动态特性，一般 着重对系统中各元件响应特性较快的部分进行详 细模拟，选用的数学模型阶次较高，为保证计算精 度多采用较小步长。 电力系统长期动态过程持续时间在 10 min 以 上，在暂态过程仿真中的某些动态特性的简化假设
1 TLR
1 s
LRmin
LR
1− KM + PT ref Σ 汽压 PT
控制模式
K11 + Σ + Fuel
拟，它应包括汽轮机、控制阀和截止阀调节系统以 及蒸汽阀特性和线性化电路等的作用和影响。因 此，IEEE Committee 在 1991 年给出了更为详尽的 原动机系统动态模型作为中长期动态过程仿真的 推荐模型。 下面以机械液压调速系统为例作一简要说明。 机械液压调速器(MHC)包含速度调节器、速度继电 器和伺服马达（图 5） 。
1 1 + sTT
LRopen 1 LRclose 1 实际功率 LRmax
KF LD − Σ
但是 IEEE 1973 年模型给出的汽轮机调速系统 的线性模型对于中长期动态过程仿真是不够的。它 只考虑了控制阀调节系统，这种模型用来描述一般 情况下小频率偏差时的调速作用是可以的。对于大 的频率偏差情况，需要一个准确的非线性模型来模
基金项目：国家电力公司科技项目（SPKJ009-3） 本课题系列论文共四篇。
第 26 卷 第 11 期
电 网 技 术
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电力系统由发电厂、变压器、输电线路、负荷 和电力电子装置 （如直流输电系统、 FACTS 装置等） 以及自动控制装置 （如 AGC、 继电保护等） 等构成。 电力系统全过程动态仿真考虑的电力系统模型如 图 1 所示。
汤 涌，宋新立，刘文焯，周孝信
（中国电力科学研究院，北京市 100085）
POWER SYSTEM FULL DYNAMIC SIMULATION PART III: LONG TERM DYNAMIC MODELS
TANG Yong, SONG Xin-li, LIU Wen-zhuo, ZHOU Xiao-xin （China Electric Power Research Institute, Beijing 100085, China ）
发电机定子电压 方程坐标转换 发电机转子电压方程 发电机转子运动方程 励磁系统 原动机 调速系统 发电厂 ｝ 马达 ｝ 非线性负荷 HVDC、FACTS 等 … 输电网络方 程（包括线 性负荷） … …
2.1 锅炉模型[1] 在电力系统全过程动态仿真软件中，锅炉模型 采用 IEEE 推荐的标准模型（图 3） ，该模型可以模 拟燃煤和燃油的火电厂动态特性，包含燃烧调节回 路而省去了给水调节回路。这种简化的方法与实际 系统相吻合，因为在实际系统设计中，对给水环节 的安全性考虑比较周到， 给水环节是单元制机组 （ห้องสมุดไป่ตู้ 台机对应一台锅炉） ，而母管集中控制机组（多台机 对应一台锅炉）则很少，给水泵设计均为两套，一 套运行，一套备用，一旦系统发生意外一套水泵不 能维持正常水压，另一套水泵将自动投入运行。所 以给水环节在火电厂的动态特性中所起作用并不是 很大，在仿真中可以忽略。
此压力信号送入压力控制器，经燃煤控制改变锅炉 的给煤量及其送风量等信号。在负荷变化时，汽轮 机输出功率的迅速改变完全依靠于锅炉的蓄热能 力。 2）汽轮机跟随锅炉控制： 负荷给定值变化时，调节锅炉的燃煤量和给风 量。当锅炉的蒸汽量开始改变后，锅炉的压力也随 之变化。根据锅炉主蒸汽压力信号，汽轮机改变汽 门开度，从而改变汽轮机进汽量，使得汽轮机的输 出功率达到负荷要求。 3）锅炉汽轮机协调控制： 当负荷给定值改变时，通过协调控制方式，向 锅炉和汽轮机分别发出调节负荷的信号，改变锅炉 给煤量、送风量及汽轮机的进汽量。同时根据压力 的变化相应限制汽轮机的汽门开度，适当加强锅炉 的调节作用。 其调节原理为： 由AGC获得的功率信号或手动 控制的功率信号，该功率信号与其他信号相结合形 成机组期望发电出力，在一闭环回路中驱动汽轮机 阀门使得实际发电出力达到期望值，同时给锅炉输 入量提供反馈信号。 2.2 汽轮机及其调速器模型[1] 在电力系统全过程动态仿真软件中，汽轮机模 型采用汽轮机通用模型，通过选取不同参数，可以 模拟无再热器、串联组合单再热、双再热、交叉组 合单再热、双再热环节，另外还可以模拟有中间截 止阀的各类汽轮机模型。 汽轮机调速系统包括三个部分：一般速度/负荷 限制、过速控制和过速切除。另外汽轮机控制还包 括一些其他控制，如：启动/切除控制和辅助压力控 制。这部分模型参考了国内通用的有失灵区环节的 液 压 调 速 、 功 率 电 液 调 速 系 统 模 型 以 及 IEEE
燃料 空气 信号
1 C SH s
K ＋ Σ −
1 燃烧动态 Q 模型 1 + sTW
.
mw ＋
.
Σ
−
水冷壁滞后
图 3 锅炉模型框图 Fig. 3 Block diagram of boiler
2
火电厂动力系统数学模型[1, 2]
模型中燃烧回路的燃煤动态特性可以用惯 1 性环节 和延迟环节 ε − Ds 表示。D 的选值取 1 + TF s 决于锅炉的容量及类型。 TF 的选取对于不同类型的 锅炉， 其数值相差很大： 对于中间仓储式粉煤系统， 若需要增加或减少燃料时，只需要调节粉煤机转 速，取值较小，而对于直吹式粉煤系统，由于调节 燃料供给量需要从给煤机开始，经过粉煤机粉碎， 再经过粗煤分离器，经过管道才能进入炉膛，所以 时 间 常 数 要 大 得 多 。 而 燃 油 动 态 1 特性则用惯性环节 来表示， 延迟环节忽略不 1 + TF s 计。 汽轮机/锅炉控制包括多种方式： 锅炉跟随汽轮 机控制，汽轮机跟随锅炉控制，锅炉汽轮机协调控 制。自动发电控制决定了单元机组出力以及通过控 制汽轮机锅炉协调控制或汽轮机速度调节来影响 控制方式，锅炉控制系统框图见图 4。 1）锅炉跟随汽轮机控制： 当负荷给定值改变时，改变汽轮机的汽门开度，因 此改变汽轮机进汽量，使得汽轮机适应负荷的要 求。此后汽轮机的主蒸汽压力也随之改变，
火电厂动力系统的数学模型的主要结构如图 2 所示。火电厂的数学模型有以下几个独立而又互相 联系的部分组成： • 锅炉汽轮机协调控制 • 汽轮机及其调速系统 • 锅炉及其控制系统
自动发电 控制 (AGC) 出力设定 交换功率 频率 电力系统 动态模型 功角 速度 汽轮机/发电机 惯性 机械功率 汽轮机/锅炉 控制系统 调速器速度 变换器 汽轮机阀 控制系统 汽轮机/再热器 动态模型 蒸汽流速 锅炉控制 系统 锅炉 输入 锅炉汽压 动态模型 电气功率
CV ＋ PD Σ − Π M sidf
其他动态装置，如： ｝
发电厂动力系统，如： 锅炉系统、水力系统、 核反应堆系统等
图 1 电力系统全过程动态仿真中的电力系统模型 Fig. 1 Power system representation in power system full dynamic simulation software
可能就不正确了，如：汽轮机的蒸汽压力保持恒定的 假设就不正确了；事故过程中电网频率和电压不正 常，可能引起发电厂附属设备运行不正常，以致引起 锅炉停炉、 发电机停机等。 因此， 在长期动态研究中， 必须考虑电压和频率波动比较大对系统各元件的动 态特性的影响。 如需要考虑火电厂调速系统多个控制 阀门以及旁通阀门对汽轮机输出功率的影响，AGC 中的频率和联络线功率控制等动态特性。 对于电力系统全过程动态仿真，不仅要考虑机 电暂态过程，还要考虑中长期过程。因此需要包括 广泛的电力系统动态元件、保护和控制模型。表 1 给出了机电暂态、中期和长期三种过程的数学模型 和假设条件。
角速度ω 其他信号 速度 −+ 速度继电器 Σ 调节器 + 速度/负荷参考量 ++ 速度继电器 IV 开度偏差 Σ 伺服马达 控制阀 CV
K1 (1 + T1s)(1 + TR s ) s(1 + TR / 10 s)
Fig. 4
图 4 锅炉控制系统框图 Block diagram of boiler control system
电力系统全过程动态仿真必须建立电力系统各 元件的数学模型，并根据系统的具体结构，组成全 系统的数学模型，然后采用适当的数学方法进行求 解。 由于电力系统元件的机电暂态模型已在成熟 的机电暂态仿真软件中得到广泛的应用，下面将主 要介绍火电厂、水电站和核电站的中长期动态模型 以及 AGC 模型。
PT
1 CDs
第 26 卷 第 11 期 2002 年 11 月 文章编号：1000-3673（2002）11-0020-06
电 网 技 术 Power System Technology
Vol. 26 No. 11 Nov. 2002
电力系统全过程动态仿真中的长过程动态模型
——电力系统全过程动态仿真软件开发之三