并网火电机组一次调频转速不等率的临界稳定值确定方法技术

一种并网火电机组一次调频转速不等率临界稳定值确定方法，所述火电机组指凝气式汽轮机组，基于单机对无穷大系统，其特征是所述方法包括以下步骤：S1，建立蒸汽容积效应的数学模型；S2，建立汽轮机转子数学模型；S3，建立油动机数学模型；S4，求解火电机组一次调频非线性模型转速不等率临界稳定值；S4，求解火电机组一次调频线性模型转速不等率临界稳定值；最后得到使系统稳定的转速不等率δ公式。本发明专利技术利用线性模型转速不等率临界稳定值代替非线性模型转速不等率临界稳定值作为并网火电机组一次调频转速不等率的设置参考值，考虑了机组的安全性，兼顾并网发电机组的稳定运行与一次调频能力。同时，具有实现方法简单、精度高的优点。

A method for determining the critical stable value of the primary frequency modulation speed difference of a grid connected induction motor

A grid fire PFR speed range rate method to determine the critical value, the power unit refers to the condensing steam turbine unit, based on a single machine to infinite bus system, which is characterized in that the method comprises the following steps: S1, establishing mathematical model of steam volume effect; S2, establish the mathematical model of steam turbine rotor; S3, the establishment of oil motive mathematical model; S4, for the thermal unit a speed FM nonlinear model the varying rate of critical value; S4, for the thermal unit a speed FM linear model the varying rate of critical value; finally make the system stable speed range rate formula. The invention is based on a linear model of the speed range rate critical value instead of nonlinear model of speed varying rate of critical value as grid fire PFR speed range rate setting reference value, considering the security of the unit, taking into account the stable operation of generator and a frequency. At the same time, the method has the advantages of simple implementation and high precision.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种并网火电机组一次调频转速不等率的临界稳定值确定方法。
技术介绍
国内以火力发电为主，火电机组参与一次调频的情况及其一次调频的能力，对维持电力系统频率的稳定性起着举足轻重的作用。对于火力发电机组来说，一次调频是它固有的特点，但对于机组控制系统来说却是一种扰动。系统设计不合理或者是参数设置的不当都会引起锅炉以及汽机运行的不稳定。目前也有一些一次调频方法，然而这些方法都存在着下面这些缺点：为了简化通常忽略机组的非线性特性，常用的分析方法大多基于线性理论。该类方法使得整个系统产生了本质变化,因而不适用于准确分析非线性的一次调频系统。一次调频特性是由机组调节系统的静态特性确定的，直接的影响因素是机组调节系统的速度不等率。目前，火电机组进行一次调频的技术研究尚不成熟,对于汽轮机调速器在功率模式一次调频稳定域的研究较少,目前的研究成果中也均未能给出明确的稳定域求解方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题，就是提供一种并网火电机组一次调频转速不等率临界稳定值确定方法，方法以凝气式汽轮机组为例，基于单机对无穷大系统，分别对并网火电机组一次调频非线性模型及火电机组一次调频线性模型转速不等率的临界稳定值进行了理论分析及仿真验证并得出结论：为了实际中操作方便，可利用线性模型转速不等率临界稳定值代替非线性模型转速不等率临界稳定值作为并网火电机组一次调频转速不等率的设置参考值；提供了汽轮机调速器转速不等率模式下一次调频稳定域。解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种并网火电机组一次调频转速不等率临界稳定值确定方法，所述火电机组指凝气式汽轮机组，基于单机对无穷大系统，其特征是所述方法包括以下步骤：S1，建立蒸汽容积效应的数学模型针对蒸汽容积的非线性方程，为了便于研究，采用小偏差线性化的方法用近似线性方程来替代；使用标幺化和拉氏变换，得出式中：T0为容积时间常数，T0＝0.1～0.3s；S2，建立汽轮机转子数学模型汽轮机转子运动的决定因素有三个，分别是蒸汽转矩、负载转矩以及摩擦转矩，不平衡的转矩会使转子产生角加速度；采用小偏差线性化，将所有变量记为一个常量和一个小偏差的和，并略去高阶无穷小量；使用标幺化和拉氏变换得汽轮机发电机组的转子方程：Δωω0(s)-ΔPLPT0(s)=(Tas+β)ΔPTPT0(s);]]>式中：Ta为发电机组时间常数，一般为6～15s，β为自平衡系数，ω0为额定工况下角频率，Δω为角频率变化量，PT0为额定工况下蒸汽功率，ΔPT为蒸汽功率变化量，ΔPL为负荷消耗功率的变化量S3，建立油动机数学模型将高阶微分环节略去后，油动机数学模型近似为一个一节惯性环节，其传递函数为：其中Ts为油动机时间常数；S4，求解火电机组一次调频非线性模型转速不等率临界稳定值据发电机转子的摇摆方程，有:Tad2θdt2=Pm-(Ddθdt+Emsinθ)---(1);]]>其中，Em＝VsEq'/XΣ，Vs为电网电压，Eq'直轴暂态电抗后电压的q轴分量，XΣ为电抗；所述的单机并入无穷大电网的非线性模型闭环系统如图1所示；给定输入流量信号R(s)，输入汽轮机模型(经过蒸汽容积传递函数，接着通过油动机数学模型)产生机械功率Pm，进而与发电机输出功率Pe(基于发电机转子的摇摆方程式(1))进行比较，当机械功率Pm与发电机输出功率Pe相等的时候，整个发电系统进入稳定状态；当机械功率Pm与发电机输出功率Pe相等的时候，通过调速不等率实现对单机并入无穷大电网调节，具体系统闭环方程如式2所示；根据发电机转子的摇摆方程，单机并入无穷大电网的非线性模型，得出系统闭环方程：{Pm-(Ddθdt+Emsinθ)=Tad2θdt2TsT0d2Pmdt2+(Ts+T0)dPmdt+Pm=-1δdθdt---(2);]]>其中T0容积时间常数，Ts油动机时间常数，Ta发电机组时间常数，D电磁阻尼系数；通过状态空间方程变换后，设s＝jω代入传递函数，令闭环特征方程的实部和虚部都等于零求得使系统临界稳定的转速不等率为：1δ=TsT0Ta[Ts+T0Ts2T02+(Ts+T0)Ts2T02DTa+Ts+T0TsT0(DTa)2]---(3);]]>S4，求解火电机组一次调频线性模型转速不等率临界稳定值采用发电机空载电势Eq等于常数的假设，θ为同步发电机的功角，Vs为电网电压，XΣ为电抗；发电机的功率方程为：Pe=EqVsχdΣsinθ---(4);]]>在研究小扰动稳定性时将式(4)进行小偏差线性化：ΔPe=(∂Pe∂θ)0Δθ---(5);]]>写成标幺化的形式为：功角θ仍用弧度单位，若考虑阻尼功率在内，则有：ΔP~e=KθΔθ+DΔn~---(6);]]>式中D电磁阻尼系数，取为4～25(汽轮发电机取较大值，水轮发电机取较小值)；功角和转速间的关系：dΔθdt=ω0Δn~---(7);]]>其中ω0＝100πrad/s；将式(6)所示电功率表达式代入相应的同步发电机调速系统模型中，即得到单机无穷大系统中火电机组一次调频线性模型；如附图3所示，根据图3可求得系统的开环传递函数为：Gk(s)=K1s+as1s+a0ss2+DTas+Kθω0Ta---(8);]]>其中发电机组时间常数Ta，电磁阻尼系数D，T0容积时间常数，Ts油动时间常数；系统的闭环特征方程为1+Gk(s)＝0，化简可得：TsT0Tas4+(TsT0D+TsTa+T0Ta)s3+(TsT0ω0+TsD+T0D+Ta)s2+(Tsω0+T0ω0+D+TaTsT0K)s+ω0＝0(9)；令s＝jω，代入(9)闭环特征方程，解得：TsT0Taω4-(TsT0ω0+TsD+T0D+Ta)ω2+ω0=0(TsT0D+TsTa+T0Ta)ω2+(Tsω0+T0ω0+D+TaTsT0K)=0---(10);]]>根据根轨迹，使系统稳定的K值满足0＜K＜K临界，又结合上式得到使系统稳定的转速不等率δ满足如下公本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种并网火电机组一次调频转速不等率临界稳定值确定方法，所述火电机组指凝气式汽轮机组，基于单机对无穷大系统，其特征是所述方法包括以下步骤：S1，建立蒸汽容积效应的数学模型；S2，建立汽轮机转子数学模型汽轮机转子运动的决定因素有三个，分别是蒸汽转矩、负载转矩以及摩擦转矩，不平衡的转矩会使转子产生角加速度；采用小偏差线性化，将所有变量记为一个常量和一个小偏差的和，并略去高阶无穷小量；使用标幺化和拉氏变换得汽轮机发电机组的转子方程：Δωω0(s)-ΔPLPT0(s)=(Tas+β)ΔPTPT0(s);]]>式中：Ta为发电机组时间常数，一般为6～15s，β为自平衡系数，ω0为额定工况下角频率，Δω为角频率变化量，PT0为额定工况下蒸汽功率，ΔPT为蒸汽功率变化量，ΔPL为负荷消耗功率的变化量；S3，建立油动机数学模型将高阶微分环节略去后，油动机数学模型近似为一个一节惯性环节，其传递函数为：其中Ts为油动机时间常数；S4，求解火电机组一次调频非线性模型转速不等率临界稳定值据发电机转子的摇摆方程，有:Tad2θdt2=Pm-(Ddθdt+Emsinθ)---(1);]]>其中，Em＝VsEq'/XΣ，Vs为电网电压，Eq'直轴暂态电抗后电压的q轴分量，XΣ为电抗；所述的单机并入无穷大电网的非线性模型闭环系统如图1所示；给定输入流量信号R(s)，输入汽轮机模型(经过蒸汽容积传递函数，接着通过油动机数学模型)产生机械功率Pm，进而与发电机输出功率Pe(基于发电机转子的摇摆方程式(1))进行比较，当机械功率Pm与发电机输出功率Pe相等的时候，整个发电系统进入稳定状态；当机械功率Pm与发电机输出功率Pe相等的时候，通过调速不等率实现对单机并入无穷大电网调节，具体系统闭环方程如式2所示；根据发电机转子的摇摆方程，单机并入无穷大电网的非线性模型，得出系统闭环方程：Pm-(Ddθdt+Emsinθ)=Tad2θdt2TsT0d2Pmdt2+(Ts+T0)dPmdt+Pm=-1δdθdt---(2);]]>其中T0容积时间常数，Ts油动机时间常数，Ta发电机组时间常数，D电磁阻尼系数；通过状态空间方程变换后，设s＝jω代入传递函数，令闭环特征方程的实部和虚部都等于零求得使系统临界稳定的转速不等率为：1δ=TsT0Ta[Ts+T0Ts2T02+(Ts+T0)2Ts2T02DTa+Ts+T0TsT0(DTa)2]---(3);]]>S4，求解火电机组一次调频线性模型转速不等率临界稳定值采用发电机空载电势Eq等于常数的假设，θ为同步发电机的功角，Vs为电网电压，XΣ为电抗；发电机的功率方程为：Pe=EqVsχdΣsinθ---(4);]]>在研究小扰动稳定性时将式(4)进行小偏差线性化：ΔPe=(∂Pe∂θ)0Δθ---(5);]]>写成标幺化的形式为：功角θ仍用弧度单位，若考虑阻尼功率在内，则有：ΔP~e=KθΔθ+DΔn~---(6);]]>式中D电磁阻尼系数，取为4～25(汽轮发电机取较大值，水轮发电机取较小值)；功角和转速间的关系：dΔθdt=ω0Δn~---(7);]]>其中ω0＝100πrad/s；将式(6)所示电功率表达式代入相应的同步发电机调速系统模型中，即得到单机无穷大系统中火电机组一次调频线性模型，系统的开环传递函数为：Gk(s)=K1s+as1s+a0ss2+DTas+Kθω0Ta---(8);]]>其中发电机组时间常数Ta，电磁阻尼系数D，T0容积时间常数，Ts油动时间常数；系统的闭环特征方程为1+Gk(s)＝0，化简可得：TsT0Tas4+(TsT0D+TsTa+T0Ta)s3+(TsT0ω0+TsD+T0D+Ta)s2+(Tsω0+T0ω0+D+TaTsT0K)s+ω0=0---(9);]]>令s＝jω，代入(9)闭环特征方程，解得：TsT0Taω4-(TsT0ω0+TsD+T0D+Ta)ω2+ω0=0(TsT0D+TsTa+T0Ta)ω2+(Tsω0+T0ω0+D+TaTsT0K)=0---(10);]]>根据根轨迹，使系统稳定的K值满足0＜K＜K临界，又结合上式得到使系统稳定的...

【技术特征摘要】
1.一种并网火电机组一次调频转速不等率临界稳定值确定方法，所述火电机组指凝气
式汽轮机组，基于单机对无穷大系统，其特征是所述方法包括以下步骤：
S1，建立蒸汽容积效应的数学模型；
S2，建立汽轮机转子数学模型
汽轮机转子运动的决定因素有三个，分别是蒸汽转矩、负载转矩以及摩擦转矩，不平衡
的转矩会使转子产生角加速度；
采用小偏差线性化，将所有变量记为一个常量和一个小偏差的和，并略去高阶无穷小
量；
使用标幺化和拉氏变换得汽轮机发电机组的转子方程：Δωω0(s)-ΔPLPT0(s)=(Tas+β)ΔPTPT0(s);]]>式中：Ta为发电机组时间常数，一般为6～15s，β为自平衡系数，ω0为额定工况下角频
率，Δω为角频率变化量，PT0为额定工况下蒸汽功率，ΔPT为蒸汽功率变化量，ΔPL为负荷
消耗功率的变化量；
S3，建立油动机数学模型
将高阶微分环节略去后，油动机数学模型近似为一个一节惯性环节，其传递函数为：
其中Ts为油动机时间常数；
S4，求解火电机组一次调频非线性模型转速不等率临界稳定值
据发电机转子的摇摆方程，有:
Tad2θdt2=Pm-(Ddθdt+Emsinθ)---(1);]]>其中，Em＝VsEq'/XΣ，Vs为电网电压，Eq'直轴暂态电抗后电压的q轴分量，XΣ为电抗；
所述的单机并入无穷大电网的非线性模型闭环系统如图1所示；给定输入流量信号R
(s)，输入汽轮机模型(经过蒸汽容积传递函数，接着通过油动机数学模型)产生机械功率
Pm，进而与发电机输出功率Pe(基于发电机转子的摇摆方程式(1))进行比较，当机械功率Pm与发电机输出功率Pe相等的时候，整个发电系统进入稳定状态；当机械功率Pm与发电机输出
功率Pe相等的时候，通过调速不等率实现对单机并入无穷大电网调节，具体系统闭环方程
如式2所示；
根据发电机转子的摇摆方程，单机并入无穷大电网的非线性模型，得出系统闭环方程：
Pm-(Ddθdt+Emsinθ)=Tad2θdt2TsT0d2Pmdt2+(Ts+T0)dPmdt+Pm=-1δdθdt---(2);]]>其中T0容积时间常数，Ts油动机时间常数，Ta发电机组时间常数，D电磁阻尼系数；
通过状态空间方程变换后，设s＝jω代入传递函数，令闭环特征方程的实部和虚部都
等于零求得使系统临界稳定的转速不等率为：
1δ=TsT0Ta[Ts+T0Ts2T02+(Ts+T0)2Ts2T02DTa+Ts+T0TsT0(DTa)2]---(3);]]>S4，求解火电机组一次调频线性模型转速不等率临界稳定值
采用发电机空载电势Eq等于常数的假设，θ为同步发电机的功角，Vs为电网电压，XΣ为电
抗；
发电机的功率方程为：
Pe=EqVsχdΣsinθ---(4);]]>在研究小扰动稳定性时将式(4)进行小偏差线性化：
ΔPe=(∂Pe∂θ)0Δθ---(5);]]>写成标幺化的形式为：功角θ仍用弧度单位，若考虑阻尼功率在内，则有：
ΔP~e=KθΔθ+DΔn~---(6);]]>式中D电磁阻尼系数，取为4～25(汽轮发电机取较大值，水轮发电机取较小值)；
功角和转速间的关系：
dΔθdt=ω0Δn~---(7);]]>其中ω0＝100πrad/s；
将式(6)所示电功率表达式代入相应的同步发电机调速系统模型中，即得到单机无穷
大系统中火电机组一次调频线性模型，系统的开环传递函数为：
Gk(s)=K1s+as1s+a0ss2+DTas+Kθω0Ta---(8);]]>其中发电机组时间常数Ta，电磁阻尼系数D，T0容积时间
常数，Ts油动时...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖小清，阚伟民，罗嘉，冯永新，陈世和，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44