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1、联合循环的建模与孤网条件下的控制器优化第一章 绪论1.1 本文的选题背景及意义1.2 燃气-蒸汽联合循环仿真概念及发展现状1.3 仿真工具Matlab/Simulink1.4 本文主要工作内容和目标第二章 OC6000E控制系统设计2.1 新华介绍2.2 方案设计 第三章 联合循环控制系统的建模3.1 建模的目的及联合循环的原理3.2 燃气轮机控制系统建模3.2.1 燃气轮机的工作原理3.2.2 燃气轮机负荷控制器模型3.2.3 排气温度控制器3.2.4 转速控制器3.2.5 加速度控制器3.2.6燃气轮机整体模型3.3 余热锅炉系统模型3.4 蒸汽轮机系统模型3.5 联合循环整体模型第四章
2、基于粒子群优化算法的联合孤网控制策略4.1 电站孤网运行的特性与控制策略(频率/转速控制)4.1 PID控制器与粒子群（PSO）算法原理介绍4.2 优化PID控制器的步骤与计算第五章 联合循环控制的策略的仿真5.1 PID无优化的仿真（汽轮机转速控制）5.2 优化的PID仿真 （汽轮机转速控制）5.3 整体模型的仿真 （燃机、汽轮机负荷变化）第六章 结论第一章 绪 论1.1 课题的背景和意义西气东输工程是我国重大的能源项目之一，其中的二线管道天然气气源来自境外，其中包括土库曼斯坦、哈萨克斯坦等中亚国家。新疆，宁夏，甘肃，陕西，河南，湖北，湖南，江西，广西，广东等地，从天然气到新疆五华虹桥西部中
3、西部农村路线，干线全长约4900千米，全线管道包扩支线总长度超过9100千米。由于输气距离远较远，输送沿途压损很大，需要在进行沿程升压以抵消压力损失，在管线沿途约每间隔 200公里建设一座天然气升压站（以下简称压气站）。我国西部地区幅员辽阔，自然环境恶劣，人口相对稀疏，在一些偏远地区缺少电网的覆盖，而压气站大多建设在这些地区。因此，采用了燃气轮机通过齿轮箱机械拖动压缩机升压的方式。燃气轮机运行时会排出高温废气，温度在470500之间，最高能达到530。压气站一般配置有GE公司 PGT25+SAC（额定输出功率31MW）以及罗罗公司的RB211共三台燃气轮机（2用1备）。之所以采用这种动力配置是
4、考虑到压气站所处位置的自然条件，夏季环境温度高，极端情况下会导致燃机输出功率由标准工况下（15）下降为22MW（45）。而压缩机的额定功率只有18MW，在一年中的大多的数时间内，燃机都处于非额定工况运行，综合效率低下且造成大量燃料浪费。同时，燃起轮机的高温尾未经处理，气直接排放到大气中，不仅造成了空气热污染，更是一种热量的浪费。这与当今倡导“节能减排”型社会的理念不相符合，有必要对这部分热能进行回收利用。因此，有方案提出将压气站其中一台燃气轮机改造为燃气-蒸汽联合循环发电，将压气站改造成一个小型孤网电站，再通过电动机驱动2台压缩机。经过计算，如果联合循环通过补燃的方式可以输出约44MW电力上网
5、，完全可以满足压缩机约36MW的电力需求。这样不仅回收利用了废气的余热，还减少了一台燃气轮机运行带来的燃料消耗，提高了压气站的整体运行效率。经核算，每年可节约燃料费30005000万元，减少碳排放5.426.54万吨，改造方案具有良好的经济价值和社会价值。但是随之改造方案设计的深入，孤网条件下联合循环的控制与调节成为设计方案的难点与重点。电厂在孤网运行条件下的控制策略尤其是二次调频/调速控制一直是电力行业研究的重点。1.2 国内外研究的现状1.2.1 孤网运行频率调节区分大电网和小电网，有一个界限值“8%”，这个数值是电网中的最大单机容量，如果大于这个数值，我们称这个电网为小电网，反之，如果小
6、于这个数值，我们将这个作为大网络。孤网是孤立的小网，通过一个“孤”字，就可以明白，它从主网中孤立出来，不随大电网的性能而转移，自己单独成立一个系统独立运行1。在我们熟知的大电网中，当其中的任意一台机组发生故障甩负荷，都可以从锅炉中的热备用或者转动惯量中的旋转备用中获取能量来弥补2，容错率高。而小网由于总容量小，单机容量就显得很大，发生事故对整个孤网系统冲击明显，容错率低3。但是大电网有个问题就是不能覆盖世界的每一个角落，对于这些大电网所不能覆盖的区域，小电网的安全稳定的运行，就显得尤为重要4。再比如说，孤网运行工况还大面积存在于大型的工矿企业，包括对应的自备电厂和下游的工业负荷。再有就是国外的
7、一些不发达或欠发达地区，由于技术储备和物质供应较差，电网建设不够健全，这对于出口到该地区的机组就需要有满足孤网运行的要求【5】。发电机是电力的源头，其与孤网共同构成了电力系统6。用户和所有的发电机组通过电网联系在一起。发电机组的作用是保证系统电压和频率的稳定，在电网和负荷之间架起一段平衡的桥梁7。发电机组的调速系统是发电机组的重要环节6，由理论可知，频率的变化与转速相关，当下游负荷突然甩动造成的转速飞升，会使频率短时间内大幅波动，这就要求调速系统对其进行控制，避免事故的发生，我们通常称之为一次调频7。每台机组的一次调频中相应的控制参数都不一样，设计者会因地制宜，提供最合理的参数设置，已达到调频
8、性能最优的方案8。一旦发电单元中的控制系统已经决定了FM的性能9，则在没有发电单元的发电机的情况下的控制系统，调节的目标是转速，而当发电机组与主网相连接后，调节的对象发生转变，从转速变为电网的频率，主要的调节途径是对发电机的输出进行控制10，并和其他机组进行相应的通信连接，保证控制方式的即时可靠，使频率控制在允许的范围内；同时，还会有一些特殊的状况，就是机组的突然跳闸，对于这一事故，调速系统会通过相应的控制方式投入备用的发电机组，保证转速不会突然降低，从而使电网平稳的运行11。随着科学技术的进步，调速系统也在与时俱进的发展12，现阶段应用最为广泛的就是数字电液调速系统，DEH 在最初的机械液压
9、调速系统中做了明显的改进13，无论是在装置的选用还是技术的运用，都有明显的提高，但是不得不说的是，DEH 在某总程度上却限制了一次调频的性能。所以我们需要新技术的支持和研究14，但也要根据系统的实际情况，合理的增减相应的配套装置，对于调速系统，我们更应该从两个方面因地制宜的加以改进，一个是参数的设置15，另一个就是控制方式的选择16，是调速系统发挥调频作用的关键，也是一项意义非凡的工作。同时，当负荷波动十分剧烈特殊情况下，一次调频调控范围将受到限制17，即便将限幅全部放开，勉强达到调频的目标，也会对电网造成强烈的冲击，对孤网电压造成严重影响，同时也会削减发电机组的寿命18。在孤网运行中事故发生
10、的过程中，开始都是局部的小故障，由于不能及时的解决，从而导致事故的无限的扩展和蔓延，最终的结果就是电网解列和整个孤网崩溃19。如果故障发生在萌芽阶段，就能通过机组的调节能力和相应的配合装置消灭隐患，迅速作出调整，重建发电侧和用电网侧的新的平衡，使电网的关键性能指标频率和电压始终保持着合理的区间，让事故在最初阶段就被扼杀，不让其无限蔓延滋生20。现阶段国内外对于一次调频的调速系统的结构、参数及其运行方式的研究，重点放在应用电力系统仿真软件，以期结合已有的理论知识，解决实际运行中发生的问题。文献21通过在频率和时间两个方面分析得出系统中阻尼的规律是如何受到调速系统参数的影响，并给出了如何设置相关的
11、参数;文献22提出的相应方案主要是针对低频低压减载，通过对实际生产中模型的建立，反复调节关键参数，得到一组是调频性能最优的方案，得出的结论是，调速系统PID 参数设置不当引发系统振荡的主要原因，同时指出系统频率的稳定与否与调速系统参数设置的科学性有直接的关系;文献23运用了对比法，通过不同的试验给出的结论是系统参数设置的不合理和控制方式选用不当，是调速系统调频性能较差的主要原因，提出在以往的研究中所运用到的模型都比较固化也有大多的简化24，不能很好地反应出实际的效果，没有普遍的适用性，所以在本文的研究，通过一个科学的方法找出一种普遍适用的方案解决调速系统中存在的相关问题，是本文研究的重点，也是
12、研究的难度之一。孤网运行中的有功出力和负载侧的不平衡，在火电厂中，超速保护装置（OPC）是电液调节系统（DEH）中一项非常重要的功能25，主要的作用是在突然甩掉大负荷的情况下抑制汽轮机的转速飞升，保护发电机的安全。但是，如果OPC 的参数设置不合理26，那么脱离大电网的孤网，在负载波动的情况下，会产生强烈的功率和频率上的震荡现象，如果这种震荡不能及时的解决，将会给大电网带来巨大的冲击27，所以这时孤网及时的脱离主网将是非常重要的举措。为进一步研究孤网运行的稳定性，本文建立了孤网的数学模型，并仿真孤网运行负荷震荡的特殊工况。对OPC 控制逻辑进行了改进，结果表明增加限幅或者去除限幅的限制，能更好
13、的利用OPC 保证孤网运行的安全和稳定28。近几年，大容量电力系统是世界各地发展的大趋势，但因电气设备故障或其他的故障，为避免造成大电网的崩溃，大电网会在没有预知的情况下解列成孤立的小网。小网的容量不大，但在解列后仍能正常运行。孤网运行最值得关注的特点是负荷控制一匝频率控制和控制系统具有满足要求的静态特性29，具有良好的稳定性和动态响应特性， 保持自动电网周波数的稳定30。在中国电网发展的初期，电网结构比较简单，许多电厂都就自给自足，然后将过剩的电能发到主网中去以平衡冗余功率31。电缆型号普遍是110KV 的，如果主网电压升高，那么地方从孤网上取电就相对容易些32。如果主网电压是220KV，那
14、么孤网就要通过发电机的参与是电压达到110KV。孤网运行发生的概率随着主网的电压升高而升高33。另一方面，当震荡发生在一个特定的电网上，那么这个电网要自动解列以阻止更大范围为的震荡带来不良的后果。目前，OPC 控制逻辑是汽轮机电液调节系统（DEH）的一个重要组成部分34，但发生在世界各地的许多停电事故表明，在一些特定的情况下，OPC 的控制逻辑的参数整定是不合理的。在这种情况下，OPC 控制逻辑可能无法实现超高速控制，导致调节阀停止和频繁打开，以至于造成功率和频率的震荡，这对汽轮机和电网都会带来不良后果。由OPC 的控制原理可知35，当转速超过3090 转（超过额定转速的103%）时，DEH
15、通过关闭高压和中压阀门进行调节。当转速低于额定转速时，DEH 系统去除“关阀”的信号，转为调速系统调节阀进行控制36。设置OPC 控制逻辑主要是为了防止在负荷突然甩掉的情况下抑制转速飞升和频率的震荡。那孤网不稳定的原因主要是因为其容量和旋转备用容量都相对于大电网要小很多37，在发生短路等极端情况下，功率震荡会更为剧烈，严重的情况会导致整个电网的瘫痪，严重威胁到企业的正常生产和居民的生活。因此，一次调频和OPC 控制参数的研究对孤网频率稳定性控制有着重要的意义23 ，它能避免不必要的停电耽误生产和生活，还能为正常安全的用电提供指导。经常用到这个水轮机的数学模型来分析仿真其在额定状态下的动态特性，由于甩负荷状态是一个比较强烈的波动工况，我们必须研究其非线性特点和OPC控制逻辑信号来考虑孤网的稳态性能38。出于这个目的，两个重要的问题首先要被解决39。第一，在额定条件，负荷扰动较小的情况下，可以用更加精确的数学模型将扰动线性化加以分析。在大的扰动下，这个模型将因为非线性特性不可以再进行使用。第二，汽轮机进气口的开度会随着转速、功率、压力信号的指示而变化40，同时，在出现大负荷扰动的情况下，OPC 系统将成为主导，对转速进行控制，OPC 会痛快快速的关闭调节阀来抑制转速飞升和系统的震荡。其起OPC 装置过渡动作，文献41就提出了两台某厂实际运行中，就是由
