一種汽輪機精細化建模及辨識方法與流程

2023-09-10 03:29:45 1

本發明涉及電力系統穩定性仿真建模分析
技術領域：
，具體涉及一種考慮主汽壓對流量影響實際特性的汽輪機精細化建模及辨識方法，
背景技術：
：目前，隨著電力系統日益趨於互聯，系統容量不斷增大，交直流混聯、特高壓接入等複雜運行方式的出現，傳統模型試驗的實施成本和難度不斷增加，對電力系統的規劃、設計、運行維護等工作越來越倚重於數學建模仿真方法。這也使得電力系統建模仿真技術得到了廣泛的研究和應用。電力系統建模仿真技術的關鍵為仿真結果的準確性和仿真計算的成本，鑑於模型仿真所用的數值解法器已趨於成熟，能夠影響仿真結果和成本的主要為模型的特性。電力系統的模型由各組成元件模型按照物理或邏輯關係聯立得到，因此系統模型的特性主要由各元件模型的特性決定。有功-頻率特性研究是電力系統分析中的主要方向之一，也是確保電網安全穩定運行的關鍵支撐。在我國，火力發電提供了七成以上的電力供應，因此該電源的有功-頻率模型特性對電力系統建模仿真結果的準確性和計算成本具有重要影響，也因此得到了廣泛關注。火力發電的有功-頻率模型具體表現為汽輪機調速系統模型，因此，對汽輪機調速系統建模仿真的研究具有重要意義。汽輪機調速系統建模仿真中的汽輪機模型具有複雜的特性並顯著影響仿真結果的準確性。通過大量的調研發現，電力系統分析中的汽輪機調速系統模型，目前主要採用經典汽輪機模型作為原動機模型、簡化或實際的控制器模型作為調節器模型等形式。由於沒有詳細考慮主汽壓變化對汽輪機流量輸入的影響，經典汽輪機模型的機械功率輸出只能在功頻擾動的初始階段反映實際特性，而在擾動的中後期(擾動後約20s以後)，受主汽壓的顯著變化及其對進入高壓缸的蒸汽流量的影響，汽輪機流量的仿真值與實際值存在很大差別，這也進一步導致了汽輪機的功率輸出與實測有很大誤差，影響電力系統有功-頻率特性的仿真分析結果。技術實現要素：本發明的目的是針對電力系統動態仿真中汽輪機系統模型不能準確反映功頻擾動響應中後期實際特性的問題，提供一種考慮主汽壓對蒸汽流量影響及動態功率係數的汽輪機本體建模和辨識方法。一種考慮主汽壓對流量影響實際特性的汽輪機精細化建模及辨識方法，包括以下步：步驟一：基於抽象函數的泰勒線性化近似方法建立考慮主汽壓力偏差對調節級壓力偏差影響實際特性的主汽壓、閥位指令-調節級壓力環節數學模型，根據主汽壓、閥位指令與調節級壓力的機理關係寫出抽象機理函數，再對該抽象函數進行泰勒級數展開並取一階近似得到含有待定係數的機理模型，包括公式和待定係數；步驟二：建立含有動態項的汽輪機做功模型，從汽輪機功率基本公式出發，推導包含理論動態項的汽輪機功率係數；步驟三：對步驟二和三的待定係數進行基於遺傳算法的系統辨識，得到汽輪機系統精細化模型。步驟三中對含有待定係數的汽輪機系統模型進行基於遺傳算法的參數辨識，包括以下步驟：(1)通過現場擾動試驗獲取實測數據；(2)搭建遺傳算法-汽輪機精細化模型，以模型輸出偏差最小作為目標函數，進行參數辨識；(3)對辨識結果進行比較驗證，從而確定待辨識參數的值。本發明以經典汽輪機模型作為出發點，對廣泛採用的經典模型進行精細化改進研究，通過機理分析和試驗研究的方法，詳細考慮主汽壓變化對汽輪機流量的影響和動態功率係數的機理形式，建立相應的模型，並結合試驗結果進行參數辨識，得到精細化汽輪機模型。本發明的研究結果為電力系統動態仿真提供能夠準確反映包括擾動響應中後期火電機組有功-頻率特性且不失結構簡明特點的原動機調速系統模型，同時也為汽輪機調速系統穩定性分析和優化控制提供一定模型基礎，提高電網及火電機組的安全穩定性。本發明主要涉及一種考慮主汽壓偏差對流量影響實際特性的電力系統動態仿真用汽輪機精細化建模及辨識方法，結合機理分析、試驗參數辨識等方法建立了精細化汽輪機本體模型，其優勢在於：(1)在對汽輪機本體動態模型建模時，將實際的主汽壓偏差-調節級壓力偏差特性納入研究範疇，即考慮了主汽壓-調節級壓力變化詳細特性；(2)在對汽輪機做功環節建模時，考慮了動態項，使得功率係數通過試驗結果直接辨識；(3)在考慮主汽壓-調節級壓力變化詳細特性和功率動態項的條件下，建立了汽輪機本體詳細模型；(4)通過現場擾動試驗結果直接辨識汽輪機本體詳細模型參數。將此方法應用於電力系統動態仿真、汽輪機調節系統仿真，採用數值仿真方法獲得機組的一次調頻功率響應、調節級壓力響應等。附圖說明下面結合附圖對本發明作進一步描述：圖1建模流程；圖2主汽壓力-調節級壓力詳細模型；圖3汽輪機系統精細化模型；圖4參數辨識流程；圖5遺傳算法-汽輪機系統辨識模型；圖6實施例仿真與現場結果對比。具體實施方式下面結合附圖1～6和實施例對本發明方法做進一步清楚、完整地描述，但本發明的實施方式不局限於此。一種考慮主汽壓對流量影響實際特性的汽輪機精細化建模及辨識方法，所述方法的流程如圖1所示，由以下步驟完成：步驟一：基於抽象函數的泰勒線性化近似方法建立考慮主汽壓力偏差對調節級壓力偏差影響實際特性的主汽壓、閥位指令-調節級壓力環節數學模型，根據主汽壓、閥位指令與調節級壓力的機理關係寫出抽象機理函數，再對該抽象函數進行泰勒級數展開並取一階近似得到含有待定係數的機理模型，包括公式和待定係數(見式(3))；步驟二：建立含有動態項的汽輪機做功模型，從汽輪機功率基本公式出發，推導包含理論動態項的汽輪機功率係數(見式(21-24))；步驟三：對步驟二和三的待定係數進行基於遺傳算法的系統辨識，得到汽輪機系統精細化模型(見圖3-5)。步驟三中對含有待定係數的汽輪機系統模型進行基於遺傳算法的參數辨識，包括以下步驟：(1)通過現場擾動試驗獲取實測數據；(2)搭建遺傳算法-汽輪機精細化模型，以模型輸出偏差最小作為目標函數，進行參數辨識；(3)對辨識結果進行比較驗證，從而確定待辨識參數的值。一、考慮主汽壓力偏差對調節級壓力偏差實際特性的主汽壓力-調節級壓力環節數學模型(1)由綜合閥位指令、主汽壓力和調節級壓力的一般關係知，調節級壓力PTiao寫為關於綜合閥位指令和主汽壓力的抽象函數：PTiao＝PTiao(PGVOrd,PTur)(1)式中：PGVOrd為綜合閥位指令，PTur為主汽壓力。(2)對上式進行泰勒級數展開，並取一階近似得，記得主汽壓力-調節級壓力環節公式：PTiaoΔ＝K1PGVOrdΔ+K2PTurΔ(3)待定係數K1為閥位指令-調節級壓力增益；K2為主汽壓力-調節級壓力增益。這兩個待定係數通過參數辨識獲取。主汽壓力-調節級壓力模型見圖2。二、包含動態項的汽輪機做功模型(1)基於機理公式的單缸汽輪機功率模型由弗留格爾公式得流過單個汽缸的流量DinΔ與其壓力PinΔ公式：DinΔ＝PinΔ(4)在小擾動工況下，忽略效率隨工況的變化，由蒸汽物理特性知，焓降近似為汽缸進、出口壓力的函數：Hdrop＝Hin(Pin)-Hout(Pout)(5)式中：Hin為汽缸進口的焓值；Hout為汽缸出口的焓值；上述兩個焓值分別是對應壓力的函數。利用泰勒級數展開，進行小偏差線性化近似得：式中：HdropIni為初始進出口焓降；PinIni為初始進口壓力；PoutIni為初始出口壓力。式(6)採用偏差相對值進一步寫為：式中：汽輪機功率定義公式：NTur＝DinHdropηTur(8)式中：NTur為汽輪機輸出的機械功率；Din為流入汽輪機的流量；Hdrop為汽缸進口到出口的焓降；ηTur汽輪機效率。在初始工況附近小擾動條件下，汽輪機效率假設不變，則汽輪機功率定義公式(8)進行小偏差線性化：NTurIni+NTurΔ＝(DinIni+DinΔ)(HdropIni+HdropΔ)ηTur(9)式中：NTurIni為汽輪機初始功率；NTurΔ為汽輪機功率偏差；DinIni為汽缸初始進汽量；DinΔ為汽缸進氣流量偏差；HdropΔ為焓降偏差。用額定值標么化，並採用偏差表達，式(9)進一步寫為：NTurΔPu＝(DinIniPu+DinΔPu)(HdropPu+HdropΔPu)-NTurIniPu(10)式中：不妨假設初始工況為額定工況，則式(10)寫為：NTurΔPu＝(1+DinΔPu)(1+HdropΔPu)-1(11)將式(4)帶入式(11)得：NTurΔPu＝(1+PinΔPu)(1+HdropΔPu)-1(12)進一步將焓降偏差式(7)帶入式(12)得：將上式展開，並忽略二次以上微量得單缸汽輪機的功率公式：(2)將上述通用單缸汽輪機功率公式應用都實際汽輪機的高壓缸、中壓缸和低壓缸，得三個缸的功率公式：高壓缸功率模型：式中：下標RH表示再熱器內的蒸汽參數。中壓缸功率模型：式中：下標IP表示中壓缸參數。低壓缸功率模型：式中：下標LP表示低壓缸參數。(3)在前述高、中、低壓缸功率公式基礎上，由汽輪機結構知，汽輪機的軸功率分別為高壓缸、中壓缸和低壓缸各自轉換的功率之和。在採用標么值表示時，必然存在三個功率分配係數，它們表徵了汽輪機對外輸出的軸功率在三個能量轉換汽缸間的功率分配。這種關係寫為：NtotalTurΔPu＝NHPΔPuFHP+NIPΔPuFIP+NLPΔPuFLP(18)將式(15)-(17)帶入上式得：上式進一步整理為關於調節級壓力PinHPΔPu、再熱壓力PRHΔPu和低壓連通管壓力PCOΔPu的表達式：記：得包含動態項的汽輪機做功模型：NtotalTurΔPu＝KHPPinHPΔPu+KIPPRHΔPu+KLPPCOΔPu(24)綜合上述分立模型，其它環節模型採用經典模型結構，則得精細化汽輪機系統模型如圖3所示。圖中K為增益，T為時間常數，下標CH為高壓缸前汽室參數，RH為再熱參數，CO為低壓連通管參數。三、對含有待定係數的汽輪機模型進行基於遺傳算法的參數辨識圖4示出了基於遺傳算法的參數辨識流程。詳述如下：(1)獲取試驗數據通過現場擾動試驗，獲取功率響應數據，作為汽輪機系統參數辨識的基礎。(2)搭建遺傳算法-汽輪機系統辨識模型如圖4所示，按照實際汽輪機裝置的輸入，以綜合閥位指令和主汽壓力作為汽輪機模型的輸入，以功率作為輸出，搭建汽輪機系統精細化模型。在此基礎上，引入經典遺傳算法作為辨識方法，以實測功率與仿真功率偏差的絕對值乘以時間積分即：式中：Obj為目標函數；NTurΔTest為實測的功率；NTurΔSimu為仿真的功率；t為時間。基於上述辨識方法得模型參數，進而得到完整的精細化汽輪機模型。實施例1：根據本發明所提供的一種考慮主汽壓對流量影響實際特性的汽輪機精細化建模及辨識方法，以某電廠汽輪機為研究對象展開驗證，該汽輪機為超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽凝汽式，其相關參數如表1所示。表1實施例汽輪機相關參數表中：p0為主汽壓力。用說明書所述的方法建立精細化汽輪機系統模型；通過現場試驗，獲取汽輪機系統的輸入、輸出數據；再通過圖5所示的遺傳算法-汽輪機系統辨識模型，辨識出待定參數，得如表2所示的80％額定出力附近的待定參數結果：表280％額定出力附近的待定參數結果參數辨識結果K12.3DGV0.9K30.696TCH3.5TRH18KCO0.75TCO3.6KHP0.5255KIP0.2262KLP0.2483將上述辨識結果帶入汽輪機精細模型，得精細化汽輪機模型仿真與現場的對比結果如圖6所示。由上述對比結果得如下結論：採用本發明所述的精細化汽輪機模型和辨識方法，能夠得到準確反映實際汽輪機特性的汽輪機系統模型。這種模型和參數辨識方法具有結構簡單、物理意義明確、便於實施的特點，用於電力系統仿真、汽輪機調節系統穩定性分析、控制參數優化等領域。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp