【汽轮机调速系统中影响电力系统低频振荡的关键因素】 - 联盟推荐_【北京联盟】
汽轮机调速系统中影响电力系统低频振荡的关键因素
/ 作者：小易
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张宝/文 浙江电科院汽轮机调速系统系统由多个环节组成，每个环节的功能与参数对电力系统的低频振荡影响是有差异的，影响电网低频振荡的关键因素归纳起来有以下几个方面。1 汽轮机配汽函数汽轮机进汽量的控制由多个调节阀共同完成，调节阀的升程与通过汽轮机流量的关系看作是汽轮机的流量特性，准确把握汽轮机流量特性是实现精确控制的前提。现代大型汽轮机流量特性是非线性的，为了实现精确控制，DEH中采用配汽函数对汽轮机流量特性进行修正，使汽轮机控制指令与功率输出线性化，从而提高汽轮机调节作用的线性度。配汽函数正确时，汽轮机会表现出良好的控制性能，否则就会出现诸如调节阀晃动、配汽方式切换时负荷波动大等情况，多数汽轮机组参与的电力系统低频振荡事故，其问题根源就在于此。汽轮机配汽函数与其流量特性不匹配的情况时有发生，尤其是在新建机组、改造机组或者运行多年发生老化的机组，这种问题更为常见，最直接的影响就是导致汽轮机局部转速不等率过小或过大。局部转速不等率反映了汽轮机调节阀某一开度范围内阀门行程改变导致的进汽量变化与汽轮机转速变化的比例关系；汽轮机转速不等率δ过小，会引起系统低频振荡，仿真表明，局部转速不等率达到1%时，这种振荡基本已不可避免。汽轮机局部转速不等率会对汽轮机的控制性能产生较大影响，汽轮机调节阀重叠度、配汽方式切换、汽门活动性试验、一次调频功能、机组负荷调整等方面引起的低频振荡问题，大都是由汽轮机局部转速不等率偏离正常值所导致。汽轮机配汽函数中调节阀重叠度设置不合理，在局部容易造成同样的流量指令变化引起的实际蒸汽流量变化严重超出设计值，使得局部转速不等率突减，在DEH调节作用下，造成调节阀晃动；一次调频功能中也常会发生类似的问题，一般规定要求大型汽轮机组一次调频转速不等率为4～5%，如果汽轮机配汽函数与其流量特性不匹配，可能会导致汽轮机局部转速不等率偏小，从而容易诱发电力系统低频振荡。2 功率控制PID参数大型汽轮发电机组正常运行时一般使用DEH侧功率开环、DCS侧功率闭环的控制方式。这种控制方式下，功率控制PID参数中的比例环节会影响系统的振荡频率，比例系数过大时，会使电力系统进入负阻尼区，容易诱发系统低频振荡。某300MW循环流化床机组在协调控制投入降负荷过程中，在汽轮机配汽函数正常的情况下，系统仍发生低频振荡，后将功率控制PID参数中的比例系数Kp由3修改为0.3，并增加PID偏差输入限幅后，该机组再未发生过低频振荡。类似的情景并不鲜见，特别是在电网故障、汽轮机调节线性度差的情况下，机组功率易发生较大突变，此时如果功率控制PID调节过大，就容易引起调节系统反复波动，从而引发系统低频振荡。多数机组设有主蒸汽压力调整回路，当主蒸汽压力与设定值的偏差超出死区时，该回路通过限制机组功率来“拉回”主蒸汽压力，部分机组的主蒸汽压力调整回路通过设定主蒸汽压力偏差调整系数、并通过功率控制PID起调节作用，如果该调节作用过强，同样也会诱发低频振荡。实际上，由于功率控制PID参数中的比例系数与调速系统放大倍数对系统低频振荡的作用原理类似，现实中多数由此而引起的低频振荡是两者共同作用的结果，特别是在汽轮机调节线性差、汽轮机转速局部不等率过小、功率控制PID调节作用偏强的情况下，机组功率晃动几乎不可避免，持续作用时，就会引起电力系统的低频振荡。3 DEH侧功率控制闭环因机械功率无法准确测量，大型汽轮机控制系统中均采用电气功率代替机械功率来实现各项控制功能，分析认为，在外界电网扰动的情况下，这种做法使汽轮机机械功率反馈控制变成了电气功率前馈控制，会降低系统阻尼，易引起机械功率反调和转子快速起振。目前主流机组一般使用DEH侧功率开环、DCS侧功率闭环的控制方式，至于DEH侧功率控制闭环回路，多数机组虽然设计有，但一般很少投入运行，该回路也很少受到重视，多数机组甚至从没有对其进行过控制参数的整定。某额定容量为362.5MW的汽轮机组，在DEH改造后启动过程中，在投入DEH侧功率控制闭环回路后，本机出现频率0.34Hz、振幅20MW的低频振荡，线路也随之振荡。事后检查确认，DEH侧功率控制回路未经过参数检查整定就被投入运行，系统抗干扰能力差，极容易引起机组功率晃动。仿真分析表明，DEH侧的功率控制回路投入闭环运行后，系统阻尼会降低，容易诱发低频振荡。不少机组在特殊情况下，比如配汽方式切换时，为了减少切换过程中的负荷波动，DEH侧的功率闭环会人工或自动投入，由此而诱发的电力系统低频振荡已发生多次。因此，为了降低电力系统低频振荡发生的可能，即使经过参数整定，DEH侧功率控制回路也尽量不要投入闭环方式。4 一次调频回路一次调频是并网运行的发电机组在电网频率偏离额定值时自发的通过快速开关调节阀来改变自身出力、稳定电网频率的过程。快速与开环是一次调频作用的两个主要特点，绝大多数汽轮发电机组一次调频作用是通过CCS+DEH的方式实现的，它是将一次调频指令直接加在DEH侧汽轮机调节阀指令上的同时，在CCS侧也叠加相应的一次调频作用，以增加机组一次调频的效果。只要汽轮机转速测量值与额定值之间的偏差超出设定的死区，一次调频回路就会按设计的方式起到调节作用。电力系统低频振荡发生时，一旦探测到转速变化，汽轮机组就会通过一次调频的作用参与到电力系统低频振荡中来，并为振荡提供持续的能量，增大低频振荡的破坏作用。某600MW机组一次调频试验过程中，因一次调频曲线参数设置错误，导致一次调频指令增加6.4倍，系统发生了频率为1Hz的低频振荡，机组功率波动范围为188MW～580 MW，汽轮机转速波动范围为2994r/min～3010r/min，在此期间，区域电网也出现振荡，并导致部分区域电网保护脱开，该机组退出一次调频后低频振荡平息。一次调频作用一旦参与到低频振荡中来，迅速撤出一次调频回路是平息电力系统低频振荡的最直接、最有效的方法。除一次调频回路参数设置错误外，为了片面的追求一次调频效果，人为的降低汽轮机转速不等率的做法也很常见，即在一次调频转速范围内总的转速不等率按规定值设置，但小转速差时的转速不等率却设置为较小的值，这样会降低系统阻尼，易造成低频振荡。其实，目前CCS+DEH的一次调频方式，已经在事实上造成了转速不等率的降低，再人为的去减少转速不等率，如果汽轮机组配汽函数设置再不合理，诸多不利因素叠加起来，系统的抗干扰能力就会变弱，外界扰动很容易诱发电力系统低频振荡。5 汽轮机调节阀开度晃动调节阀开度晃动是汽轮机运行时常见的故障现象，除配汽函数与控制参数设置不当外，调节阀的伺服阀、LVDT、控制电磁阀以及汽轮机控制油压力波动或者调节阀卡涩等故障也会引起调节阀开度晃动，当调节阀开度晃动造成的规律性扰动的频率与电力系统固有频率接近时，将会产生共振，从而引起低频振荡。前述典型低频振荡案例3便是汽轮机调节阀开度晃动导致电力系统低频振荡的一个实例。汽轮机调节阀晃动给电力系统提供了一个强迫扰动源，如果调节阀开度晃动是由其自身故障引起，所造成的低频振荡一般可由共振理论进行解释，但由于共振原因，振荡能量可能会大大增强，仅仅通过振荡幅值很难判断哪台机组为振荡源，因此，该问题的关键是如何迅速定位扰动源，至于调节阀开度晃动这一缺陷则相对容易消除。6 信号波动就汽轮机组而言，机组AGC信号、汽轮机遥控负荷指令信号、有功测量信号以及汽轮机转速或电网频率信号等均与电力系统低频振荡密切相关，这些信号的规律性频繁波动或使用不当均有可能造成机组功率振荡。从实际情况看，因信号解制解调与传送过程中受干扰而引起信号AGC信号波动、因使用通信方式传送汽轮机遥控负荷指令信号而造成的调节振荡、因将功率信号滤波后使用而导致控制频繁反复调整[4]或分散控制系统故障引起信号跳动等原因均会诱发的电力系统低频振荡。目前，多数大型汽轮机组一次调频功能均使用本机转速信号作为判断与计算的依据，这样做的基础是汽轮发电机组处于稳态过程、汽轮机转速信号能够准确反映电网频率。当汽轮发电机组处于暂态过程时，这一基础并不存在，比如外界电网故障时，汽轮发电机组转速测量信号可能会瞬间大幅度变化，而电网的频率还维持原状，此时虽然电网不需要，但该机组的一次调频功能仍然会启动，转速信号反复变化时，汽轮机调节阀也会频繁开关，当动作频率与系统固有频率一致时，就会诱发电力系统低频振荡。如果一次调频功能使用电网频率信号作为判断与计算的依据，则可避免上述情况的出现。7 控制系统的延时汽轮机控制系统中不可避免的存在着大量的延时环节，除人为设置外，数字式控制系统的扫描周期是造成延时的最主要的原因。研究表明，转速闭环控制时，汽轮机调速系统的相位滞后超过90o时，达到分界频率，其开始提供负阻尼；纯延时环节会增加汽轮机调速系统滞后角度，增加的数值与延时时间以及振荡频率之积成正比，这一结论说明，延时环节会通过影响分界频率而改变调节系统的阻尼特性，具体是改善还是恶化，要看延时的大小，当延时过大时，系统可能会出现多个分界频率。按此分析，振荡频率为1Hz时，0.1s的控制系统扫描周期至少会给调速系统相位增加36o的滞后角度，会显著影响其阻尼特性。结论
汽轮机调速系统与电网低频振荡关系密切，并相互影响。汽轮机配汽函数、功率控制PID参数、DEH侧功率控制闭环、一次调频回路、控制系统的延时等是影响电网低频振荡的最关键因素，汽轮机调节阀开度晃动、信号波动等缺陷也会导致低频振荡的发生。因此，上述系列功能应在严格测试、确认正常后再投入运行，相应缺陷也应及时消除，否则极可能会导致低频振荡的发生，威胁电网与机组的运行安全。与君共勉：学者要收拾精神，并归一路。如修德而留意于事功名誉，必无实诣；读书而寄兴于吟咏风雅，定不深心。西柏坡电力发电部(XBPFDB)
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《》《汽轮机调节原理》系统地讲解了汽轮机调节的基本原理。《汽轮机调节原理》的主要内容为：第1～4章介绍调节系统的、静态及动态特性的基本原理，第5～8章主要介绍几种典型的策略、数学模型及控制系统，以及在全面自动化中与锅炉、电网的相互联系与作用。由于《汽轮机调节原理》是一本教材，所以关于控制系统的很多细节问题，请参考其他有关材料。
目录&/《汽轮机调节原理》
第1章&绪论1
1.2&汽轮机调节系统的任务1
1.2.1&转速调节1
1.2.2&功率调节2
1.2.3&其他调节3
1.3&汽轮机调节系统的工作原理3
1.4&汽轮机调节系统的性能指标5
1.5&汽轮机调节系统的研究方法6
1.6&汽轮机自动调节的发展8
参考文献10
第2章&调节系统的构成及数学模型11
2.1&引言11
2.2&及电液调节系统11
2.2.1&机械液压调节系统12
2.2.2&电液调节系统14
.2.2.3&两种系统性能比较15
2.2.4&小结15
2.3&测量元件16
2.3.1&转速（频率）测量元件16
2.3.2&压力、温度和电功率测量元件21
2.4&液压式中间放大及执行元件22
2.4.1&滑阀机构22
2.4.2&喷嘴挡板机构40
2.5&电液转换器42
2.5.1&动圈式电液转换器42
2.5.2&动铁式电液转换器43
2.6&调节汽阀及阀门管理45
2.6.1&调节汽阀的工作原理与结构45
2.6.2&阀门组工作的方式46
2.6.3&调节汽阀的升程流量特性和提升力特性48
2.6.4&调节汽阀的进汽次序50
2.6.5&调节汽阀的51
2.6.6&对调节汽阀和配汽机构的要求52
2.7&系统阀门管理52
2.7.1&阀门管理概述52
2.7.2&阀门管理的功能53
2.7.3&降低阀门节流损失的阀门管理新策略54
2.7.4&容错阀门管理63
2.7.5&汽轮机配汽剩余汽流力对轴系影响70
2.8&作为调节对象的汽轮机的数学模型77
2.8.1&容积方程78
2.8.2&转子方程81
2.9&建立框图83
2.10&小结85
参考文献87
第3章&调节系统的静态特性89
3.1&引言89
3.2&调节系统的静态特性及不等率89
3.2.1&静态特性和不等率的概念89
3.2.2&不等率和调节系统动态模型的联系91
3.3&发电用汽轮机组的运行方式92
3.4&发电用汽轮机的负荷分配及频率调节94
3.4.1&单机运行情况94
3.4.2&并网运行情况95
3.5&静态特性曲线的绘制及其应用98
3.5.1&静态特性曲线的绘制98
3.5.2&调节系统的迟缓率100
3.5.3&利用四象限图进行故障分析103
3.6&汽轮机调节系统静态特性的试验105
3.7&小结108
参考文献19
第4章&调节系统的动态特性110
4.1&引言110
4.2&凝汽式汽轮机在单机运行时的调节系统动态特性110
4.2.1&汽轮发电机组并网的条件110
4.2.2&稳定性分析111
4.2.3&甩负荷特性分析115
4.2.4&甩负荷特性的改善方法118
4.3&凝汽式汽轮机组并网运行时的动态特性119
4.3.1&关于电力系统频率的讨论120
4.3.2&用于一次调频分析的数学模型121
4.3.3&动态特性分析123
4.4&调速系统对同步时的机电振荡的影响126
4.4.1&描述机电振荡的单机——无穷大电网模型127
4.4.2&调速器对同步发电机机电振荡的影响128
4.4.3&利用调速器给机电振荡提供正阻尼的可行性130
4.5&小结130
参考文献131
第5章&中间的自动调节132
5.1&引言132
5.2&中间再热式汽轮机的热力系统的结构及运行132
5.3&中间再热式汽轮机单机运行的稳定性分析137
5.3.1&起动工况下的调速系统的数学模型137
5.3.2&主蒸汽参数对起动工况稳定性的影响141
5.4&在正常工况下中间再热式汽轮机的并网运行的动态特性分析143
5.4.1&建立数学模型143
5.4.2&动态特性分析145
5.4.3&中间再热式汽轮机的负荷响应特性147
5.4.4&中间再热式汽轮机的甩负荷148
5.5&汽轮机的保护系统及其元件150
5.5.1&汽轮机的保护系统150
5.5.2&汽轮机的超速保护系统153
5.6&小结156
参考文献157
第6章&功率-频率调节系统158
6.1&引言158
6.2&功率-频率调节系统的工作原理158
6.3&功率-频率调节系统的静态特性160
6.4&功率-频率调节系统的动态特性162
6.4.1&一次调频特性分析162
6.4.2&功率-频率调速系统对机电振荡的影响167
6.5&功率-频率调节系统的线性化作用168
6.5.1&一次调频特性分析169
6.5.2&功率-频率调节对锅炉汽压非线性的影响170
6.5.3&分析172
6.5.4&结束语174
6.6&小结175
习题175考文献175
第7章&工业汽轮机调节177
7.1&引言177
7.2&抽汽式汽轮机调节系统分析177
7.2.1&抽汽式汽轮机的工作原理及运行要求178
7.2.2&静态解耦（自整）条件及其实现181
7.2.3&抽汽式汽轮机的运行特点184
7.3&背压式汽轮机的自动调节185
7.3.1&背压式汽轮机的两种运行方式185
7.3.2&背压式汽轮机调节系统的工作原理186
7.3.3&调节系统的实例188
7.4&变转速汽轮机的自动调节189
7.4.1&变转速汽轮机调节系统的特点190
7.4.2&变转速汽轮机的调节系统实例191
7.4.3&变转速汽轮机调节系统的动态分析194
7.5&小结200
参考文献201
第8章&现代大功率汽轮机组的综合控制202
8.1&引言202
8.2.1&锅炉、汽轮机作为统一对象时的特性203
8.2.2&单元机组负荷控制的基本方案204
8.2.3&机炉协调控制系统的基本方案207
8.2.4&式单元机组控制系统的基本方案211
8.3&直接能量平衡（DEB）系统的分析213
8.3.1&单元机组的动态特性214
8.3.2&DEB系统的设计思想215
8.3.3&DEB系统的新认识——增益调度控制217
8.4&柔性协调控制218
8.4.1&引言218
8.4.2&火电机组柔性控制的设计思想220
8.4.3&火电机组柔性控制模型224
8.4.4&柔性控制的动态特性仿真和研究224
8.4.5&几点说明226
8.5&汽轮机的快关控制228
8.5.1&汽轮发电机的功角特性228
8.5.2&汽轮发电机组的工作原理229
8.5.3&电力系统的振荡和快关对于稳定系统工作所起的作用231
前言&/《汽轮机调节原理》
自从改革开放以来，在强大需求的推动下，我国的电力工业得到了迅猛的发展，目前总装机容量已经超过8亿kW，年装机容量和年生产能力都已荣居世界首位。在汽轮机生产方面，在改革开放初期，我国只能生产亚临界200MW和300Mw汽轮机，而今天已经能够生产世界一流水平的百万千瓦等级的和核电汽轮机，控制技术则早已从过去的机械液压系统改为以计算机为核心的电液调节系统，这一切对于从事汽轮机技术的工作者来讲，其兴奋的心情是难以用言词来表达的。但是另一方面，我们也应清醒地看到，以上这些成绩都是在引进技术的基础上取得的，在技术水平方面，我们仍有很大的差距，需要各方面继续努力，迎头赶上。在国外，自20世纪60年代起开始研究电液调节系统，其后随着计算机技术的发展逐步得到完善，并在工程中推广应用。在我国，虽然自70年代起也开始了对电液调节系统的研究，但真正在工程中推广应用还是在80年代改革开放引进国外技术以后。电液调节系统采取功率与频率信号组成的功率-频率调节系统，提高了系统的性能。在计算机控制下的电液调节系统还可以采取阀门管理技术，以提高汽轮机运行的经济性。除此以外，功率-频率调节系统可以方便地与外界交换信息，使汽轮机调节系统成为机炉协调控制系统的一个有机组成部分，同时又便于接收电网的调度信号，实现电网的最优化运行。由于功率-频率调节系统的这些优点，目前已经在大功率机组上得到广泛的应用，而且200MW以上的机组原来采用机械液压系统，目前多数也已经改造成为功率-频率调节系统。&
精彩书摘&/《汽轮机调节原理》
1.6汽轮机自动调节的发展汽轮机的自动调节已经有了相当长的历史，小功率的汽轮机大多数都采用直接调节系统，即由调速器直接带动调节汽阀。随着机组容量的增大，拖动阀门所需要的力也越来越大，因此出现了间接调节系统，即将调速器的输出信号经过液压放大后，由液压执行元件来控制阀门的启闭，这种系统称为机械液压调节（MHC）系统。这种系统工作了数十年，到目前为止我国还在广泛使用着。20世纪60年代开始，又研制成功了电液调节（EHC）系统，在电液调节系统中，综合了电子及液压两者的优点，即电子指挥，液压动作。它具有调节品质好、控制精度高、运行安全可靠、操作调整方便、便于实现综合自动化等一系列优点。因此，它在国外引起普遍重视。美国、英国、瑞士、德国、前苏联、日本等国先后开始研制，并在60年代末70年代初在大功率汽轮机上采用。这种系统由专用模拟电子调节器、电液伺服机构和抗燃油供油装置等三部分组成。它具有转速调节、功率调节和机炉协调控制等功能，这种系统简称为模拟电液（AEH）调节系统。20世纪70年代初，美国西屋电气公司在.AEH的基础上发展了一种DEH数字电液一I调节系统，之后又用五年的时间研制成功了DEH一Ⅱ调节系统，这种系统使用一台小型计算机来代替AEH调节系统中的模拟式电子调节器，它除了能完成转速、功率调节外，还能按机组允许的条件，实现自动起停、并网、加减负荷、阀门管理、运行工况监测等功能，计算机的作用是综合各种参数进行运算，然后发出指令，通过模拟电路去操纵电液伺服机构。这种系统的特点是将调节、控制、监测及数据处理结合在一起，是一种综合的调节系统，也是调节系统的发展方向，美国GE公司、日本三菱公司及其他公司都在开发DEH。
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