一种发电机超速保护的电力系统机电暂态仿真建模方法

摘要

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种发电机超速保护的电力系统机电暂态仿真建模方法。针对发电机超速保护，结合电力系统仿真分析，建立适用于电力系统机电暂态仿真的发电机超速保护模型，实现超速保护的动作逻辑判断、汽轮机高压和中压调节阀在汽轮机模型中的模拟、调速器模型的改进等，组成完整的发电机超速保护模型，以达到在电力系统机电暂态仿真软件中实现超速保护模拟的目的。

主权项

一种发电机超速保护的电力系统机电暂态仿真建模方法，具体包括：1)实际系统超速保护典型控制逻辑(1)OPC控制方式一关闭调节汽门的条件是：转速超过额定转速103％，以及在30％负荷以上发电机油开关跳闸；满足上述任一条件，发电机超速保护OPC(overspeed protection controller)动作，通过OPC电磁阀，强行迅速关闭调节汽门；OPC的恢复条件：延时一定时间，且转速低于3090r/min，电磁阀复位，转速交由调节系统控制采用；(2)OPC控制方式二发电机超速保护OPC触发信号为两路信号的综合：一路为频率偏差信号，为实际转速和标准转速3000r/min的差值，将其输入一个函数发生器，在0～7％之间，即0～210r/min，产生一个0～1的数num1；另一路为机械负荷和电气负荷的不平衡量，具体计算方法为：根据发电机电流计算发电机电磁功率相对于额定功率的百分比，根据中压调节阀出口蒸汽压力信号计算机械功率相对于额定功率的百分比，上述两个功率百分比之差定义为DMW，并将DMW输入一个函数发生器，该函数发生器为：在DMW<30％时，输出为0；在30％<DMW<60％时，输出为0～1之间的数；在DMW>60％时，输出为1；两路信号相加得到数值NUM，当NUM>1时，OPC动作，直到OPC动作信号复位；(3)OPC控制方式三当汽轮机的转速上升到额定转速的102％，即3060r/min，且测算出的升速率也超过57.5r/min，触发超速保护ACC动作，使超速保护电磁阀带电，快速关闭两只中压调门，设置为固定中压缸启动方式，直至转速降回到3015r/min以下，才使ACC复位，中压调节汽门恢复至调节位，调门位置回复到调速器目标负荷，即维持汽轮机3000r/min运行的空负荷阀位；机‑电功率失衡保护PLU(Power Load Unbalance)的动作逻辑是，任何时刻如果检测并计算出在10ms内发电机定子电流与代表汽轮机负荷的中压联合汽门CRV(Contorl Reheat Valve)出口压力出现40％及以上的偏差，则PLU触发，使高压调门CV(Control Valve)和中压调门ICV(Intermediary Control Valve)快关电磁阀带电，快速关闭CV和ICV并保持关位5s之后，调门恢复至维持3000r/min的调节位；ACC或PLU触发后，调速回路迅速将动作前的负荷设定值切为空负荷3000r/min，同时将调节系统静态特性曲线中的转速不等率δ由正常运行的4％切至16％，以加强对暂态过程的调节力度，使汽轮机转速尽快调回并稳定在3000r/min，重新并网运行；(4)OPC控制方式四转速连续超过超速保护103％限制达12ms后，超速保护触发，直至转速降低至3080r/min以下；此外，发电机油开关跳闸而中压缸排汽压力大于满负荷的22％，超速保护触发，延时1‑10秒，且转速降低到103％以下复位，交由调节系统调节，机组的设定值改为转速3000r/min空转；中压缸排汽压力占额定排汽压力的百分比P％与发电机负荷与额定负荷的百分比N％之差达30％，功率不平衡触发，快速关闭中压调节汽门，延时1‑10秒恢复；2)发电机超速保护模型模拟的控制逻辑发电机超速保护模型中OPC动作的主要逻辑综合考虑了实际系统中主要的控制逻辑，包括：(1)控制逻辑一转速超过额定转速103％；在30％负荷以上发电机油开关跳闸；(2)控制逻辑二定义NUM1和NUM2分别为转速偏差控制环节和功率不平衡控制环节输出信号，NUM1＝0，转速小于额定转速；NUM1＝0～1，转速在100％和107％之间；NUM1＝1，转速达到107％；NUM2＝0，功率不平衡量小于30％；NUM2＝0～1，功率不平衡量在30％和60％之间；NUM2＝1，功率不平衡量大于60％；NUM1+NUM2大于等于1，OPC动作；(3)控制逻辑三转速超过102％，并且转速变化率超过57.5r/min；功率不平衡超过40％；(4)控制逻辑四转速超过额定转速103％；在22％负荷以上发电机油开关跳闸；功率不平衡度超过30％；综合上述控制方式，模型OPC保护考虑的控制方式如下：同时考虑转速和转速变化率，当不填写转速变化率时，仅转速有效；考虑负荷不平衡功能，采用原动机模型中压缸入口功率和电磁功率计算；不考虑负荷超过一定比例并且发电机油开关跳闸；此外还考虑以下因素：OPC动作后，同时关闭高压调节门和中压调节门，或不关闭高压调节门；OPC动作后恢复，考虑两个条件，第一个是延迟时间，第二个是达到的转速值；OPC动作过程中，考虑控制系统将调速器模型中的功率给定设置为0的功能；3)包括改进发电机超速保护的汽轮机模型：汽轮机典型结构包括：高压(HP)、中压(IP)、低压(LP)三个部分，在再热型汽轮机中，离开高压(HP)级的蒸汽通过再热进入到中压(IP)级和低压(LP)级；在高压(HP)和中压(IP)入口有截止阀和调节阀，在系统研究中，截止阀一般不用模拟，因为实际系统中正常状态保持全开；在正常运行过程中，只通过控制高压调节阀实现机械功率的控制，中压调节阀保持全开状态，因此中压调节阀也不模拟；在模拟发电机超速保护过程中，除了高压调节门动作外，中压调节门会随着控制迅速关闭或者开启，需要在模型中考虑中压调节门的影响；因此在模型中中压缸的模型不能再采用一节惯性环节来表示，在考虑容积效应的积分环节后增加了中压调节阀开度信号，用于模拟重要调节阀动作后的功率变化；4)还包括改进发电机超速保护的调速器模型：汽轮机的调速系统功能包括正常的速度—负荷控制、过速控制和过速跳闸；正常的速度—负荷控制是调速系统的基本要求，在汽轮机中，通过控制高压调门位置控制允许进入汽轮机的蒸汽量来实现，使机组正常情况满意运行，适当分担负荷，过速控制是汽轮机所特有的，对汽轮机的安全运行至关重要，再热型汽轮机有两个分开的阀系统，用来迅速控制供给汽轮机的蒸汽能量，一个系统由高压调门组成，另外一个由中压调门组成；过速控制包括高压调门和中压调门的快速控制：调速系统包括调速器、速度继电器和液压伺服器传动机构；调速器输出由与速度/负荷参考值产生的误差信号控制高压调门和中压调门；正常情况下，只有高压调门响应，用偏差信号使中压调门保持全开状态；当误差信号比较大时，中压调门迅速关闭；当偏差信号小于一定值时，中压调门再次全开；在考虑OPC控制后，调速器模型需要进行改进，以反映调速器中的中压调门控制部分以及附加信号控制部分；不考虑发电机超速保护时，正常情况下不考虑中压调节门的动作，因此模型中仅包含高压伺服系统的模拟部分，输出信号为高压调节汽门开度，考虑发电机超速保护后，需要同时考虑中压调节阀的控制部分，其中增加了中压调节阀的伺服系统模拟部分，输入信号中除了正常的转速偏差信号之外，增加了转速偏差偏置，只有当转速偏差超过设定值后，中压调节阀才会动作；中压调节阀的控制也可采用简化的形式，根据发电机超速保护的动作信号，经过一定的延迟，直接修改原动机模型中的中压调门开度。