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第43卷第20期2015年1O月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVo1.43No.200ct.16.2O15燃气一蒸汽联合循环机组的实时数字仿真建模蒋松含,李中豪,张沛超,郭强,张建新(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;2.国网上海电力公司电力科学研究院,上海200437)摘要:为了弥补国内对燃气一蒸汽联合循环电厂(CombinedCyclePowerPlant,CCPP)q ̄机组动态模型研究的不足,解决常用的电力系统仿真软件不提供CCPP仿真模型的问题,针对国内9F级重型CCPP机组所具有的不补燃余热锅炉、单轴型结构、滑压运行等特点,研究并建立了CCPP机组的实时数字仿真模型。首先在Matlab/Simulink环境下建立了非实时数字仿真模型,然后将其转换为C语言代码,并利用CBuilder工具将其封装为可以实时运行的仿真模型。最后,在RTDS上对模型进行了仿真测试,并与现场实测结果进行了对比验证。仿真结果表明,所建立的CCPP机组模型在计算效率和模型精确性等方面均能满足电力系统的实时仿真要求。关键词:联合循环电厂;建模;实时数字仿真;封装模型Real--timedigitalmodelingofgas--steamcombinedcyclepowerplantJIANGSonghan,LIZhonghao,ZHANGPeichao,GUOQiang2,ZHANGJianxin2(1.SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China;2.StateGridElectricPowerResearchInstitute,SMEPC,Shanghai200437,China)Abstract:Atpresent,thereisverylimitedresearchondynamicmodelingofgas-steamcombinedcyclepowerplant(CCPP)unitsdomestically,andthecommonlyusedpowersystemsimulationsoftwarestilllackCCPPmodels,tobuildaCCPPunitsmodelbasedonthecharacteristicsofthedomestic9FheavydutyCCPPunitswithunfiredheatrecoverysteamgenerator,singleshaftandslidingpressurecontrol,arealtimedigitalsimulationmodelofCCPPunitsisestablished.——FirstlyanonrealtimedigitalsimulationmodeliSestablishedintheMatlab/Simulinkenvironment.andthenthemodeliSconvenedintoClanguagecode.SecondlybyusingCBuilder,Clanguagecodeisencapsulatedinasimulationmodelwhichcanruninrea1time.FinallythemodeliStestedonRea1TimeDigitalSimulator(RTDS).andverifiedwiththefieldtestresults,whichdemonstratesthatthedevelopedCCPPmodelCanmeettherea1timesimulationrequirementsofpowersystemintermsofcomputationefficiencyandmodelaccuracy.ThisworkissupportedbytheNationalScienceandTechnologySupportingPlan(No.2013BAA01B04).Keywords:combinedcyclepowerplant;modeling;RTDS;encapsulationmodel中图分类号:TM743:TM611.30引言—燃气一蒸汽联合循环(gassteamCombinedCyclePowerPlant,CCPP)发电技术是一种具有高效率、低污染、低水耗、启动快、大容量等特点的清洁发电技术。CCPP机组由燃气轮机、蒸汽机、余热锅炉以及发电机等四部分组成,其工作原理是把高温区工作的燃气轮机布雷顿循环与中低温区工作的蒸汽机朗肯循环叠置ljJ,组成联合发电系统。由于CCPP机组充分利用了燃气轮机的平均吸热温度高和蒸汽基金项目:国家科技支撑计划课题(2013BAA01B04)—文章编号:1674-3415(2015)20.013706轮机平均放热温度低的特点,其机组效率可以达到60%左右【JJ,明显高于燃气机组和蒸汽机组。除了具有发电效率高、环境污染少【3]等优点,CCPP机组还具有优良的负荷调节性能,其理论变负荷速率可以达到10%MCR/min(MCR,最大连续出力),在实际应用中可以达到5%MCR/min,远优于常规燃煤机组2%MCR/min的调节特性,仅次于水电机组[4]。在未来智能电网中,这种调节能力对于平滑风能等可再生能源的波动性具有重要作用。从国家层面上,加强天然气的勘探开采与应用、发展绿色低碳技术和循环技术已成为我国重要国策。到2020年,我国天然气工业可以为1.6亿kw电力系统保护与控制燃气.蒸汽联合循环电站提供足够的燃料L5J。发展联合循环对改善国内环境、调整国家能源结构有着相当重要的意义。但是,目前关于CCPP机组动态模型的研究仍非常有限。国内对联合循环的研究【2,oJ主要是从热力学角度进行仿真建模的。在电网分析与研究中需要CCPP机组模型时,常以燃气机组或蒸汽机组的模型替代。在RTDS、PSCAD、PSS/E以及DigSilent等常用电力系统仿真软件中,普遍缺乏针对CCPP机组的模型。针对以上问题,本文以国内广泛采用的9F级重型燃气一蒸汽CCPP机组【为对象,在RTDS平台上建立了一个滑压运行、不补燃的单轴联合循环机组的实时数字仿真模型,并利用CBuilder工具对仿真模型进行了封装,以提高模型的可复用性。1燃气一蒸汽联合循环机组建模根据国内CCPP机组的实际情况,本文针对的机组类型为单轴型,采用不补燃型余热锅炉,以滑压方式运行。本文建立的模型如图1所示。图1联合循环机组仿真模型Fig.1CCPPsimulationmodel燃气轮机模型中考虑了加速度控制、温度控制、转速控制【7J等三个动态控制环J,其中转速和温度控制采用比例一积分(PI)控制,加速度控制采用积分控制。这三个控制环的输出通过最小值选择器后去控制燃料,如图1所示。转速控制的输入是电磁功率、转速、转速参考值,温度控制的输入是测量温度以及温度参考值,加速度控制的输入是转速和加速度参考值。在滑压运行方式下,汽轮机的功率输出跟随燃气轮机。燃气轮机和汽轮机的出力比例接近2:1。稳态运行时,不补燃余热锅炉型CCPP机组功率输出由燃气轮机输出功率决定。在动态情况下,机组的总体负荷响应速度主要受余热锅炉限制。仿真模型中采用标幺值。CCPP模型最后将总机械转矩输出至发电机,但原动机和发电机的基准值不一样。其中,发电机以视在功率(MVA)为基准值,而原动机以额定功率fMw)为基准值。1.1转速控制图1包含转速控制,它是燃气轮机控制中最重要的部分,选择合适的参数、可以实现埘燃气轮机响应速度的调节;参数dbd可以调节功率波动死区范围;参数是转速/负荷参考值,可响应AGC指令尸AGc进行调节,以改变机组的基荷。1.2加速度控制加速度控制是在机组转速变化率越限时控制燃烧系统。该控制在机组起机或者切负荷过程中尤为重要。在图1中,加速度控制根据加速度和加速度参考值a。的差进行积分控制,积分系数为。1.3温度控制温度控制在燃气轮机排出气体温度超过限值时起作用。在图1中,温度控制由温度测量模块、比较模块和PI控制器这三部分组成。其中温度测量模块中,参数h。。、、乃代表了热电偶和辐射屏蔽层【9J对测量过程的影响,只)为反映转速对温度控制的影响的非线性函数。参数ii为温度限制值,测量温度和imil的差值经过PI控制器进行调节,其比例、积分系数分别为、。蒋松含,等燃气蒸汽联合循环机组的实时数字仿真建模.139.1.4汽轮机控制J由于本模型采用不补燃型余热锅炉以及滑压运行方式,因而汽轮机的控制相对简单。参数乃为余热锅炉的时间常数,反应了余热锅炉的响应速度。尸g)代表余热锅炉吸收的热量(Q)和燃气轮机输出功率(尸)的非线性映射关系。尸l则代表了汽轮机进气阀的主蒸汽压力。尸r。f代表最小的蒸汽压力参考值。当Pr。f很小时,汽轮机的调速系统不起作用,此时调节气门全开,实现滑压运行。2基于CBuilder的联合循环封装模型2.1基于Simulink的CBuilder组件开发RTDS是一套利用多CPU并行处理技术和EMTP模型对电力系统电磁暂态过程进行模拟的计算机装置,是目前世界上技术最成熟、应用最广泛的实时数字仿真系统[10-11]。RTDS可以进行实时仿真,可以与‘外部设备构成灵活方便的数字.物理闭环回路u2。RTDS仿真一次设备,可以使参数与实际系统一致L1引。在RTDS中,所有的控制组件及其参数都是全局的。如果利用控制组件建立图1的CCPP机组模型,则建好的模型很难多次实例化,无法以模块化的方式进行复用。为解决这个问题,可以利用RTDS提供的组件自定义工具CBuilder对控制模型进行封装【l"】,封装好的模型具有一系列优点,例如,具有清晰的输入/输出接口,可以多次实例化,以及更高的执行效率等。但是,CBuilder要求人工编写C语言以实现控制模型,在CBuilder环境下调试控制模型非常困难。与之对比,Matlab/Simulink提供了高效的控制器建模与调试环境,同时,利用Simulink/Embeddedcoder工具,可以将Simulink模型转换为支持浮点数运算的高性能ANSIC代码,从而可以在宿主实时嵌入式平台上运行。RTDS系统所采用的处理器芯片为IBMPowerPC750GX或FreescalePowerPCMPC7448。如果将上述处理器视为Simulink生成代码的宿主嵌入式平台,就可以首先在Simulink环境下进行快速的模型开发与测试,然后再将其迁移到RTDS平台中。上述开发过程如图2所示。2.2CCPP组件接口定义首先需定义CCPP组件的外部接口,这样在后续开发中,Matlab/Simulink模型和RTDS/CBuilder模型才可以具有完全兼容的接口。本文定义的CCPP组件接口如图3所示,其端口定义如下。(1)Ac:输入端口,为来自发电机的输出电磁功率;图2基于Simulink的CBuilder组件开发过程Fig.2CBuildercomponentdevelopmentprocessbasedonSimulinkPMAC厶etCCPPTimeStepspecifiedbySimulink=50Its图3CCPP组件的接口定义Fig.3InterfacedefinitionoftheCCPPcomponent(2)三。。:输入端口,为机组负载/转速参考值;(3)W:输入端口,为发电机的转速;(4)TM:输出端口,为输入发电机的机械转矩。另外,本文还定义了CCPP组件可以配置的参数,具体参数项目见本文的仿真测试部分。2.3Simulink模型开发与自动代码生成[]按照上述接口定义,利用Simulink完成图1所示CCPP模型的开发。模型的仿真步长应设为固定步长,如50us。然后,利用Simulink/EmbeddedCoder自动生成ANSIC代码,如表1所示。表1Simulink生成的主要源代码Table1MajorsourcecodesgeneratedbySimulink文件名文件描述实现CCPP模型功能的主要文件包含模型参数和状态变量定义包含模型用到的初始参数值包含访问实时模型的私有指令的定义包含模型中所用的数据类型的定义2.4CBuilder组件的创建和集成编译利用RTDS/CBuilder,创建具有相同接口的CCPP组件,并生成ANSIC代码。但该代码仅包含接口定义,不包含功能实现。功能实现需要导入由电力系统保护与控制Simulink生成的功能代码,形成构建RTDS平台上CCPP模型所需的所有源代码,如表2所示。对上述代码进行集成编译,即可生成封装为自定义组件的CCPP模型,可在RTDS中被重复使用。表2CBuilder编译所需源代码Table2SourcecodesneededforCBuildercompiling文件名文件描述RTDSCCPP组件接口定义文件RTDSCCPP组件的功能实现文件,其核心功能从CCPPSim.C文件导入包含RTDSCCPP组件的函数定义表1中由Simulink生成的其他代码由Matlab提供的实时嵌入式系统公共支撑代码3仿真测试3.1联合循环频率阶跃扰动测试文献【l9】给出了上海临港燃气电厂同型号机组的实测方法。本文仿真时采用同样的测试方法。机组带80%以上负荷稳定运行,进行频率阶跃扰动实验。实测结果和仿真结果对比如图5所示,两者基本一致。在图5(c1中,燃气轮机出力的仿真结果和实测结果基本~致,但当频率重新回到50Hz之后,仿真出力比实测出力少了约3Mw。这是因为在燃气轮机转速控制过程中存在转速死区,允许功率有±2.4MW的误差。从图5fd)可见,汽轮机出力响应的仿真结果较之实测结果偏慢,而且动态过程中仿真出力比实测出力多了约1Mw的功率输出。但从图5(b1可以看出,CCPP机组的总出力轨迹的仿真结果与实测结果吻合的很好。0020:Il-】jO020.0的额定功率是400MW,发电机容量为470MVA。善图中给出了本文开发的CCPP组件与发电机的连接囊关系。垂:图4测试系统Fig.4Testsystem打开CCPP组件的参数配置对话框,可以配置表3所示的参数项。表3联合循环模型主要参数Table3MajorparametersofCCPPmodel05Ol00l5O200250t/s(a)频率阶跃≥歪s340壕335莲33005Ol0Ol5020025()tIs(b)联合循环机组总出力05010015020025005Ol00l5O20()25()t|(c]燃气轮机出力(d)汽轮机出力图5联合循环频率阶跃扰动测试Fig.5TestofCCPPfrequencystepdisturbance3.2联合循环频率动态特性测试机组带80%负荷,突然切掉50Mw负荷,机组出力从初始的320MW减小到270Mw,系统频率从50Hz经历扰动后稳定在50.25Hz。频率变化过程如图6所示。由图6可计算出调速器下垂特性斜率为(0.25/50)/(50/400)×100%一4%,和实际机组的下垂特性斜率一致。515;5。。495联合循环频率动态特测试\\\\、———————一图6联合循环频率动态特性测试Fig.6TestofCCPPfrequencydynamiccharacteristics3.3加速度控制测试机组带95%负荷,突然切掉120Mw负荷,机~一一~一一一一一~一一一蒋松含,等燃气一蒸汽联合循环机组的实时数字仿真建模—/,一——————~一t/s图7联合循环加速度控制测试Fig.7TestofCCPPaccelerationcontrol3.4模型实时计算效率测试L5J测试时使用了RTDS的一块GPC处理器卡(GigaProcessorCard)中的一个处理器。该处理器芯片是IBMPPC750Gx,主频为1GHz。利用RTDS的性能测试工具,测得CCPP模型“运行一次所需要的时间约为5.5s。即如果系统仿L6真步长为50us,那么单个RTDS处理器中最多能同时运行9个CCPP机组模型。这表明该模型具有良好的实时计算效率。[7]4结论随着我国加强对天然气的开采与利用,燃气一蒸汽CCPP机组的装机容量将不断扩大。在未来智能电网中,作为一种清洁发电形式,具有优良调节能力的CCPP机组可以实现与其他随机性可再生能源的协调运行。根据CCPP机组在我国的实际运行情况,本文…在RTDS上开发了包括燃气轮机、余热锅炉和汽轮机的联合循环仿真模型。通过与机组实测结果进行对比,验证了模型的有效性。.n.本文在开发CCPP模型时,首先在Matlab/Simulink环境下完成建模与调试,然后将其转化为ANSIC代码,最后利用RTDS/CBuilder将该模型封r1n_装为可以多次实例化的自定义组件。经实时仿真测试,证明了该组件具有良好的实时计算性能。参考文献[1]姚秀平.燃气轮机与联合循环1.北京:中国电力出版社。2010.[2]李帅.燃气.蒸汽联合循环负荷分配控制策略研究与仿l11j真[D】.保定:华北电力大学,2009.LIShuai.Researchingandsimulationoftheload——dispatchingcontrolstrategyongasstreamcombinedcycle[D].Baoding:NorthChinaElectricPowerUniversity,2009.张彦涛,苏峰,汪洋,等.联合循环机组维护成本建模及求解[J].电网与清洁能源,2015,31(6):6-11,32.ZHANGYantao,SUFeng,WANGYang,eta1.Maintenancecostoptimizationforcombinedcyclegasturbines[J].PowerSystemandCleanEnergy,2015,31(6)6-11,32.柳红军.9F级燃气蒸汽联合循环机组参与电网自动发电控制的思考[.『].电力设备,2008,9(9):68.70.LIUHonNun.Thinkingsonparticipationof9Fgas-steamcombinedcycleunitintheAGCofpowergrid[J].—ElectricalEquipment,2008,9(9):6870.蒋洪德,任静,李雪英,等.重型燃气轮机现状与发展趋势.中国电机工程学报,2014,34(29):5096.5102.JIANGHongde,RENJing,LIXueying,eta1.Statusanddevelopmenttrendoftheheavydutygasturbine[J].—ProceedingsoftheCSEE,2014,34(29):50965102.聂慧明,联合循环机组仿真系统设计与实现[D].上海:上海交通大学,2009.NIEHuiming.DesignandrealizationofCCPPsimulationsystem[D1.Shanghai:ShanghaiJiaoTongUniversity,2009.张辉,蒲天骄,王刚,等.基于实测频率轨迹的机组调速器参数辨识[J】.电力系统保护与控制,2014,42(1):—2433.ZHANGHui,PUTianjiao,WANGGang,eta1.GovernorparameteridentificationofgenerationsystembasedOnmeasuredfrequencycurve[J].PowerSystemProtection—andControl,2014,42(1):2433.’CENTEN0PEGIDOI,D0MING0C,eta1.Reviewof—gasturbinemodelsforpowersystemstabilitystudies[C]//9thSpanishPortugueseCongressonElectricalEngineering,Marbella,Spain,2005.GROBLERJH.Developmentandadaptationofdynamic’modelsfornewpowergenerationsource[D].Xian:NorthwestUniversity,2011.唐永红,郑晓雨,马进.基于RTDS的负荷模型验证及分类研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(1):37.41.TANGYonghong,ZHENGXiaoyu,MAJin.Modelvalidationand1oadclassificationbasedonRTDS[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(1):37.41.谢化安,王永源,万四维,等.东莞变电站链式.142一电力系统保护与控制STATCOM控制保护的RTDS试验研究[J].电力系统保护与控制,2013,4l(4):117.122.XIEHuaan,WANGYongyuan,WANSiwei,eta1.ResearchonthecontrolandprotectionsystemofDongguanSubstationcascadestaticsynchronouscompensatorbasedonRTDS[J].PowerSystemProtectionandControl,2013,41(4):117-122.[12]苏丽萍,陈侃,李国杰,等.基于RTDS的光伏并网系统实时仿真平台研究[J】.电力系统保护与控制,2012,—40(15):110115.SULiping,CHENKan,LIGuojie,eta1.Real-timesimulationstudyofphotovoltaicgrid-connectedsystembyRTDS[J].PowerSystemProtectionandControl,2012,—40(151:110115.[13]李罗,朱静,白云飞,等.基于RTDS的合并单元性能测试研究[JJ.高压电器,2014,5O(7):24-30.LILuo,ZHUJing,BAIYunfei,eta1.ResearchonperformancetestofmergingunitbasedonRTDS[J].—HighVoltageApparatus,2014,50(7):2430.[14]于力,许爱东,郭晓斌,等.基于RTDS的有源配电网暂态实时仿真与分析【J】.电力系统及其自动化学报,2015,27(4):18-25.YULi,XUAidong,GUOXiaobin,eta1.Real-timetransientsimulationandanalysisofactivedistributionnetworkbasedonRTDS[J].Proceedingsofthe—CSUEPSA,2015,27(4):18-25.[15]姚致清,刘涛,张爱玲,等.直流融冰技术的研究及应—用[J】.电力系统保护与控制,2010,38(21):5762.YAOZhiqing,LIUTao,ZHANGAiling,eta1.Research&applicationonDCde・icingtechnology[J].Power—SystemProtectionandControl,2010,38(21):5762.[16][17][18][19]贾旭东,李庚银,赵成勇,等.基于RTDS/CBuilder的电磁一机电暂态混合实时仿真方法[J].电网技术,2009,33(I1、:33-38.JIAXudong,LIGengyin,ZHAOChengyong,eta1.Electromagnetictransientandelectromechanicaltransienthybridreal-timesimulationmethodbasedonRTDS/CBuilder[J].PowerSystemTechnology,2009,33(11):33-38.SimulinktoRSCADconversionanintroductorytutorial[Z].RSCAD.2013.杨涤,李立涛,杨旭,等.系统实时仿真开发环境与应用[M】.北京:清华大学出版社,2002.临港4号机调速系统参数实测与建模试验报告[RJ.上海:国网上海市电力公司电力科学研究院,20l4.≠ReportofLingang4}speedcontrolsystemparametermeasurementandmodelingtest[R].Shanghai:StateGridElectricPowerResearchInstituteSMEPC,2014.收稿日期:2015-O1-04;—修回Et期:2015-0330作者简介:蒋松含(1990一),男,硕士研究生,主要研究方向为电力系统仿真、电力系统保护与控制;E-mail:bikong@@u.edu.cn李中豪(199卜),男,硕士研究生,主要研究方向为电—力系统仿真、分布式发电;Email:zhonghao0303@163.corn张沛超(1970一),男,博士,副教授,主要研究方向为—电力系统保护与控制、智能变电站、电力系统仿真。Email:pczhang@sjtu.edu.cn(编辑周金梅)
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