汽轮机调速系统参数对电力系统阻尼特性的影响田海松

田海松

天津渤化永利热电有限公司天津300451

摘要：根据调查发现，目前原动机调速系统的动态特性、响应速度有了很大的提高，在电力系统受到扰动时，有必要考虑调速系统的响应特性。目前，汽轮机调速系统的快速性和灵敏性对电力系统的稳定性有着重要的影响。研究表明，调速系统的参数选择不当将使负阻尼低频振荡出现恶化，调速系统附加控制对电网频率稳定以及机组安全稳定运行具有很好的效果。基于此，本文主要对汽轮机调速系统参数对电力系统阻尼特性的影响进行分析探讨。

关键词：汽轮机；调速系统参数；电力系统；阻尼特性；影响

1、分析方法及稳定判据

研究电力系统元件对系统稳定特别是小干扰稳定性问题，可以采用时域分析方法，也可以采用频域分析方法。通过研究原动机调速系统主要参数对系统提供的附加阻尼系数及其对分界频率（boundaryfrequency）的影响，可以获取待研究对象对系统影响的性质及大小。

2、汽轮机调速系统的模型及简化

典型的汽轮机调节器模型如图1所示，该模型有3种基本调节方式，即阀位控制、负荷回路控制及调节压力控制。

图1电液调速系统（DEH）控制系统模型

图2液压执行机构模型

汽轮机调速系统的PID环节中，比例放大倍数一般在0.1~2之间，积分时间常数一般大于20s，微分环节一般退出运行，图1模型可简化成一带纯延时的比例环节来表达。

典型的液压执行机构模型如图2所示。图中，vELO为油动机过速开启系数；vELC为油动机过速关闭系数；τC为油动机关闭时间常数；τO为油动机开启时间常数。

该模型将调门开度指令PGV作为反馈信号构成闭环调节，其中液压转换PID模块中KP起主要作用，积分、微分作用较小，随着工艺的提高，汽轮机调速系统液压部分的迟滞等非线性环节不突出，该环节可以简化为带延时的一阶惯性环节来表达。大机组基本为一次中间再热式汽轮机，其模型框图如图3所示。图中，FHP为高压缸功率比例；FIP为中压缸功率比例；FLP为低压缸功率比例；τCH、τRH、τCO为蒸汽容积时间常数。

其中，KA为放大倍数，τg为液压系统时间常数，τCH为高压汽室容积时间常数。

3、调速系统主要参数系统稳定的影响研究

3.1KA频率特性及对系统阻尼的影响

放大倍数KA等于转速不等率的倒数，以下分析汽轮机调速系统在不同放大倍数下的频率特性及其对阻尼系数和分界频率的影响。取经典参数τg＝τCH＝0.2s不变，放大倍数KA分别为16.7、22.2、33.3。计算得到该3组不同放大倍数下的相频曲线如图4所示（图中，曲线1、2、3分别表示KA为16.7、22.2、33.3时的曲线；后同）。

图4不同KA下相频特性

由图可见，KA的变化不影响调速系统的相频特性，单独改变KA，不会对分界频率产生影响。当KA分别取33.3、22.2、16.7这3组参数时，调速系统的分界频率均为fd=0.8Hz（每0.1Hz取1点）。结果表明，附加阻尼系数（DG）的过零点是相同的，在正阻尼区域（DG>0）放大倍数越大，正的附加阻尼越大，给系统提供的正阻尼越大；负阻尼区域（DG<0），放大倍数越大，附加阻尼的绝对值越大，给系统带来的负阻尼也越多。放大倍数只改变系统阻尼的大小，不改变系统分界频率。

3.2τg及τCH频率特性及对系统阻尼的影响

本节考虑了3组不同τg配置下的频率响应特性。取KA＝22.2、τCH=0.2s不变，τg分别为0.02s、0.2s、1s，随着振荡频率的增大，调速系统相位滞后加大，当参数τg由小到大变化时，系统的滞后角度具有相同的变化趋势，具有单调性。但不同参数同一振荡频率下调速系统的滞后特性有较大的差异。这3组参数对应的分界频率分别为0.36Hz、0.80Hz、2.50Hz。τg的变化将显著影响调速系统的幅频及相频特性以及阻尼特性。随着τg的变大，系统的分界频率逐步降低。当振荡频率低于分界频率时，调速系统提供正阻尼；当振荡频率高于分界频率时，系统提供负阻尼。不同的τg配置对分界频率的影响比较大。

在物理意义上，τCH是指汽轮机高压蒸汽管道容积时间常数，简化模型中，仅考虑了一个高压缸做功的情况。τCH的大小直接关系着高压缸出力的变化。与τCH相关的传递函数模型为1／（1＋τCHs），该模型与1／（1＋τgs）具有相同的形式，τCH对系统阻尼的影响分析与τg对系统的影响相同，不同的是2个参数的取值范围有差异。当振荡频率在分界频率附近时，附加阻尼系数DG很小，此时调速系统提供的附加阻尼接近于0，对系统的影响较小。

3.3非线性环节对系统阻尼的影响

汽轮机调速系统的非线性环节主要有死区、纯延时、限幅等。它们对调速系统的频率特性及阻尼特性均有影响，以纯延时环节的影响为大。纯延时环节可以用式（4）表示：

其中，τ为延时时间常数，根据计算得知，对于频率1.0Hz左右的振荡，纯延时环节引起的相位滞后为72°，该环节对分界频率有很大的影响，考虑原动机调速系统对电力系统稳定的影响时，纯延时环节是不能忽视的。

4、小干扰分析和时域仿真计算

仿真工具为电力系统仿真计算软件PSD-BPA，在IEEE90系统框架上进行时域仿真以及小干扰分析，故障类型为1号发电机对应线路侧三相瞬时短路故障。研究的3机系统的故障类型相同，采用相同的原动机调速系统模型参数，计算中采用了六绕组发电机模型、数字式电液调速系统及自并励励磁系统，励磁系统及调速系统采用实测参数，发电机参数部分采用设计值。

频域计算采用BPA-SSAP小干扰程序计算特征值及特性向量，时域仿真分析包含不考虑调速系统和考虑2组不同放大倍数下调速系统在故障下的发电机功角（1号发电机为参考机）及有功功率振荡曲线，KA分别取33.3、16.7。一个n机系统对应有n-1个机电振荡模式；对于3机系统，相应地有2个机电振荡模式，这2个模式的特征值计算结果如表1和表2所示。

表1负阻尼区域特征值计算结果表2正阻尼区域特征值计算结果

表1中，放大倍数KA=16.7时，相比于无调速系统，阻尼比分别降低0.0140和0.0118；KA=33.3时，阻尼比分别降低0.0273和0.0230，调速系统给系统提供的是负阻尼，随着放大倍数的增大，提供的负阻尼越多。表2中，放大倍数KA=16.7时，相比于无调速系统，阻尼比分别提高了0.0065和0.0047；KA=33.3时，阻尼比分别提高0.0121和0.0076，调速系统给系统提供的是正阻尼，随着放大倍数的增大，提供的正阻尼越多。

多机系统研究还表明，调速系统对电力系统动态稳定的影响与机组对某个振荡模式的相关程度有关。

5、结论

汽轮机调速系统对电力系统的阻尼特性有较为显著的影响。不同参数配置下的汽轮机调速系统对电力系统的影响不一样，它可能增加系统的阻尼，也可能减小系统阻尼。汽轮机调速系统对电力系统阻尼的影响可以通过调速系统提供的附加阻尼系数的正负或其提供的机械转矩在稳定计算坐标系中所处的位置确定，同时，分界频率是判断调速系统给电力系统提供正阻尼、负阻尼或者零阻尼的重要依据。通过频率、时域分析及联网计算表明，本文方法可应用于基于详细模型的调速系统对复杂电力系统的阻尼特性分析。

参考文献：

［1］刘取.励磁控制与电力系统稳定［M］.北京：中国电力出版社，2006：306-386.

［2］汤涌，卜广全，侯俊贤.PSD-BPA暂态稳定程序用户手册［M］.3版.北京：中国电力科学研究院出版科，2006：89-119.