三文鱼养殖2017年2月电工技术学报Vol.32 No. 4 第32卷第4期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb. 2017
火电快速甩负荷机组动态仿真建模
廖诗武1曾凯文1姚伟1文劲宇1胡羽川1,2马龙鹏1方家琨1（1. 强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）武汉 430074
2. 国网湖北省电力公司电力科学研究院武汉 430077）
小品策划摘要快速甩负荷（FCB）技术是一种能够在电网黑启动中发挥关键作用的技术，而FCB机组动态仿真模型是研究FCB技术的基础。现有常规火电机组模型均无法准确模拟FCB工况的动态特性，为此在分析总结火电机组实现FCB功能所必需的各项技术的基础上，建立了含旁路系统的汽轮机模型以及含FCB功能的原动机调速系统模型，并加入锅炉、电力系统稳定器（PSS）、励磁系统及发电机模型组成含FCB功能的火电机组动态模型。以台山电厂FCB实验机组为例，通过Matlab/Simulink建立FCB机组的动态仿真模型，其仿真结果与现场实验结果基本一致，说明所建立的FCB机组动态模型能够准确地模拟机组在FCB工况下的动态特性，可为研究FCB机组和大旁路机组及其在电力系统的应用提供模型参考。
关键词：快速甩负荷旁路系统火电机组动态模型
中图分类号：TM743
Dynamic Model for Thermal Units with Fast Cut Back Function Liao Shiwu1 Zeng Kaiwen1 Yao Wei1 Wen Jinyu1 Hu Yuchuan1,2 Ma Longpeng1 Fang Jiakun1（1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology
Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China
2. State Grid Hubei Electric Power Rearch Institute Wuhan 430077 China）
Abstract Fast cut back (FCB) technique plays an important role in power system black-start, and the detailed dynamic model of the FCB thermal unit is the fundamental of the FCB rearch. However, the current conventional thermal unit model cannot simulate the dynamics of FCB thermal unit accurately. Therefore, after analyzing the required techniques for the FCB function, this paper constructed thermal turbine model with a bypass system and prime mover model integrated a FCB function. After that, the complete dynamic model of FCB thermal units were built, including the turbine, prime mover, boiler, PSS, exciter and generator. A ca study is undertaken bad on the FCB thermal units in Taishan Power Plant through Matlab/Simulink software. The simulation results are consistent with field test results of the FCB thermal unit, which verify the propod dynamic mod
el. It can provide references to study FCB thermal units and other large bypass integrated units.
Keywords：Fast cut back, bypass system, thermal units, dynamic model
0引言
近年来，全球发生了多起大面积停电事故，使人民的生产生活遭受了重大损失[1-5]。黑启动是保障电网在大面积停电后快速恢复正常运行的有效措施。普通火电机组由于重启时间长、成本高，使其不仅无法在电网黑启动过程中作为黑启动电源对电网进行供电，而且需要依靠其他外部电源实现重新启动，这大大延长了电网恢复时间，同时也加大了经济损失。而具有快速甩负荷（Fast Cut Back, FCB）功能的火电机组（FCB机组）在应对外部电网故障
国家自然科学基金资助项目（51177057）。收稿日期 2015-10-15 改稿日期 2016-06-03
第32卷第4期廖诗武等火电快速甩负荷机组动态仿真建模 213
时，能够快速甩负荷至仅带厂用电负荷，并保持稳定的孤岛运行状态[6,7]。经过5～10min FCB工况过渡[8]，FCB机组能在电网故障消失后随时并网升负荷，这对电网的快速恢复无疑起到举足轻重的作用，是一种理想的黑启动电源。
客套
目前FCB技术的相关研究主要分为两类：一类主要对FCB机组功能改造及FCB机组实验进行介绍[9-11]；另一类主要探讨了在系统全黑情况下，FCB 机组对系统恢复的作用，研究了有FCB机组参与情况下的电力系统黑启动策略[12,13]。这些研究都强调了FCB机组的改造和投运对缩短电力系统的停电时间和减小停电损失的重大意义。德国近年来建设的百万机组全部具备FCB能力，然而在火力发电占据主导地位的我国却只有少数的火电机组具备FCB 功能。因此，深入研究FCB技术、推广FCB机组的建设对我国电力事业的发展具有重要的意义，而能够反映FCB机组运行特性的动态仿真模型是这一研究的基础。
目前，虽然用于分析汽轮机甩负荷以及调门快关的动态模型已经有了一些研究，但是仍缺乏可以用于FCB控制系统设计及现场实验校验的仿真模型。文献[14]中含重要中压调门控制的增强模型计及了中压调门快关对汽轮机动态特性的影响。文献[15]通过建立汽轮机调门快关模型分析了调门快关对防止汽轮机超速的作用。文献[16]则专门针对汽轮机的甩负荷过程改进了汽轮机模型。但这些模型都没有考虑汽轮机旁路系统对甩负荷过程的影响，也没有建立包含FCB控制的机组控制系统。因此，这些模型均难以正确反映FCB机组在甩负荷过程中的动态特性。
鉴于此，为了正确模拟FCB机组在FCB工况下的动态特性，为FCB控制系统设计及FCB实验提供参考，本文引入旁路系统的动态特s性建立了含旁路的汽轮机动态模型，结合FCB工况的实际物理过程建立了含FCB工况控制的原动机调速系统模型及旁路控制模型，在此基础上加入锅炉、发电机、励磁系
统、电力系统稳定器（Power System Stabilizer, PSS）等环节，建立了完整的FCB机组动态仿真模型，并通过仿真和现场实验结果的对比，验证了所建模型的准确性和有效性。
1 FCB机组及其关键技术
当电网发生严重故障导致火电厂与系统解列后，FCB机组在非锅炉故障时，原动机能够快速减负荷，在维持锅炉最低稳燃负荷的同时，保持主汽及再热蒸汽参数稳定[17]，从而确保锅炉和汽轮机均不跳闸，机组带厂用电小（孤）岛运行。这种独特的运行工况称为发电机组的FCB工况。
机组的FCB工况涉及机组各系统之间复杂的协调动作。在甩负荷后，锅炉出力由于其自身的惯性无法瞬时降低，保持主汽及再热蒸汽参数稳定、维持转速不越限并保证厂用电正常工作是机组在FCB工况下能够稳定运行的关键。本文分析并总结了为实现FCB功能机组需要具备的两项关键技术：大容量旁路及其控制系统和适应于FCB工况的原动机调速系统。
移动飞信1.1 大容量旁路及其控制系统
为了提高火电机组的负荷适应能力，加强锅炉和汽轮机之间的协调能力，中间再热式火电机组一般都设置旁路系统。旁路系统是指高参数蒸汽不进入气缸的流通部分做功，而是经过与该气缸并联的旁路降温减压阀，将降温减压后的蒸汽送至低一级参数的蒸汽管道或凝汽器的管道系统。常用的含旁路系统的汽轮机结构如图1所示。
图1 含旁路系统的汽轮机结构
Fig.1 Steam turbine structure with bypass system
图1中点划线框部分分别代表高压旁路与低压旁路。旁路系统通常用于配合机组启动，帮助机组在冲转前维持高压、中压缸进气参数，加速机组启动等[6]。为满足水动力循环可靠性及燃烧稳定性要求，火电机组锅炉的最低稳燃负荷一般为额定负荷的30%左右[18]，因此，若在FCB工况下满足不停机不停炉的稳定需要，必须由旁路系统来协调机组和机炉之间的不平衡流量，使锅炉和汽轮机独立运行。对于最严重的甩100%负荷FCB的情况，汽轮机不平衡蒸汽流量很大，除去维持机组带厂用电所需蒸汽量外，绝大多数主蒸汽加上高压旁路的喷水
214 电工技术学报 2017年2月
将进入低压旁路。若低压旁路容量不足以回收所有进入低压旁路的工质时，多余的工质会经安全阀门外排到大气中，造成整个系统的工质流失。若外排时间过长或补水不及时，可能会造成工质链断裂，从而导致FCB失败。因此，FCB机组一般需要具有100%高压旁路及50%～70%低压旁路容量，并相应增大凝汽器的冷却面积和凝结水泵容量，以满足FCB工况的需要[19]。同时，为了确保FCB工况过程中机组的稳定，必须有与FCB工况相适应即能够稳定汽轮机温度、压力及转速的旁路控制系统。1.2 原动机调速系统
原动机调速系统主要通过改变汽轮机的进气量来控制汽轮机转速，并快速响应外界负荷扰动[20]。常
规火电机组的数字电液（Digital Electro-Hydraulic, DEH）控制系统一般包括调节级压力反馈控制、负荷开环控制以及负荷反馈控制三种控制模式，但是这三种模式均无法满足FCB工况的控制需要。
FCB机组通常都是大容量机组，其转子时间常数较小，汽缸的容积时间常数较大，在发生甩负荷时，汽轮机的转速飞升很快[21]。因此，要求调速系统能够在进入FCB工况的瞬间，准确判断并进入甩负荷控制模式，并迅速采取动作防止转速过速；在转速稳定后，需要对锅炉、高压调门、中压调门以及旁路阀门进行协调控制，在保证机组各气缸不发生过热、过压且机组不过速的前提下，维持机组带厂用电孤岛稳定运行，并具备在FCB工况稳定后随时并网提高出力能力。因此，为了实现FCB功能，机组原动机调速系统必须具有FCB超速保护和FCB稳定控制功能。
FCB工况下的原动机控制流程如图2所示，当发电机机端断路器跳开后，FCB超速保护控制动作，触发辅机故障减负荷（RunBack，简称RB），目标负荷为P d%，并发出旁路快开以及调门快关指令，同时使调速器退出三种常规控制模式和一次调频，切入新的转速控制模式；当机组转速基本稳定后，
图2 FCB工况下的原动机控制流程
Fig.2 Prime mover control process under FCB condition FCB超速保护控制复位，旁路转入定压力控制，调门则由转速控制环控制开度，即令机组运行于FCB 稳定控制状态，直至FCB指令复位。
2 FCB机组动态仿真建模
由第1节分析可知，FCB功能的实现需要汽轮机、调速器、锅炉、旁路控制器等与发电机相互协调配
合，火电FCB机组功能框图如图3所示。甩负荷判断模块作为FCB功能的启动模块，分别作用于锅炉、调速器及旁路控制器；原动机调速器控制汽轮机调门开度，旁路控制器控制汽轮机旁路阀开度，二者综合作用确保FCB工况下汽轮机转速稳定且不发生过热过压现象。
周智夫
图3 火电FCB机组功能框图
Fig.3 Functional block diagram of FCB thermal units 基于图3所示的FCB机组各部分功能及关系，以下分别建立含旁路的汽轮机模型、甩负荷判断及机组调速器模型，以及汽轮机旁路控制器模型，最后加入发电机和励磁模型即可得到完整的FCB机组动态仿真模型。
2.1 FCB机组汽轮机建模
由第1节分析可知，为实现FCB功能，必须在FCB机组的汽轮机模型中考虑旁路系统的影响。
汽轮机旁路通过控制旁路阀对流入蒸汽进行节流减压、喷水降温使出口蒸汽满足下一级需要，实现导流作用[22]。但在动态过程中，旁路中的蒸汽流量处于动态变化中，无法保持所需的理想状态，因此建立旁路系统的动态模型对模拟FCB工况动态过程尤为重要。
由于旁路导流量与旁路入口蒸汽的压力、温度以及旁路阀的开度均有关，旁路模型中的旁路压降由旁路压力损失系数与旁路流量的乘积确定，旁路
李字书法
第32卷第4期
廖诗武等 火电快速甩负荷机组动态仿真建模 215
系统的流量特性则由旁路阀的调门开度及工质入口参数决定[23]，旁路入口和出口蒸汽量D pr 和D pc 分别为
pr K p D ϕ=
（1）
pc pr pr D D G =+ （2）
式中，p pr 为旁路入口蒸汽压力；t pr 为入口蒸汽温度；φp 为旁路阀门开度；K p 为流量标幺系数，其计算见式（3）；G pr 为旁路减温水汽化量。对于高压旁路，由于旁路出口蒸汽仍为高温高压再热蒸汽，因此减温水全部汽化，转为旁路出口蒸汽的一部分。
p pr0
K =
（3）
式中，t pr0、p pr0分别为旁路全开时旁路入口额定蒸汽温度和额定蒸汽压力；C bp 为旁路容量，其定义为
bp bp V
100%F C F =
× （4）
式中，F bp 为在入口蒸汽额定压力和温度下通过全开旁路阀的流量；F V 为在入口蒸汽额定压力和温度下通过全开调节阀的流量。
高压旁路主要用于将主汽门前蒸汽经过几级降
温减压后送入再热器冷段，防止锅炉过压过热；低压旁路则是将再热蒸汽从中压调门前直接引入凝汽器，保护再热器使其不因中压调门快关而产生过压，蒸汽经低压旁路导流，该过程不做功。因此，对于高压旁路及低压旁路，分别取p pr 和t pr 为主汽门前、再热器出口蒸汽压力及温度，旁路开度ϕp 及旁路给水流量G pr 均由旁路控制回路给出。根据式（1）～式（3）可得高压、低压旁路入口和出口蒸
汽量D prH 、D pcH 以及D prL 、D pcL （下标H 、L 分别表示高压和低压）。主蒸汽流量中D prH 部分经由旁路导流，剩余部分进入高压缸做功，从高压缸出来的蒸汽流量，与高压旁路出口蒸汽流量D pcH 共同汇入再热器，从而实现了高压旁路功能——疏导主汽门前不平衡蒸汽，减少高参数蒸汽进入高压缸做功；而再热器出口流量中D prL 部分则经由低压旁路引流，剩余蒸汽进入中压、低压缸做功，实现低压旁路疏导中压调门前不平衡蒸汽流量的作用。
为了充分计及旁路系统对汽轮机动态特性的影响，且反映出FCB 动态过程中各气缸的压力以及汽轮机功率的动态变化情况，本文基于常规汽轮机模型，引入以上旁路系统的作用原理，建立了含旁路的汽轮机模型，如图4所示，图中虚线部分即为FCB 机组汽轮机与常规火电机组汽轮机的区别。
空山灵雨电影
图4 含旁路的汽轮机模型 Fig.4 Turbine model with bypass
2.2 FCB 机组调速系统建模
由于FCB 机组在非FCB 工况下与常规机组无异，而由上文分析可知，FCB 机组必须具有针对FCB 工况的原动机控制功能，因此，本节在常规机组调速逻辑的基础上，实现了FCB 超速保护控制以及FCB 稳定控制功能，并建立了完整的旁路控制系统
及FCB 机组原动机调速系统模型。
为了实现FCB 超速保护控制，机组需要在尽可能短的时间内准确判断机组是否发生甩负荷。甩负荷判断逻辑由两部分组成，一部分检测汽轮机功率（一般用某中间级压力作为判断）与发电机功率之间的不平衡情况，若不平衡量超过指定阈值，则触
216
电 工 技 术 学 报 2017年2月
记录英语发超速保护控制；另一部分则检测转速变化情况，当转速高于某指定值，或是转速变化加速度过大时，将触发超速保护控制[24]。典型的机组超速保护启动判据为T E 0.4P P −≥或 1.03ω≥，P T 为汽轮机功率，P E 为发电机负荷，ω为转子转速。当所有判据均不满足时，超速保护控制信号自动复位。
对于FCB 机组，发现甩负荷后为了防止转速飞升过高，需要分别发出RB 指令、调门快关指令以及旁路快开指令，以分别快速降低锅炉出力、阻断蒸汽进入气缸做功以及导流不平衡蒸汽流量。在超速保护启动的同时，机组退出常规调速控制模式，退出一次调频，切入新的转速控制回路，以转速偏差为唯一输入量对调门开度进行控制。本文建立的FCB 机组超速保护控制结构框图如图5所示。
图5 FCB 机组超速保护控制结构框图
Fig.5 Structure block diagram of FCB units over-speed
protection controller
当超速保护控制信号复位后，汽轮机各调门重新打开，由新切入的转速控制回路进行开度控制；而旁路快开经过指定时间后，旁路阀门将转入定压力控制模式，此时通过旁路阀与高压、中压调门的协调控制，可确保机组稳定运行。
由于FCB 功能要求调速系统具有额外的转速控制回路，以实现FCB 工况下的机组稳定运行，本文在常规DEH 调速系统模型的基础上，引入新的转速控制回路及含快关功能的电液伺服模型，如图6中虚线部分所示。其中，ωΔ为汽轮机转速与额定转速的偏差，P ref 、P M 分别为机组输出功率目标值、汽轮机机械功率，P CV 为阀位指令值，T o 、T c 分别为正常工况下调门开启、关闭时间常数。
当图6所示的调速器接收到FCB 超速保护信号后，首先调门控制模式切换到转速控制回路，同时超速保护控制发出的调门快关指令直接作用于油动机，以极快速度关闭高压、中压调门，促使调门快速关闭。从调门全开到全闭的快关一次行程时间约为0.1～0.4s 。
2.3 FCB 机组旁路控制系统建模
为了确保机组能准确进入FCB 工况并保持稳定运行，必须有与之相适应的旁路控制系统。完整的
图6 FCB 机组原动机调速器模型
Fig.6 Prime mover speed controller model of FCB units
旁路控制系统模型包含旁路开度控制和减温水流量控制两部分，分别用于控制旁路入口蒸汽压力和出口蒸汽温度，其FCB 工况下旁路目标开度及降温水
目标流量*p
ϕ、*
pr G 分别为 *
I p pr ref P D ()K p p K K s s ϕ⎛⎞
=−+
+⎜⎟⎝
⎠
（5） *
I pr pc ref p pr P D ()()K G t t f x p K K s s ϕ⎛⎞=−++⎜⎟⎝⎠
（6）
由此可建立如图7所示的完整的FCB 机组旁路控制系统模型。
正常工况下，旁路阀、旁路减温水调节阀始终处于关闭状态。当旁路控制系统接收到旁路快开信
图7 FCB 机组旁路控制系统模型 Fig.7 Bypass controller model of FCB units
