一篇老外的論文，講得是系統建模和仿真。

核動力三輪車

      8爺之前發了篇老外的論文，講得是系統建模和仿真。文章很好，但論壇上沒見后文，自己就試著翻譯了下。為了保證語句通順，適當修改了下原文內容。圖見原文及附件。

                                       《電網頻率波動下的CCPP建模和長期響應仿真》

* E6 \2 v  ^/ t9 l      一套典型的聯合循環發電機組（以下簡稱CCPP）包括：共軸的燃氣輪機（GT）、汽輪機（ST）和發電機（generator），以及余熱鍋爐（HRSG）。燃機輪機配有進口導葉（IGV）用以調節壓氣機進氣流量，穩定燃機渦輪排氣溫度（因為電站燃機常用的控制模式是渦輪排氣溫度T=Const）。
      為了進行多種電力系統擾動下的機組的長期響應仿真，需要建立一套包括其相關控制、保護功能的數學模型。大擾動的長期仿真通常是為了研究真實（電力）系統發生過的事故可能導致的（針對機組的）特定后果。長期仿真之所以特別困難是由于（機組）多變的控制邏輯和復雜的保護機制所致。這些保護包括電廠輔助系統以及開關柜中的：電機過激勵限制、低激勵限制（underexcitation）、volts-per-hertz protection（誰知道的說聲） 以及低頻保護、高頻保護、失磁保護（loss-of-field）等復雜的保護動作。大擾動，特別是（電網）頻率異常波動下的機組數學模型，是難以通過現場測試辨識的。
      GE電氣已經發展了適用于電廠設計、分析的詳細的燃機、汽輪機、電機、相關控制系統的數學模型。業已同過現場測試或者細致的論證證實了這些模型的重要特性。對于馬來西亞電網瓦解（也不知道他說的是哪一次）這類事故，我們最關心的是燃機能多快增大功率輸出以及（電網）頻率降低對機組最大輸出的影響。論文【2】介紹了一種簡單的CCPP燃機數學模型。這個模型考慮了進口導葉角度控制、排氣溫度控制以及（基于電網頻率（運行轉速））變轉速下的燃機出力。這是個模型是建立在對物理定律和燃機設計模型分析的基礎上的。
      公式表明（P=Tw  ==！！），孤網運行（比如從北米電網切到北棒電網或者切到廠用電運行）下發電機超發會導致部分甩負荷以及電網頻率上升。有很多控制措施致力于防止超速，包括調速器（gonvernor）、負荷控制（PLU，后來我認為翻譯成功率平衡控制更合適==！但懶得改了）、燃機升速控制和汽輪機轉速控制（在后文中如果覺得“**控制”讀起來不順，請加后綴“單元”）。無論在正常工況還是異常工況，調速器都根據實測轉速與整定值偏差，通過控制燃料供應，改變燃機總功率，控制轉速。汽輪機的轉速控制（單元）只在非正常工況才動作調節閥，控制速度。升速控制監測轉子加速度，通過控制燃機燃料供應以及汽輪機調節閥控制加速度（升速控制主要在啟機階段有用）。等轉速恢復正常后，只要負荷控制沒有動作，則燃機回到正常工況。
       負荷控制監測透平出力和發電機發電量，并且通過整定負載系數、調節汽輪機調節閥，使得機組在空負荷額定轉速下運行。它可以避免機組遮斷。需要有操作員的指令機組才可以重新帶負荷。只有部分聯合循環電站具有負荷控制功能（因為那貨太貴）。
% t3 Y: D  B3 j      在電廠設計階段，只對全甩負荷進行了大量研究。這是因為全甩負荷對于電廠影響最大而且全甩負荷可以進行現場測試。而部分甩負荷不能進行現場測試。只要所有的閥門工作正常，機組在全甩負荷時就不會被遮斷。
      本文介紹了余熱鍋爐、汽輪機及其相關控制系統的模型，構建了GE電氣STAG109FA聯合循環發電機組的數學模型。這個模型是從詳細設計模型簡化而來。在這個模型中，包含了足夠的細節用以模擬機組對于電網波動的響應，包括正負5%的頻率偏差。這個模型不適用于CCPP啟、停機過程仿真。它適用于50%以上負荷的機組狀態仿真——這已經顯著低于機組工況點。
( J$ T& f9 w) U) ]& k+ v      如圖一所示，是一套典型CCPP的流程圖。余熱鍋爐有三個汽包給高、中、低壓缸供汽，包括省煤器在內，共有11個換熱器，省煤器可以預熱汽包給水，換熱器中，水/汽走管程。燃機渦輪排氣經過換熱器，與水/汽進行熱交換。通過高壓主汽調節閥（MCV）、中壓進汽調節閥（ICV）、中壓補汽調節閥（IPAV）和低壓補汽調節閥（LPAV）調節高中低壓缸進汽。（汽輪機為單回熱三缸兩排汽配置。LP蒸汽來自LP drum和IP排汽，IP蒸汽來自IP drums和HP排汽，相當于HP、IP之間回熱，IP、LP補汽。）
; m0 }! R) F0 J6 W這個模型主要研究在正負5%頻率偏差，50%以上負荷時候的機組特性。相關變量、模型結構和參數參照一座在運行的電站（model plant）進行進行設置。
* G0 C4 B" o- o8 ~3 P      如圖二所示，燃機由軸流式壓氣機、燃燒室和渦輪組成。空氣經過壓氣機壓縮，在燃燒室與燃料混合燃燒，燃氣進入渦輪做功。渦輪出力帶動壓氣機（壓縮空氣）和同軸發電機（發電）。燃機的相關變量有：燃料消耗量Wf，空氣質量流量Wa——這貨是IGV角度thetaIGV的函數（因為這貨只有IGV可調）、壓氣機轉速w（omiga），大氣溫度Ta和大氣壓力Pa的函數）。輸出變量有凈軸功PmGT（供給發電部分的功率），排氣質量流量Wx，排氣溫度Tx和壓氣機壓比CPR。文獻【2】描述了一種包含相關控制系統的簡化燃機模型。空氣流速系數（airflow speed factor）決定了燃機在不同轉速下的輸出（功率）。這個模型揭示了我們可以通過不同進氣溫度下的變負荷測試得到這個空氣流量系數（修正喉差，建立進氣流量與溫度、壓力、濕度和喉差的計算公式）。燃機模型基于如下假設：
1、凈軸功PmGT只和燃料消耗量Wf相關。（不僅相關，而且可以認為是線性相關）
2、因為燃料質量占比很小，Wx=Wa。（顯然成立）
3、驅動壓氣機的軸功為常數。（IGV角度不變下可以認為是常數）。
4、唯一的動態因素就是發出燃料調整指令到燃料噴射量變動，進氣流量變動到凈軸功率變動之間的時滯。
      根據電廠實際調研，可以對余熱鍋爐和汽輪機做如下簡化假設：
1、        鍋爐給水從省煤器和減溫器得到的能量很小，沒必要為省煤器單獨建模。給水控制調節迅速，無需為給水系統和汽包閥門管道系統建模。
/ \- C8 }5 _0 L1 ?8 N2、        凝汽器溫度和水位變化對系統影響有限，也沒有必要對減溫器以及往凝汽器的旁通管路建模。流經高壓汽包蒸汽對應的減溫器以及回熱管路的水量對系統建模影響不大，可以視作常數。
: }5 Z9 W8 K8 c( H7 e  \3、        因為進汽溫度穩定，蒸汽比焓不變。如圖3-5，是高中低壓缸的蒸汽流程圖。相關變量有蒸汽壓力、流量、（溫度為常數）、MCV、ICV和旁通閥閥位等。如圖6-8所示，分別是HP、IP、LP部分模型。
8 j$ \6 {, N/ N  Y1 A      系統控制參數是現場設定的，模型結構和參數需要在每個項目現場調試。因此，本文能做的就是依據已有的樣本電站的參數進行仿真。如圖9-11，是CCPP的模型結構圖。系統輸入有：大氣溫度Ta、大氣壓力Pa、發電量Pe和負荷系數Lref。相關的控制有：
1 U; H, c' h/ w9 p6 ~: n+ e1、燃機控制。如文獻【2】所述，包括排氣溫度控制、IGV控制、調速器和升速控制。升速控制通過調節燃料供應控制升速率，主要用在啟動階段控制燃機升速曲線。在部分甩負荷時，該模塊也可能動作。控制信號XAC會傳給汽輪機閥位控制。
2、汽輪機控制。包括進汽壓力控制、進氣壓力限制、MCV、IPAV、LPAV的旁通控制（旁通凝汽器），還有汽輪機轉速控制（避免超速用的，沒必要控制升速）。
3、負荷控制。作用于燃機和汽輪機。負荷控制產生兩個信號：負荷不平衡信號以及甩負荷發生信號LRO。如果輸出到電機的軸功與發電量之差超過了整定值（比如0.4表么值），或者發電量降低速率超過了整定值（比如0.35表么值每秒）。PLU信號置位，ICV和LPAV完全關閉。在LRO信號控制下，MCV和IPAV全關。Lref負荷系數設置為全速空負荷的100.3%。一旦功率不平衡消失，PLU信號自動復位，但LRO不自動復位。
6 v) T  A$ c3 T6 _      已經在不同的負荷系數、低頻沖擊和部分甩負荷條件下進行過系統性能仿真。
( d9 D1 w% _3 F. r& ~1 s6 w      為了測試整個系統在正常運行工況，沒有系統擾動的情況下的自動調整能力，做了負荷系數變動的模擬。（說白了就是測試整個機組對電網負荷的跟隨特性。）圖12a是負荷系數的變動圖，開始階段為1.1p.u.。除了開始和結束階段負荷系數超過1.0 p.u.時（此時是排氣溫度控制限制了功率不能提升），調速器都調整輸出，跟隨負荷系數變動，如圖12-b。IGV控制保證了燃機排氣溫度恒定（這是電站燃機的常用控制模式），如圖12-c。排氣溫度和流量，如圖12-d，決定了輸出功率，如圖12-e。如圖12-f和圖12-g所示，MCV和IPAV在滑壓控制下保持全開保持（溫度不變，流量減小、壓力減小，ST出力減小），LPAV調整來流蒸汽壓力，保證低壓缸LP進氣壓力穩定（避免水擊）。蒸汽比焓和流量決定了汽輪機出力，如圖12-b。簡化模型和詳細模型的結果相近。
" E( @' E2 }4 s9 E% m      燃機的輸出功率和總功率在負荷變化過程中保持線性，如圖13-a。Y軸便是空負荷下輸出功率，也就是驅動壓氣機消耗的功率Px（x軸就是輸出用來發電/飛車的功率）。隨著負荷系數變動，汽輪機出力則有時滯的跟隨（壓氣機消耗功率Px）變動，如圖13-b，兩者是線性相關的。如前述，以上關系意味我們可以采用進一步簡化汽輪機系統的模型(因為簡化模型與詳細模型結果很接近)。
      圖14是簡化模型的低頻沖擊仿真結果。系統出力為90%額定功率，即366MW。電網頻率在25s內降低了5%，和文獻【1】中馬來西亞電網事故情形相似。調速器首先對此做出反應，增加了燃機功率，導致輸出功率超過了額定功率，這也就導致排氣溫度上升。過了幾秒后，溫度控制的的IGV全開，減小了燃機出力，并且有效降低排氣溫度到整定值。后由于燃機減速導致空氣流量減小，最終的功率接近初始狀態。在整個過程中，汽輪機出力基本不變。
在設計階段，對全部甩負荷進行了大量研究，因為他對于進行電廠設計很關鍵。甩負荷測試是通過解列電機實現的（此處tripping按理說應該是跳閘，但貌似試驗不是這樣做的，請高手指點）。在保持電機并網的情況下，部分甩負荷是很難實現的，這就像在孤網運行模式下，由額外的電機驅動機組（要測試燃機對部分甩負荷的響應，就要在一個孤網中，通過一個可控制功率輸出的設備帶動整個機組，并且還要保證機組本身的電機處在并網狀態，簡直就沒法干）。
3 t6 L" s5 ]! V$ k2 {2 I$ i      如圖15所示，是30%甩負荷。一甩負荷，轉速就迅速上升，調速器就減小了燃機燃料供應。這就導致燃機排氣溫度降低，溫度控制關小了IGV，試圖維持排氣溫度。燃機升速控制使得MCV、IPAV、LPAV暫時關閉。由于功率減小沒有超過40%，負荷控制沒有動作，負荷系數保持不變。由于調速器整定值調低了5%，速度最終穩定在額定轉速的101.5%。
      如圖16所示，是70%甩負荷。一甩負荷轉速就迅速上升。調速器就減小了燃燒室燃料供應，導致燃機排氣溫度降低，溫度控制關小IGV保證排氣溫度。同時，由于甩負荷超過40%，負荷控制使得汽輪機處于全速空負荷狀態。MCV、ICV、IPAV、LPAV關閉。之后，ICV和LPAV打開，放空了汽缸中的蒸汽。同時，負荷系數整定在100.3%空負荷值。轉速迅速下降到顯著低于額定轉速的水平。由于速度降低，調速器增加了燃料供應，溫度控制開打了IGV穩定排氣溫度。由于調速器整定值調低，負荷系數整定為空負荷，最終速度穩定在98.9%額定轉速。汽輪機轉速控制在整個仿真過程中沒有動作。但在沒有配置負荷控制或者負荷控制失效的情況下，汽輪機速度控制可以遮斷燃機，防止飛車。（70%甩負荷有超調現象了）
      在電網低頻沖擊下，多種控制有效、迅速的調整了燃機空氣流量、燃料供應。模型響應對于控制參數和系統動態特性非常敏感（告訴你要保證一個電站一個模型，保證參數準確）。電網頻率波動超過5%，低頻率保護、高頻率保護會導致燃機遮斷。在嚴重的電網頻率波動沖擊下，不能想當然的認為相關控制系統可以有如在正常工況下的動作，因為電網頻率發生了變化。電廠在頻率波動下的特性難以實測。因此，對于仿真結果要謹慎對待。
* l5 Q: U, e; {      在電網頻率異常的情況下，燃機響應迅速并且其性能在機組整體性能中處于支配地位（主要是壓氣機）。調速器和燃機溫度控制起到了關鍵的作用。燃機在額定轉速下的最大連續出力穩定性和進氣溫度（主要影響壓氣機特性）（對于機組響應特性）是兩個很重要因素。負荷控制、燃機升速控制和汽輪機速度控制（對于機組響應特性）也有影響。
如上控制系統的整定值都是現場設定的，因此，需要做測試進行系統辨識。最好有燃機制造商提供的變轉速、變進氣溫度下的燃機特性曲線。
* m- T' L; d0 @2 y8 X      汽輪機出力隨著燃機出力改變，汽輪機系統時間常數長達100多秒（主要是由于回熱環節造成的）。所以本文模型可以進一步簡化，將汽輪機簡化為一個滯后環節，呃，至少在本模型中可以。
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. U/ A. p& o+ |      這篇論文主要就是想說模型中的CCPP機組在部分甩負荷條件下，不會導致電機解列，不會遮斷燃機。讀懂整個流程的關鍵點（以功率減小為例）在于：
6 C1 |9 C+ ]8 ]7 E6 s: N" }- w: W1 I3 R% I      甩負荷導致速度上升，速度上升導致調速器減小燃油供給，進而減小燃機總功率。（調速器伺服閥和有系統建模是比較麻煩的。）功率下降意味著渦輪進排氣溫度下降。但系統的控制模式是保證渦輪排氣溫度穩定。這時就關小IGV，進來的冷空氣少了，燃氣初溫就上升了。進氣量小了，燃料少了，最終功率也就降了，功率平衡就實現了。
: a0 b8 a+ n: E- I" @      作者列舉了馬來西亞電網瓦解事故。由于電網崩潰導致甩負荷。燃機作為調峰機組，首先自己不能在節骨眼上闖禍，其次在緊要關頭也不能趴窩。看文中所述是做得到的。這樣，至少在后續恢復電網供電時可以將其作為起點電站。而且在恢復電網供電中，往往會出現異常波動，比如用電大戶爭相啟動。燃機能夠迅速適應功率變動的特性是的其可以改善電網品質。從燃機自身安全出發，渦輪進氣溫度很重要，排氣溫度高了，渦輪前溫度就高，渦輪葉片受不了。所以要通過各種手段保證排氣溫度。甩負荷時，機組不能超速。超速了就可能跳車，甚至可能飛車，這就什么都蝦米了。這篇論文通過建模仿真，揭示了文中那樣的機組在設定的條件下可以保證電機不解列，機組及時降低功率，維持運轉。這是有意義的。因為常規研究的全甩負荷意味著電機從電網解列，燃氣輪機自持轉動。這篇論文還揭示了，可以進一步簡化整個系統的模型。這也是本文的貢獻之一，不管簡化后你拿來干什么。

附錄1：
! G  H# q) C: l9 Q" E      CCPP系統的可能干擾：
電氣擾動包括電氣短路、自動重合閘、甩負荷及串連電容補償等；
機械擾動包括不當的進氣方式、調速系統晃動、快控汽門等。

附錄2:
0 v( z' p# p  S& o關于某燃機頻率異常下的情況。
" n. s3 X& _$ t3 A7 e/ _      考慮到燃機運行，輸出功率將隨壓氣機進口溫度而減小，與壓氣機進口溫度（100%功率）的運行相比，輸出功率損失在30℃時約9%，在45℃時約20.5%,在50℃時約25%（對所有情況環境壓力和溫度相等），峰值負荷運行不能用于所提供的燃機類型。
      頻率控制在不正常頻率的運行
      在額定轉速的95%~103%范圍內，燃機運行無任何限制
4 o) M; c" t1 @" x      在額定轉速94%~95%或103%~104%間運行時，每種情況可持續20秒，否則當燃機在正常運行時，發電機會從電網脫開，在這些范圍（即幾種情況）內約運行共30分后，必須對壓氣機和透平進行檢查，在啟動或在全速空負荷期間，如果運行晨上述范圍燃機會遮斷。
0 z9 B1 e: o" v/ w+ U" F4 l+ ?! O      當正常運行期間，速度降到94%以下或升至104%以上，燃機發電機會從電網隔離。
  ^" i7 S2 m. q) L      如果燃機速度在這些范圍保持10秒以上，且導致發電機從電網掊開，燃機也會被遮斷。
7 o5 _* t) x" s# F      在甩負荷時，一般速度會達到最大104%，如果速度過到108%，燃機就會被遮斷，在正頻率反應模式（只用于燃氣運行），這些速度限制值也是有效的。燃機初頻率調節的功率窗取決于透平基本負荷時的進氣溫度和部分負荷時透平進氣溫度的差值。在投運期間，可使視窗最佳化，在燃機額定基本負荷約60%~96%間時，發生全頻率響應。在56%~60和96%~100%間，頻率響應受到限制，即使在燃機并網，燃機基本負荷56%以下，也不能發生頻率響應，對頻率響應模式，無時間限制。
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