一种汽轮机精细化建模及辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑主汽压对流量影响实际特性的汽轮机精细化建模及辨识方法，其核心包括：1）运用基于抽象机理函数的泰勒线性化近似方法建立了考虑主汽压偏差对调节级压力偏差实际影响特性的主汽压‑调节级压力数学模型；2）通过机理分析建立了综合阀位指令‑调节级压力模型；3）提出了基于遗传算法‑汽轮机系统模型的汽轮机系统精细化模型参数辨识方法。本发明专利技术可准确模拟电力系统动态仿真中汽轮机的功率输出特性，特别是动态仿真扰动响应中后期汽轮机功率的实际特性，提高电力系统分析的准确性，确保电网安全稳定运行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力系统稳定性仿真建模分析
，具体涉及一种考虑主汽压对流量影响实际特性的汽轮机精细化建模及辨识方法，
技术介绍
目前，随着电力系统日益趋于互联，系统容量不断增大，交直流混联、特高压接入等复杂运行方式的出现，传统模型试验的实施成本和难度不断增加，对电力系统的规划、设计、运行维护等工作越来越倚重于数学建模仿真方法。这也使得电力系统建模仿真技术得到了广泛的研究和应用。电力系统建模仿真技术的关键为仿真结果的准确性和仿真计算的成本，鉴于模型仿真所用的数值解法器已趋于成熟，能够影响仿真结果和成本的主要为模型的特性。电力系统的模型由各组成元件模型按照物理或逻辑关系联立得到，因此系统模型的特性主要由各元件模型的特性决定。有功-频率特性研究是电力系统分析中的主要方向之一，也是确保电网安全稳定运行的关键支撑。在我国，火力发电提供了七成以上的电力供应，因此该电源的有功-频率模型特性对电力系统建模仿真结果的准确性和计算成本具有重要影响，也因此得到了广泛关注。火力发电的有功-频率模型具体表现为汽轮机调速系统模型，因此，对汽轮机调速系统建模仿真的研究具有重要意义。汽轮机调速系统建模仿真中的汽轮机模型具有复杂的特性并显著影响仿真结果的准确性。通过大量的调研发现，电力系统分析中的汽轮机调速系统模型，目前主要采用经典汽轮机模型作为原动机模型、简化或实际的控制器模型作为调节器模型等形式。由于没有详细考虑主汽压变化对汽轮机流量输入的影响，经典汽轮机模型的机械功率输出只能在功频扰动的初始阶段反映实际特性，而在扰动的中后期(扰动后约20s以后)，受主汽压的显著变化及其对进入高压缸的蒸汽流量的影响，汽轮机流量的仿真值与实际值存在很大差别，这也进一步导致了汽轮机的功率输出与实测有很大误差，影响电力系统有功-频率特性的仿真分析结果。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对电力系统动态仿真中汽轮机系统模型不能准确反映功频扰动响应中后期实际特性的问题，提供一种考虑主汽压对蒸汽流量影响及动态功率系数的汽轮机本体建模和辨识方法。一种考虑主汽压对流量影响实际特性的汽轮机精细化建模及辨识方法，包括以下步：步骤一：基于抽象函数的泰勒线性化近似方法建立考虑主汽压力偏差对调节级压力偏差影响实际特性的主汽压、阀位指令-调节级压力环节数学模型，根据主汽压、阀位指令与调节级压力的机理关系写出抽象机理函数，再对该抽象函数进行泰勒级数展开并取一阶近似得到含有待定系数的机理模型，包括公式和待定系数；步骤二：建立含有动态项的汽轮机做功模型，从汽轮机功率基本公式出发，推导包含理论动态项的汽轮机功率系数；步骤三：对步骤二和三的待定系数进行基于遗传算法的系统辨识，得到汽轮机系统精细化模型。步骤三中对含有待定系数的汽轮机系统模型进行基于遗传算法的参数辨识，包括以下步骤：(1)通过现场扰动试验获取实测数据；(2)搭建遗传算法-汽轮机精细化模型，以模型输出偏差最小作为目标函数，进行参数辨识；(3)对辨识结果进行比较验证，从而确定待辨识参数的值。本专利技术以经典汽轮机模型作为出发点，对广泛采用的经典模型进行精细化改进研究，通过机理分析和试验研究的方法，详细考虑主汽压变化对汽轮机流量的影响和动态功率系数的机理形式，建立相应的模型，并结合试验结果进行参数辨识，得到精细化汽轮机模型。本专利技术的研究结果为电力系统动态仿真提供能够准确反映包括扰动响应中后期火电机组有功-频率特性且不失结构简明特点的原动机调速系统模型，同时也为汽轮机调速系统稳定性分析和优化控制提供一定模型基础，提高电网及火电机组的安全稳定性。本专利技术主要涉及一种考虑主汽压偏差对流量影响实际特性的电力系统动态仿真用汽轮机精细化建模及辨识方法，结合机理分析、试验参数辨识等方法建立了精细化汽轮机本体模型，其优势在于：(1)在对汽轮机本体动态模型建模时，将实际的主汽压偏差-调节级压力偏差特性纳入研究范畴，即考虑了主汽压-调节级压力变化详细特性；(2)在对汽轮机做功环节建模时，考虑了动态项，使得功率系数通过试验结果直接辨识；(3)在考虑主汽压-调节级压力变化详细特性和功率动态项的条件下，建立了汽轮机本体详细模型；(4)通过现场扰动试验结果直接辨识汽轮机本体详细模型参数。将此方法应用于电力系统动态仿真、汽轮机调节系统仿真，采用数值仿真方法获得机组的一次调频功率响应、调节级压力响应等。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步描述：图1建模流程；图2主汽压力-调节级压力详细模型；图3汽轮机系统精细化模型；图4参数辨识流程；图5遗传算法-汽轮机系统辨识模型；图6实施例仿真与现场结果对比。具体实施方式下面结合附图1～6和实施例对本专利技术方法做进一步清楚、完整地描述，但本专利技术的实施方式不局限于此。一种考虑主汽压对流量影响实际特性的汽轮机精细化建模及辨识方法，所述方法的流程如图1所示，由以下步骤完成：步骤一：基于抽象函数的泰勒线性化近似方法建立考虑主汽压力偏差对调节级压力偏差影响实际特性的主汽压、阀位指令-调节级压力环节数学模型，根据主汽压、阀位指令与调节级压力的机理关系写出抽象机理函数，再对该抽象函数进行泰勒级数展开并取一阶近似得到含有待定系数的机理模型，包括公式和待定系数(见式(3))；步骤二：建立含有动态项的汽轮机做功模型，从汽轮机功率基本公式出发，推导包含理论动态项的汽轮机功率系数(见式(21-24))；步骤三：对步骤二和三的待定系数进行基于遗传算法的系统辨识，得到汽轮机系统精细化模型(见图3-5)。步骤三中对含有待定系数的汽轮机系统模型进行基于遗传算法的参数辨识，包括以下步骤：(1)通过现场扰动试验获取实测数据；(2)搭建遗传算法-汽轮机精细化模型，以模型输出偏差最小作为目标函数，进行参数辨识；(3)对辨识结果进行比较验证，从而确定待辨识参数的值。一、考虑主汽压力偏差对调节级压力偏差实际特性的主汽压力-调节级压力环节数学模型(1)由综合阀位指令、主汽压力和调节级压力的一般关系知，调节级压力PTiao写为关于综合阀位指令和主汽压力的抽象函数：PTiao＝PTiao(PGVOrd,PTur)(1)式中：PGVOrd为综合阀位指令，PTur为主汽压力。(2)对上式进行泰勒级数展开，并取一阶近似得，记得主汽压力-调节级压力环节公式：PTiaoΔ＝K1PGVOrdΔ+K2PTurΔ(3)待定系数K1为阀位指令-调节级压力增益；K2为主汽压力-调节级压力增益。这两个待定系数通过参数辨识获取。主汽压力-调节级压力模型见图2。二、包含动态项的汽轮机做功模型(1)基于机理公式的单缸汽轮机功率模型由弗留格尔公式得流过单个汽缸的流量DinΔ与其压力PinΔ公式：DinΔ＝PinΔ(4)在小扰动工况下，忽略效率随工况的变化，由蒸汽物理特性知，焓降近似为汽缸进、出口压力的函数：Hdrop＝Hin(Pin)-Hout(Pout)(5)式中：Hin为汽缸进口的焓值；Hout为汽缸出口的焓值；上述两个焓值分别是对应压力的函数。利用泰勒级数展开，进行小偏差线性化近似得：式中：HdropIni为初始进出口焓降；PinIni为初始进口压力；PoutIni为初始出口压力。式(6)采用偏差相对值进一步写为：式中：汽轮机功率定义公式：NTur＝DinHdropηTur(8)式中：NTur本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑主汽压对流量影响实际特性的汽轮机精细化建模辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：基于抽象机理函数的泰勒线性化近似方法建立考虑主汽压力偏差对调节级压力偏差实际特性的主汽压力环节数学模型，根据主汽压力、阀位指令与调节级压力的机理关系写出抽象机理函数，再对该抽象函数进行泰勒级数展开并取一阶近似得到含有待定系数的机理模型，包括公式和待定系数；步骤二：建立含有动态项的汽轮机做功模型，从汽轮机功率基本公式出发，推导包含动态项的汽轮机功率系数；步骤三：对步骤二和三的待定系数进行基于遗传算法的系统辨识，得到汽轮机系统精细化模型。

【技术特征摘要】
1.一种考虑主汽压对流量影响实际特性的汽轮机精细化建模辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：基于抽象机理函数的泰勒线性化近似方法建立考虑主汽压力偏差对调节级压力偏差实际特性的主汽压力环节数学模型，根据主汽压力、阀位指令与调节级压力的机理关系写出抽象机理函数，再对该抽象函数进行泰勒级数展开并取一阶近似得到含有待定系数的机理模型，包括公式和待定系数；步骤二：建立含有动态项的汽轮机做功模型，从汽轮机功率基本公式出发，推导包含动态项的汽轮机功率系数；步骤三：对步骤二和三的待定系数进行基于遗传算法的系统辨识，得到汽轮机系统精细化模型。2.根据权利要求1所述的一种考虑主汽压对流量影响实际特性的汽轮机精细化建模及辨识方法，其特征在于：步骤一中基于抽象机理函数的泰勒线性化近似方法建立考虑主汽压力偏差对调节级压力偏差实际特性的主汽压力-调节级压力环节数学模型，包括以下步骤：（1）由综合阀位指令、主汽压力和调节级压力的一般关系知，调节级压力写为关于综合阀位指令和主汽压力的抽象函数：式中：为综合阀位指令，为主汽压力；（2）对上式进行泰勒级数展开，并取一阶近似得主汽压-调节级压力环节公式：式中：待定系数，为阀位指令-调节级压力增益；，为主汽压力-调节级压力增益；这两个待定系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广涛，李炳楠，郭为民，唐耀华，梁正玉，郝涛，孙建华，宋新立，仲悟之，段松涛，吴坡，
申请(专利权)人：国网河南省电力公司电力科学研究院，河南恩湃高科集团有限公司，中国电力科学研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：河南;41