燃氣發(fā)電機組并網無功調節(jié)建模及仿真研究

林 祥

（國家電網有限公司技術學院分公司，山東 濟南 250002）

0 引言

燃氣輪機是一種結構簡單的旋轉輪式熱力發(fā)動機， 其特點在于使用持續(xù)流動的氣體帶動葉輪高速旋轉， 并將燃料的能量轉變?yōu)橛杏霉Γ?主要由壓氣機、燃燒室、透平三大部分組成，具有體積小、啟動迅速、重量少等優(yōu)點。

燃氣發(fā)電機組以其清潔、安全、經濟效益高、排放低的優(yōu)勢，在“綠水青山就是金山銀山”的節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策落實中， 日漸提升了其在電網中的比重。 這同時也使我國的電力網絡成為世界上規(guī)模最大、最復雜的系統(tǒng)之一。研究電力網絡深層的分布結構及其特性， 是進一步解決監(jiān)督安全和控制優(yōu)化問題的重點和難點［1］。

無功電壓控制對于確保電網整體安全、 穩(wěn)定運行及其經濟效益具有重要的意義， 是組成電網安全的主要部分［2］。 電壓是優(yōu)化配電網、衡量電能質量的關注指標之一， 要保證電壓偏移在額定范圍內，對無功進行有效控制是重要手段之一。 燃氣發(fā)電機組啟動性能好、啟動成功率高，在電壓和無功的可靠性要求高時，常常承擔調峰調壓的作用。 目前，對于燃氣發(fā)電機組并網無功調節(jié)尚待解決的主要問題包括： 如何有效利用現(xiàn)場各智能設備提供的相關參數(shù)及調節(jié)方式；現(xiàn)有仿真參數(shù)精度較低，與實際參數(shù)差距較大；仿真模型的準確度和可信度，是否能給現(xiàn)場運行人員提供有效參考； 對無功動態(tài)變化過程的模擬和重現(xiàn)。 為了讓運行人員對燃氣發(fā)電機組的并網無功特性有更深入的了解，本文基于MUSE 數(shù)字仿真平臺， 對燃氣發(fā)電機的無功調節(jié)特性進行了研究， 建立了包含發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機仿真、潮流系統(tǒng)的燃氣發(fā)變組仿真模型。

1 MUSE數(shù)字仿真平臺

MUSE（多用戶仿真支撐環(huán)境）系統(tǒng)是一體化仿真支撐環(huán)境軟件，用于大型強耦合和細粒度計算，廣泛應用于電廠仿真、變電站仿真等，包括實時數(shù)據(jù)庫服務、實時計算引擎、計算機輔助建模系統(tǒng)、操作員終端的運行方式四大部分。 其中計算機輔助建模系統(tǒng)又包含5 個解決方案：流體網絡自動建模、控制回路組態(tài)、電氣網絡自動建模、梯形圖建模和一般方式的圖形組態(tài)。

一體化支撐平臺軟件MUSE 包含了仿真支撐系統(tǒng)軟件、教練員站軟件、工程師站軟件、組態(tài)軟件、操作員站軟件、就地站軟件、評分系統(tǒng)軟件、DCS 仿真系統(tǒng)軟件等各種功能軟件。 仿真系統(tǒng)的運算基于高精度的仿真模型，所有模型嚴格遵守能量守恒、質量守恒、動量守恒三大定律，圖形化的建模工具能夠對模塊按照現(xiàn)場實際參數(shù)進行預處理和工況調整。

使用面向對象的圖形化建模技術， 實現(xiàn)友好的人機交互。 針對各種不同的控制系統(tǒng)，MUSE 平臺擁有一一對應地獨創(chuàng)的虛擬DPU 技術，能夠對仿真對象實現(xiàn)一比一的模擬，相比于傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，更容易與電廠的實時監(jiān)控系統(tǒng)相對接。 其靈活的一機多模功能，可以靈活編組，統(tǒng)一管理和監(jiān)控，對于一套模型， 實際培訓時可作為多個虛擬的機組運行為多人同時培訓提供了良好的解決方案。

2 燃氣發(fā)電機組無功調節(jié)模型

本文研究對象為F 級改進型熱電聯(lián)產燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，為高效一拖一雙軸型。每套機組包括一臺燃氣輪機、一臺燃機發(fā)電機、一臺蒸汽輪機、一臺汽輪發(fā)電機、一臺無補燃三壓再熱性余熱鍋爐、供熱調壓系統(tǒng)及其相關的輔助設備和控制系統(tǒng)等。 并著重研究了的燃氣輪機帶燃機發(fā)電機部分， 發(fā)電機為全氫冷卻方式，自并勵靜止勵磁，燃氣發(fā)電機所有控制均在燃機控制系統(tǒng)中實現(xiàn)， 采用自動準同期方式， 出口斷路器和主變高壓側斷路器的同期均在相應控制系統(tǒng)中實現(xiàn)。

燃氣發(fā)電機組無功調節(jié)模型按照現(xiàn)場設備，主要構成有：電氣潮流系統(tǒng)、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、燃機發(fā)電機等。對燃機發(fā)電機定子電流、電壓、勵磁電壓、電流、有功功率、無功功率等進行真實模擬，在額定容量下，發(fā)電機轉子電流不超過額定值，負序電流不超過額定值的10%，且最大相電流不超過額定值。

2.1 電氣潮流系統(tǒng)

電氣潮流系統(tǒng)主要用于模擬電網電壓變化和電網頻率變化對發(fā)電機的影響， 電網假設為一個無窮大網，節(jié)點與支路相互連接，構成回路。 潮流系統(tǒng)基于潮流方程計算， 其節(jié)點的有功功率和無功功率計算如公式（1）-（2）：

式中：Pi和Qi表示節(jié)點i注入的有功功率和無功功率；Ui表示節(jié)點i的電壓幅值；Uj表示節(jié)點j的電壓幅值；Gij表示節(jié)點i和節(jié)點j之間的電導；Bij表示節(jié)點i 和節(jié)點j 之間的電納，θij表示節(jié)點i和節(jié)點j之間的電壓相角差；H表示與節(jié)點i相連所有節(jié)點的集合［3］。

2.2 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)

勵磁系統(tǒng)能夠自動和手動調節(jié)， 其跟蹤特性和切換過程與實際設備相符，如圖1 所示。 發(fā)電機端電壓Ut經測量環(huán)節(jié)后與給定的參考電壓Uref比較，其偏差ε 進入自動電壓調節(jié)器， 經綜合放大、 移相觸發(fā)、限幅等環(huán)節(jié)，輸出電壓Ur作為主勵磁機的勵磁電壓，并以此控制勵磁機的輸出電壓，即發(fā)電機的勵磁電壓。

圖1 勵磁系統(tǒng)實用模型框圖

根據(jù)勵磁系統(tǒng)框圖及各環(huán)節(jié)的基本方程式，得出式（3）：

式中：TA表示放大環(huán)節(jié)時間常數(shù)；KA表示放大環(huán)節(jié)放大倍數(shù)；TF表示勵磁負反饋環(huán)節(jié)時間常數(shù)；KF表示勵磁負反饋環(huán)節(jié)放大倍數(shù)

2.3 燃氣發(fā)電機

發(fā)電機的數(shù)學模型能夠反映真實的全物理過程，反映發(fā)電機的空載特性、短路特性、調節(jié)特性和各種負載不同功率因素下的負載特性。 在零軸分量為零的條件下， 由電功率定義可推導得到發(fā)電機有功功率為：

發(fā)電機無功功率為：

定子電壓的幅值為：

定子電流的幅值為：

當同步發(fā)電機接在無窮大電網上時，d 軸和q 軸電流為：

式中：Us表示電網電壓，Eq表示電勢，Xd表示發(fā)電機的 d 軸電抗，Xq表示發(fā)電機的 q 軸電抗，XL表示線路電抗，id、iq分別表示發(fā)電機的d 軸和q 軸電流。

3 實例分析

本文所述基于MUSE 平臺的無功調節(jié)模型如圖2 所示，自右向左、自下向上依次為：燃機勵磁變壓器及勵磁變壓器溫度計算模塊、滅磁開關、發(fā)電機靜態(tài)變頻器、勵磁整流模塊、勵磁控制模塊、發(fā)電機模塊，各模塊端口相連，構成燃氣發(fā)電機無功調節(jié)模擬系統(tǒng)。

燃機沖轉過程之中， 勵磁整流模塊和勵磁控制模塊共同模擬作用，為發(fā)電機提供勵磁電壓和電流。燃機控制畫面電機啟動后，SFC 靜態(tài)變頻器啟動，機組轉速上升，升速達 2 000 r／min 以上，SFC 裝置退出運行，勵磁變壓器高壓開關和低壓開關分閘，勵磁系統(tǒng)退出。 燃機轉速繼續(xù)上升到2 900 r／min 左右，勵磁系統(tǒng)再次投入，發(fā)電機升壓達額定電壓。 燃機轉速3 000 r／min，相關檢查完成后，通過控制畫面使用自動準同期方式進行并網，發(fā)電機出口開關正常合閘，燃機帶初始負荷15 MW。通過一系列操作緩慢升高負荷，無功投入自動調節(jié)，直至有功功率達到250 MW 滿負荷，觀察并記錄該過程中有功功率和無功功率變化情況。

圖2 燃機發(fā)電機無功調節(jié)模擬系統(tǒng)圖

表1 為有功功率、 無功功率及發(fā)電機功率因數(shù)的實際與仿真對應參數(shù)。

表1 實際參數(shù)與仿真參數(shù)對照表

對應實時采集曲線如圖3 所示， 其中實線表示發(fā)電機有功功率，虛線表示發(fā)電機無功功率，從圖中可看出，無功功率隨有功功率變化而變化，且動作趨勢與現(xiàn)場實際一致。

圖3 仿真有功功率和無功功率趨勢圖

4 結束語

本文分析了燃氣發(fā)電機的無功調節(jié)特性和原理，建立了能夠準確反映發(fā)電機無功調節(jié)的模型，包括電氣潮流系統(tǒng)、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、燃氣發(fā)電機等部分， 以潮流方程等為約束公式， 通過實例仿真的方式，驗證了燃氣發(fā)電機組無功調節(jié)模型的仿真精度，該模型算法已成功運用于多個燃機仿真項目。