（动力机械及工程专业论文）360mw火电机组仿真机研究开发——电气系统数学建模与仿真.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 i 摘要 随着电力系统和发电设备向高参数、大容量的发展，以及电厂自动化程度越 来越高，迫切要求机组运行人员具有较高的技术、操作水平和应变能力，这样采 用仿真机的培训方式得到了广泛的应用。仿真机是以计算机为核心经过进一步开 发形成的能对实际机组仿真并对运行人员培训的装置，而电气仿真系统是电厂仿 真机的重要组成部分。以往的仿真机对电气系统一般是进行简化处理，只能满足 最基本的培训要求。为了提高培训质量，满足高性能全范围仿真机的要求，电气 仿真系统必须要改进。基于这样的背景，本文对珞璜电厂 360mw#1 火电机组的电 气系统进行深入的研究，建立了其数学模型，并设计出仿真系统的模型程序，所 做工作如下： 采用模块化建模思想，将电气系统划分为发电机- 主变压器系统、励磁系统、 冷却系统组成的发电机组子系统， 以及 220kv 变电站、 厂用电组成的配电子系统， 然后分别建立各部分的数学模型。其中发电机的数学模型是重点，先推导出派克 方程描述的发电机精细模型，再引入发电机的五阶、三阶、二阶实用模型。配电 子系统的建模关键是忽略其内部的暂态过程并作出了网络的等值电路图，因而依 此建立的节点电压方程为代数方程。 通过坐标变换将发电机组系统与配电系统进行接口，形成微分方程和代数方 程联立的方程组。根据不同的仿真场合，发电机选择不同的模型得到不同的联立 方程组，相应地采用改进欧拉法、四阶龙格- 库塔法、牛顿- 拉夫逊法等仿真算法来 实现仿真。采用 top- down 模块化设计方法，利用 compaq visual fortran 开发环 境，编制出电气系统各部分的程序模块。在仿真模型程序上，完成了发电机突加 负载等仿真试验。 仿真结果表明：电气仿真系统各程序模块能正确地反映了主要物理变量的暂 态过程，所设计的模型程序可作为该机组仿真机的电气系统模型库。 本文较好地完成了火电厂仿真机电气系统建模与仿真的工作，为今后相似课 题的研究做了大胆的尝试和铺垫。 关键词：仿真机，电气系统，模块化建模，数学模型，暂态过程 重庆大学硕士学位论文英文摘要 ii abstract with the large capability and high parameter development of power system and generating equipments, as well as the advance of power plant automation level, operators are requested imminently to have better management of technology and operation and ability to response the emergency, so the training mode with simulator has been applied widely. simulator is an installation with computers as its core which is developed to simulate turbo generator and used to train operators. electric simulation system is an important part of simulation software of power plant, but previous simulator dealt simply with electric system and can only meet the requirement of basic training and teaching. in order to improve training quality and meet the requirement of high performance and full- range simulator, electric simulation system must be mended. basing on this background, the electric system of 360mw #1 unit in luo huang fossil- fired power plant is studied,and its mathematic models are established , and the modular programs of its simulation system is designed in this paper. the following contributions are included: with adopting modular modeling idea, electric system is divided into two sub- systems. one is generator unit system which includs generator- main transformer, exciter system,cooling system, the other is power distribution system which includes 220kv substaion and plant comsumption. then every part mathematic model is established. generator mathematic model is the most important part, and its fine model described by park s equation is firstly derived, then five- order, three- order and two- order practical models is imported. the key to power distribution system is to ignore transient process in this sub- system and to draw the network equivalent circuit diagram, therefore its node voltage equation is algebraic equation. the interface between generator unit system and power distribution system is generated through coordinate transform, then the equations system uniting differential equation and algebraic equation is formed. according to different simulation situation, different generator mathematic model is chosen and different simultaneous equations system is formed,so improved euler method, four- order runge- kutta method and newton- raphson method are accordingly used for simulation algorithms. then all program modulars of electric system are coded with top- down modularized design method in the development environment of compaq visual fortran. finally the 重庆大学硕士学位论文英文摘要 iii simulation trials such as generator emergency load is tested. the result of simulation indicate that the program modulars of electric simulation system can exactly reflect the transient process of main physical characteristics, and the model programs can be electric system model library for the simulator of this power plant. so，this paper perfectly completes the electric system modeling and simulation of fossil- fired power plant simulator, and makes a significative attemp for the similar studies. keywords: simulator,electric system,modular modeling,mathematic model, transient process 重庆大学硕士学位论文符号说明 vi 符号说明 主要变量（不加说明指标幺值主要变量（不加说明指标幺值） 磁链向量 e电压相量实部向量 f电压相量虚部向量 i电流向量 i电流有效值向量 u电压向量 u电压有效值向量 v控制向量 x状态向量 y电网运行参数向量 a系数矩阵 b控制矩阵 e单位矩阵 l电感矩阵 p派克变换矩阵 r电阻为对角元素，其它元素为 零的矩阵 y导纳矩阵 i电流（若为实际值，单位：ka） u电压 （若为实际值， 单位： kv） 磁链（若为实际值，单位：wb） l自感（实际值，单位：h） m互感（实际值，单位：h） x 电抗（若为实际值，单位：） r 电抗（若为实际值，单位：） 转子直轴与定子 a 轴夹角（实 际值，单位：rad） 功角（实际值，单位：rad） 转子电角速度（若为实际值， 单位：rad/s） 机械角速度（若为实际值，单 位：rad/s） t转矩（10 6.n.m）或时间常数 或温度（） j发电机机组转动惯量（若为实 际值，单位 10 6.rad/s2） e电动势 z阻抗 p有功功率（若为实际值，单位 mw） q无功功率（若为实际值，单位 mw） s视在功率（若为实际值，单位 mw） y复数导纳值 g复数导纳的实部 b复数导纳的虚部 k变比 p0发电机极对数 p微分算子， d p dt 主要上标主要上标 暂态值 次暂态值 (k)第 k 次迭代值 主要下标主要下标 a,b,c定子 a、b、c 绕组 ddq0 坐标系下的 d 轴分量 qdq0 坐标系下的 q 轴分量 重庆大学硕士学位论文符号说明 vii f励磁绕组 d直轴阻尼绕组 q交轴阻尼绕组 0零序分量或空载或数值求解的 初值 1正序分量或数值求解的第 1 步 值 2负序分量或数值求解的第2步 值 b基准 r转子 s定子或发电机机端 ada 轴与 d 轴之间 afa 轴与 f 轴之间 ada 轴与 d 轴之间 e电磁的 m机械的 j机组惯性 l漏磁或漏电抗 ij节点 i 与节点 j 之间 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题的背景 随着电力系统和发电设备向高参数、大容量的发展，以及电厂自动化程度越 来越高，迫切要求机组运行人员具有较高的技术、操作水平和应变能力。美国联 邦能源管理局在“安全性专题报告”中也指出： “电厂的可靠性可以由改进设计和 加强维护来改善，但它只占提高可靠性的 20%30%，另外 70%80%依靠运行人员。 ” 1因此，以往的“师傅带徒弟”方式已经不能适用电厂培训。为了有效地提高电厂 运行人员的专业知识、操作技能、应变能力和熟练程度，从 20 世纪 60 年代开始， 研究人员探索出采用脱离实际发电现场的实时仿真技术对运行人员进行培训，即 采用仿真机的方式进行培训 1,2。 所谓仿真 3， 就是在系统上建立模型并用模型对系统进行模拟或试验研究。 而 电厂培训仿真机是一种采用数字仿真技术来模拟发电厂机组的生产运行过程以能 用于教学培训的装置 4。 它涉及计算机技术、 控制理论、 数学建模、 电厂专业知识、 工作经验等多学科的系统工程，是属于高新技术。由于仿真机具有虚拟实际物理 对象的特性，因而利用仿真机对电厂运行人员进行教学培训具有了明显的优点： 允许学员在训练时发生错误，因此能保证安全训练； 可以自由安排训练项目，并能重复进行重要的训练； 可以人为地设置一些故障，然后在故障情况下进行训练； 可以将训练结果记录下来以便考察学员的水平，甚至可将学员的操作过程 重新复现，以便迅速纠正操作中发生的错误，提高训练效率，缩短训练周期。 此外，该装置也可以用于对原有运行人员的再教育，这对于提高工人技术素 质和运行水平都有重大意义。1988 年清华大学曾对国内大型电厂运行人员进行过 调查 5，结果是：某电厂未经过仿真培训的一组运行人员在 200mw 机组上连续 18 个月出现过 7 次事故，其中 6 次未能正确操作而被迫停机，有一次事故中造成 人员受伤，另一次事故中造成停机长达 15 天之久。另一个电厂在 10 个月内发 生过四次甩负荷事故，是由参加过仿真培训的运行人员操作的，他们炉、机、电 运行人员相互配合，均能正确地处理和消除事故，而没有影响生产。还有一个电 厂在 11 个月内发生五次事故，包括保护动作、甩负荷、锅炉灭火等，也是由经 过仿真培训的人员操作的，结果有四次能够很快消除事故，十分钟内恢复正常。 这些例子既说明了对运行操作人员进行有效培训的重要性，又反映了采用仿真机 培训的优点。正因为如此，目前世界上包括我国在内的大多数国家已将这种方式 作为法定的培训方式，其中我国已有 70 多台（截至 1997 年）电厂培训仿真机投 重庆大学硕士学位论文1 绪论 2 入使用，在数量上仅次于美国，且仿真机开发能力也达到世界领先水平 1。 对于火电厂培训仿真机，它一般包括包括锅炉、汽机、电气和控制四大系统。 由于电气系统与锅炉和汽机系统相比其动态过程相对简单，对电气系统的运行培 训也相对容易，以往的仿真机由于受到计算机性能和建模技术的影响，对电气系 统作简单处理。为了进一步完善仿真机性能，更好地满足教学培训要求，需要对 电气系统建立详细的模型，以求更准确地模拟其动态过程和各种电气故障。 1.2 电厂仿真机的发展历程及研究现状 1.2.1 电厂仿真机的发展历程 1,5,6,7 从世界范围看，电厂仿真技术和仿真机的发展可以分为四个阶段。1968 年以 前是属于萌芽阶段，该阶段以采用模拟式计算机为仿真的主要象征，其特点是系 统结构和数学模型都很简单，采用基于集中参数的数学模型，只模拟机组的主工 况和主设备，数学方程和逻辑系统的求解是采用基于运算放大器的模拟电路来实 现的。其中以 1957 年英国设计的第一台核电培训仿真机作为标志，这也是世界首 台有一定使用价值的电厂培训仿真机。 1968 年到 1978 年的 10 年间是仿真机的快速发展阶段。这一时期，由于数字 式电子计算机的发展并被广泛应用，促使各国采用数字计算机作为仿真研究的主 要工具，开发出全范围、高精度的仿真机。美国、法国、瑞典、德国、西班牙和 日本等国家都建立各自仿真培训中心。这一阶段所仿真的机组具有大容量，高参 数的特点，仿真范围变得更大，出现了全范围高逼真度的数字式仿真机。 20 世纪 80 年代是电厂仿真机开发的成熟阶段， 发达国家大量发展全范围高精 度的电厂仿真机。1979 年美国三里岛核电厂核泄漏事件使人们认识到以往仿真机 的不够完备，特别是数学模型存在着严重的薄弱缺陷。因此这阶段的仿真机努力 按照如下两个原则去开发： 真实地复制电厂控制室硬件，不仅控制室盘台本体和各种仪表、记录仪、 操作和显示设备的型号、外观、位置等要和被仿真电厂控制室一致，而且色彩和 环境气氛也要一致，以制造真实的现场环境； 实时地复现生产过程和动态过程，在对象的建模方面要求仿真对象的动态 过程与被仿真电厂一致，应以物理基础为建模原则，强调以质量、能量、动量守 恒定律为基础建立设备的数学模型，建模方法上采用模块化思想建模。 20 世纪 90 年代以来， 西方发达国家的电力工业渐近饱和， 新电厂建设在减少， 因此它们的电厂仿真机技术的发展处于停滞状态。 另一方面，我国的大型电厂仿真机开发起步较早，目前已成为了电厂仿真机 大国。 早在 1975 年， 清华大学便开始了我国第一台大型火电机组模拟系统的研制， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 3 并于 1982 年投入使用，这开始了我国有能力开发仿真机的历史，使我国成为世界 上少有的几个有能力开发仿真机的国家之一。1984 年清华大学又开始开发我国第 一台完全复制电厂控制室的全范围高逼真度仿真机，并于 1988 年完成。进入 20 世纪 90 年代后， 当电厂仿真机在西方开发处于停顿时， 在我国却得到突出的发展。 我国的许多单位都具有了自行开发电厂仿真机的能力，比如清华大学、华北电力 学院、亚洲仿真机、东南大学、西安热工所和重庆大学等，这些单位开发的仿真 机占了我国在使用的仿真机的绝大部分，只有一小部分是通过进口的。除了火电 仿真机，我国也开发出了核电、水电、电网调度和变电厂等类型的仿真机，而且 还有能力出口电厂仿真机。由于坚持独立发展电厂仿真系统和技术，开发成功面 向对象、面向工程的模块化、图形化、高精度的建模方法，并具有独立研制成功 的为支持仿真机开发、调试、运行管理的仿真支撑软件，比如清华大学的仿真支 撑环境 vcs、华北电力学院的 start90 软件等，使得我国成为世界上电力仿真技术 先进的国家。 1.2.2 目前电厂仿真机的技术特点 1,8,9,10 当代培训仿真机的硬件系统结构一般由以下 6 个部分组成： 复制的被仿真机组操作盘台，包括主控室的操作台和显示屏，主控制室外 的就地操作盘台，如倒闸、阀门等。对于 dcs 为控制系统的电厂，传统的盘台已 经被“软化” ，成为以 crt 和特制键盘组成的人机界面（hmi） 。 主计算机系统及辅助设备。主计算机要求运算速度快，存储空间大，具有 比较大冗余量，能直接访问内存，有优先级和实时中断服务，能运行通用的操作 系统如 unix 或 windows 并支持一种以上高级编程语言如 fortran 或 c，为 了满足这些要求，一般采用高性能的工作站或服务器，也有采用单台 pc 机作为主 机的仿真机，比如重庆大学仿真研究所开发的基于单台 pc 机的 dcs 火电机组仿 真机。 数据 i/o 接口，包括 d/a 和 a/d 转换的模拟量、开关量输入输出通道。 网络通信系统，以前的计算机（上位机）和下位机之间采用 rs232、rs 485 或 rs422 一一对应进行通信，目前一般采用以太网组成的局域网，用 tcp/ip 等协议进行数据通信。 教练员台，一般由计算机终端构成，用于教练员选择训练内容、启动工况、 改变参数、监视操作，人为设置故障以及对训练过程发出各种指令。 工程师站，为可配置打印机或绘图仪且带有 crt 和键盘的的计算机终端， 用于建立和修改模型程序，检查运行情况，进行在线或离线的其它开发和研究工 作。 当代典型的全复制型培训仿真机，其数学模型是经过一定简化假设并满足一 重庆大学硕士学位论文1 绪论 4 定精度、非线性时变、多变量分布参数的多子系统组成，它是一组具有复杂相互 关系的巨大微分方程组和代数方程组。这些数学模型具有如下特点：应能表示机 组的全工况；应能反映机组的全范围；应能实时运行；有足够精度，一般要求稳 态偏差不大于 2。 此外， 为了保证仿真的实时性， 其仿真算法一般选择计算量小、 省内存的算法，比如显式欧拉算法。 1.2.3 电气系统仿真的技术特点 1,8,11,12,13,14,15 培训仿真机的电气系统主要包括以下几个部分：包括发电机本体、励磁及励 磁调节系统、主变压器系统、厂用电系统、直流及不停电电源系统、同期系统、 氢冷及密封油系统、继电保护及程控联锁系统等。其中发电机系统、励磁系统为 电气系统的核心部分，需要考虑其的动态过程；而厂用电系统需要根据其供电网 络进行潮流计算，以求取供电网络各元件的运行状态参量。 仿真过程的发电机数学模型应包括转子运动方程，电流电压平衡计算、电磁 暂态过程计算的发电机基本方程，以及发电机空载特性、短路特性、负载特性、 外特性的数学方程。其中的转子运动方程描述了转子运动的机械暂态过程；基本 方程一般是 dq0 坐标下的派克微分方程组，它体现了发电机电势与机端电压、电 流之间的关系，以及各电势在不同情况下的变化规律。以上这些方程能正确反映 发电机从启动到满负荷的全过程和主要事故现象，如匝间或线间短路、单相接地、 失磁、异步、三相不对称、系统振荡、主断路器动作等。 仿真过程的励磁系统数学模型应计算它的外特性，能反映励磁机的饱和及电 枢反应作用，能正确计算整流器的电压、电流、功率、功率因数等。励磁调节器 的仿真应能反映发电机机端电压变化时调节器如何调节可控硅整流器的触发角以 便控制发电机励磁电流从而维持发电机机端电压为给定值。 厂用电系统的仿真重点为各厂用变压器的工作特性、断路器操作、各种相关 设备的切换操作、厂用电动机故障等。该系统数学模型主要分为网络拓扑结构分 析和潮流计算两部分。首先根据供电网络图的拓扑分析以及节点的类型节点电压 方程，再根据输入条件选择合适的算法（如牛顿- 拉夫逊法）对其进行潮流计算。 对于网络的故障计算，只计算其起始次暂态量，可根据叠加原理分解出正常分量 和故障分量，再用潮流计算解出，若为不对称故障，还先要用对称分量法分别解 出正序、负序和零序分量再叠加。 同期系统的仿真应能正确反映同期装置在并网过程中的动态特性，包括手动 准同期并列、手动非同期并列和自动准同期并列过程特性的仿真。冷却系统的仿 真一般是根据热力系统流体网络计算方法对冷却介质各处的压力和流量变化进行 计算，根据能量平衡原理计算冷却剂出口温度、被冷却对象如绕组和铁芯的温度。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 5 1.3 本文的主要工作和关键技术 1.3.1 本文的主要工作 本文作为华能珞璜电厂 360mw 火电机组全范围仿真机的一部分,主要工作为 对其电气系统进行建模并编写各个子系统的程序模块，最后利用模型程序对系统 进行仿真。 本文研究的具体对象是珞璜电厂 360mw#1 发电机主变压器系统以及 该机组厂用电系统和 220kv 变电站组成的配电系统。主要工作的具体内容如下： 根据转子运动方程和派克方程建立 dq0 坐标系下用标幺值表示的发电机本 体运动状态方程，包括电压方程、磁链方程、转矩方程，由这些方程和发电机基 本特性曲线推导出发电机各物理量的计算式。同时还建立了励磁系统控制回路的 微分方程、反映各变压器工作特性的方程以及冷却系统的基于流体网络法的方程。 根据电力系统分析方法，按实际厂用配电网络的一次系统图，建立以矩阵形式描 述的网络方程。 根据以上诸方程描述的电气系统数学模型，采用与之相适应的计算机数值 方法，建立仿真模型。按照实际系统，将这些仿真模型分类成不同功能的模块， 利用运算能力强大的 fortran 高级语言编写每个模块的源程序；并将这些源程序编 译、调试，以便变成能被仿真机支撑环境调用的模块库。 在仿真机支撑环境下，调用所编写的电气模型程序库，模拟机组各种运行 情况，包括启动、并网、变负荷、解列，以及各种故障和异常。把仿真结果与实 际电厂的运行结果进行比较，并加以修正，使模型能在精度允许范围内正确仿真 电厂的实际运行情况。 1.3.2 本文的关键技术 模块化建模4就是调用按一定原则划分的模块（子程序） ，组合成一个较大的 系统模型（源程序） ，以完成一定的仿真任务。采用模块化建模方法具有十分明现 的优点16,17： 把复杂系统化简相对较简单的子系统或部件，从而降低了建模的复杂性； 模块有统一的划分和设计规范，因此不同的模块模型可由不同的研究人员 开发，每个模块的模型可以在不同的研究对象中重复使用，从而避免了重复劳动， 提高了研究和工作效率； 模块自动连接组合系统一次性开发完成后，可使用户不必再为模块连接及 其实现费时费力，而将主要精力和时间投放在新模块模型开发、模型优化、对研 究对象进行分析和设计等主要工作上。 由于具有以上优点，模块化建模方法以及基于模块化思想的面向对象建模和 图形化建模方法已经成为当代电站仿真机的主要建模方法。 本文正是根据模块化的设计思想，把系统划分为不同层次不同功能的子模块， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 6 形成总体构架是一个 topdown 的模块化结构。最后设计合理的命名规则，在 fortran 编程环境下编写每个子模块程序。 重庆大学硕士学位论文2 仿真对象简介 7 2仿真对象简介 本文的仿真对象为华能珞璜火电厂 360mw 机组的电气系统， 该系统可大体划 分为发电机组系统和配电系统两大部分18,19。 2.1 发电机组系统 发电机组系统为 360mw#1 发电机及辅助设备， 其仿真范围包括以下几个子系 统：发电机主变压器组系统；励磁系统；发电机冷却系统。 2.1.1 发电机主变压器组系统 该系统把汽轮机机械能转变成电能并经主变压器把电能送至 220kv 电网。它 包括发电机、主变压器、同期装置、发电机变压器组保护、控制、测量及信号回 路。正常运行时候发电机主变压器组与 220kv 电网并列，三相系统对称稳定运 行，发电机有功出力由汽轮机调节，发电机无功出力由励磁系统调节。 发电机与主变压器之间采用单元接线形式，每台发电机配接一台主变压器， 发电机与主变压器低压侧直接相连，其发出的电能扣除厂用电后的大部分经主变 压器升压输送至电网。发电机为北京重型电机厂生产的型号 t255- 460 的汽轮发电 机，而主变压器为三相双绕组，它们的主要参数如表 2.1 所示。 2.1.2 励磁系统 图 2.1 励磁系统结构 fig2.1 framework chart of exicter system 励磁系统向发电机提供足够和稳定的励磁电流，以满足发电机正常稳定运行 的需要。该机组采用无副励磁机的无刷励磁系统，交流励磁机型号为 tkj91- 35， 重庆大学硕士学位论文2 仿真对象简介 8 表 2.1 发电机变压器组主要参数 table2.1 main parameters of generator- transformer unit 发电机额定功率360mw 发电机视在功率423.53mva 发电机额定功率因数0.85(滞后) 发电机额定电压24kv 发电机额定电流10189a 发电机额定励磁电流2661 发电机额定励磁电压584v 发电机定子绕组电阻(75)3.52m 发电机转子绕组电阻（75）200m 发电机漏抗 xs 10.3% 发电机直轴同步电抗 xd 191.5%(不饱和), 177.7%(饱和) 发电机直轴暂态电坑 xd 33.5%(不饱和), 29.5%(饱和) 发电机直轴次暂态电坑 x”d 23.7%(不饱和), 20.1%(饱和) 发电机交轴同步电抗 xq 177.7%(不饱和), 124.4%(饱和) 发电机交轴暂态电坑 xq 44.5%(不饱和), 37.8%(饱和) 发电机交轴次暂态电坑 x”q 25.7%(不饱和), 21.9%(饱和) 发电机负序电抗 xi 24.7%(不饱和), 21.0%(饱和) 发电机零序电抗 xo 10.3%(不饱和) 直轴开路时间常数 do t：4.65s； do t：0.04s 交轴开路次暂态时间常数 qo t：0.08s 主变压器接线方式 yo/-11 主变压器容量 464mva 主变压器额定电压 242kv/24kv 主变压器额定电流 1135a/11162a 主变压器抽头 档数：5；范围 24222.5%（kv） 主变压器阻抗 14%(10%) 发电机冷却方式 水-氢-氢 主变压器冷却方式 油浸强迫循环和空气强迫循环(ofaf) 其结构简图如图 2.1 所示。机组正常运行时候，由发电机 g 出口端的励磁变压器 ext 经过可控硅整流器 scr 向交流励磁机 ex 提供励磁电流，交流励磁机 ex 则 经旋转二极管整流桥向发电机 g 提供励磁电流；启动时候，交流励磁机的励磁电 重庆大学硕士学位论文2 仿真对象简介 9 流则由 48v 直流电源作为起励电源供给。励磁调节器 avr 由电压互感器 tv 和电 流互感器 ta 采集机端的电压和定子电流信号， 同时接收发电机励磁电压作为转子 电压软负反馈信号，以电压设定值比较，产生偏差信号，据此来调节可控硅整流 器 scr 的导通角来改变交流励磁机的励磁电流，从而控制发电机的励磁电流。转 子电压软负反馈环节作用是为了提高系统稳定性，改善调节品质的。 励磁调节器设有“自动”和“手动”两通道，这两个是相互跟踪的，由一个 通道可以无扰动地切换至另一个通道。在“自动”通道运行时可选择三种调节方 式： 电压调节：该方式保证发电机定子电压稳定，无功功率和功率因数可变， 电压调节范围为 un50%，这里 un为发电机额定电压。 无功功率调节：该方式保证发电机输出的无功功率恒定，电压和功率因数 可变，无功功率调整范围为 0qn，这里 qn为额定无功功率，223mvar。 功率因数调节：该方式保证发电机功率因数恒定，电压和无功功率不变， 功率因数调整范围为进相 0.5 至滞后 0.5。 在手动通道运行时，保证输出恒定励磁电流，其调整范围为 20%un110%un。 正常运行时只选择“自动”通道的“电压调节”方式运行，而“无功功率调节” 和“功率因数调节”方式只有特殊情况下才使用； “手动”通道则作为备用方式。 2.1.3 发电机冷却系统 本机组发电机采用水- 氢- 氢的冷却方式， 即定子绕组水内冷、 转子绕组氢内冷、 铁芯及其它构件氢冷，这样水和氢气是两个独立的冷却系统，为了保持机内氢气 纯度，还需要密封油系统。 氢气系统由装在转轴上的两台风扇、氢气介质、四组冷却器和气体配置及控 制阀门组成，正常运行时通过风扇使氢气在闭合回路内作强迫循环来把发电机运 行中产生的转子铜损、铁芯损耗、摩擦损耗、通风损耗以及杂散损耗转变成的热 量吸收掉。机内的氢气纯度应为 97%以上，正常氢压为 4bar（表压） ，为了避免氢 气与空气混合，在向机内充入或抽出氢气时需用二氧化碳作为中间缓冲介质，充 氢时，先用二氧化碳排尽机内空气，再用氢气替换机内二氧化碳；排氢时，先用 二氧化碳排尽机内氢气，再用空气替换机内二氧化碳。 密封用系统作为氢气冷却系统的辅助部分，负责在各种可能的运行条件下向 转子的两端提供所需密封油，处理密封油，保持机内氢气纯度，提供回油回路， 并设置安全可靠的空气和氢气之间的屏障。 水冷系统利用除盐冷却水在定子线棒的空心绞线中循环流动来对定子绕组、 圆形相连接头以及机端进行直接冷却，主要包括水箱、水泵、离子交换器、具有 控制与检查装置的过滤器以及水水热交换器。正常运行时，水泵将水箱的水打 重庆大学硕士学位论文2 仿真对象简介 10 入热交换器回路，完成水水热量交换后，冷却水通过滤器除去杂质进入发电机 定子绕组和端部进行冷却，出来的热水又回到水箱，用离子交换器对冷却水除盐 以保证其电导率达到要求。不论发电机负荷以及冷却回路中水温如何变化，冷却 水入口温度必须保持 41恒定不变，以便限制定子绕组和氢冷铁芯之间的相对位 移。冷却水的具体特性参数如表 2.2 所示。 表 2.2 定子冷却水特性参数 table2.2 parameters of cool water for stator 冷却线棒所需水流量60m3/h 冷却线圈端部所需水流量9m3/h 离子交换器水流量4m3/h 线棒入口温度41 线棒出口温度61 正常运行时除盐水导电率0.5s/cm 2.2 配电系统 配电系统为该电厂 360mw 发电机组的厂用电系统和 220kv 变电站。厂用电 系统主要是为#1 机组提供厂用电的配电系统，以便在机组启动、正常运行、正常 停机及事故停机等工况下向机、炉、电、高低压辅机、控制操作设备、公用设备、 照明、仪表及信号设备等厂用负荷提供足够和可靠的供电电源。220kv 变电站的 主要功能是通过高压输电线路把发电机生产的电能输送至电网。配电系统的仿真 范围可分为以下两个子系统：220kv 变电站；#1 机组厂用电系统（包括公用、备 用、保安系统） 。 2.2.1 220kv 变电站 发电机接入系统的方式为发电机变压器单元制接线形式，如图 2.2 所示。发 电机出口直接与主变压器低压侧和厂用的变压器高压侧相连，中间不装设断路器， 发电机发出的电能一部分由厂用变器降压后供给厂用，其余由主变压器升压至 220kv 经高压配电装置进入电网。 220kv 高压配电装置的接线形式如图 2.3 所示，由图可知采用的是双母线接 线形式，由 220kv 双母线、六回 220kv 输电线、#1 机组进线、#2 机组进线、启 动变、母联开关等组成。其标准运行方式为：i、ii 母线通过母联开关并列运行， 单数编号的线路上 i 母线，双数编号的线路上 ii 母线，#1、#2 的主变各上一组母 线，启动变上 i 或 ii 母线，母联开关的交换功率为最小。 重庆大学硕士学位论文2 仿真对象简介 11 图 2.2 发电机变压器单元接线图 fig2.2 wiring plan of generator- transformer unit 图 2.3 220kv 高压系统接线图 fig2.3 wiring plan of 220kv high- voltage system 2.2.2 #1 机组厂用电系统（包括公用/备用、保安系统） 该系统的接线形式如图 2.4 所示，其中#1 机组厂用电系统包括#1 高厂变，#1 脱硫变， 两段 6kv 工作母线 （01lga、 01lgb） ， 四台低压配电变压器， 四段 380v 工作母线（01lka、01lkb、01lkc、01lkd） ，一段 380v 保安母线（01lla） 以及相应的辅机。正常运行时，6kv 厂用工作母线由#1 高厂变供电，各 380v 工 作母线由相应的工作变压器供电，01lla 保安段由 380v 工作母线 01lka 供电， 各段母线的电源开关合上充电，备用进线开关断开作联动备用。公用/备用系统用 重庆大学硕士学位论文2 仿真对象简介 12 于向机组公用厂用负荷供电，并作为#1 和#2 机组的备用电源。包括启动变，两段 6kv 公用母线（20lga、20lgb） ，一台公用低压变以及相应的 380v 公用段 （20lka） 和公用保安段 （20lla） ， #1 低备变以及相应的 380v 备用 i 段 （20lkb） ， #2 低备变以及相应的 380v 备用 ii 段（20lkb） 。正常运行时，启动变通过 6kv 公用母线向公用负荷供电，6kv 公用母线作 6kv 厂用工作母线备用电源，380v 备用母线（20lkb）作 380v 厂用工作母（01lka、01lkb、01lkc、01lkd）的 备用电源。工作电源与备用电源之间的切换按先断后合的原则进行，其切换方式 有手动单独切换方式、自动人为指令启动切换方式和自动故障切换方式三种。 图 2.4 厂用电系统接线图 fig2.4 wiring plan of plant consumption system 保安系统包括柴油发电机组和一段 380v 母线（01llp） ，作为 380v 保安段 （01lla）和 380v 公用保安段（20lla）的备用电源。当 01lla 或 20lla 失电 后，柴油发电机组将在数秒内自启动向保安母线和公用保安母线恢复供电。 重庆大学硕士学位论文3 电气系统数学模型 13 3电气系统数学模型 3.1 建模简介 计算机仿真包括三个要素1,3：系统、模型、计算机，联系这三个要素的有三 个基本活动：对象数学模型的建立、仿真模型的建立、仿真试验，它们的相互关 系如图 3.1 所示。根据仿真的三要素和三个基本活动，可以将其全过程分解成以下 图 3.1 仿真要素的相互关系 fig3.1 interrelation among simulation elements 图 3.2 仿真流程图 fig3.2 flow process chart of simulation 7 个步骤4,20：界定实际系统；建立数学模型；建立仿真模型；编写仿真试验程序； 重庆大学硕士学位论文3 电气系统数学模型 14 模型调试验证； 运行仿真模型； 仿真结果处理。 其流程图如图 3.2 所示， 由图可见， 建立模型（数学模型和仿真模型）是仿真系统的实现的先行条件。而界定系统、 建立数学模型、建立仿真模型属于建模的范畴。 3.1.1 模块化建模技术 4,16,21 模块化建模就是调用按一定原则划分的模块(子程序)， 组合成一个较大的系统 模型(源程序)，以完成一定的仿真任务。其主要内容包括：合理地将系统按模块进 行分解，得到各个相对独立的子系统，建立相关模块（各子系统）的数学模型， 定义不同模块间的连接规范，归类和整理各种设备或部件的数学模型并组建模型 库，在模型库基础上建立仿真主程序 。在将某个模型与其它模型连接之前，必须 进行有效性检验，以确保它能够代表原来的真实子系统。 对系统进行模块分解时，要满足两个原则，第一原则也称普遍原则，即要考 虑模块功能单一，相对独立。衡量模块的独立性有耦合力和内聚力两个指标，要 求耦合力尽量小而内聚力尽量大。这样，每个模块可以单独地被理解、编写、调 试、修改和扩充，也可以防止错误在模块间扩散，因而提高了程序的可靠性。第 二原则有如下几点： 模块是组成系统模型的基本单元，系统动态模型程序是由这些基本的模块 子程序组成。 模块划分完全以独立的物理设备或部件为基础，它们具有清晰的物理边界 和足够的物理独立性。 模块具有高度的数学独立性。它明确地规定：描述该部件特性的所有方程 都包含在模块内部。它既可以作为一个基本单元参加到一个较大的系统中去，也 可以单独地、不附加任何其它模块来仿真确定的物理设备。 模块具有良好的兼容性。 3.1.2 系统界定 主要是指确定仿真对象，确定仿真的目的和内容，并以此为依据，对所研究 的实际系统进行必要的假定、简化、分解或合并，确定系统内具体的组成部分及 相互连接关系，确定边界条件和约束条件，划出一个界限4。界定系统时，往往要 画出系统组成示意图，直观地表示出系统的边界和内部连接、组成关系。 一个实际系统，往往是很复杂的，试图用一个“万能”的模型来描述整个系 统的所有特性和所有细节几乎是不可能的，也是不可取的。可行的办法是根据研 究者感兴趣的目标，将其分解成更“单纯”的系统，更小的系统，或者把一些性 能相同的部件合并在一起，并作必要的简化假设，加必要的约束条件和边界条件， 突出研究的主要问题，明确系统的可控因素和不可控因素。 界定系统要注意的一个重要问题是边界条件的设定。从模块化的概念出发， 重庆大学硕士学位论文3 电气系统数学模型 15 我们总是希望一个系统相对地更独立，外界或外系统对其影响更小。另外要注意 的是，边界条件在运行中是可变化的。 约束条件的设定反映了系统的“能力” 。约束条件严，系统分析解决问题的广 度受限制，但深度相对增加；约束条件松，广度较好，而深度相对减弱。 3.1.3 数学模型 数学模型3是对所研究系统的抽象和进一步简化，以用变量来表示系统的属 性，用数学函数关系式表示变量之间的相互作用和信息的交换传递。 建立系统数学模型要做两件事，一是写出反映系统运动规律或特性的变量间 的关系式；二是为这些关系式提供必要的数据。建立关系式，可以采用基于已知 理论和原理的演译法，这是由一般到特殊的方法；也可用基于实测、观测和经验 数据的归纳法，这是由特殊到一般的方法；或者，这两种方法的结合。关系式通 常的表达形式为：微分方程、代数方程、传递函数、差分方程和状态方程。提供 的数据可来源于设计、实测，经验。 建立数学模型时，应考虑满足以下原则： 清晰性： 输入量，输出量，已知量，所示量，信息的流动方向，内部子系统或变量之 间的相互关系，模型的边界条件和约束条件都应十分清晰。 简化性： 数学模型是系统的简化，因此，模型中只应该包括与研究目的有关的信息。 组合性： 指建立的模型能够方便地与其它相兼容的元件模型在输入输出端上相连接， 组合成一个更大的数学模型的能力，这就要求数学模型具有高度的独立性或自治 能力。 准确性： 描述实际系统的模型的精度主要取决于所做的简化和假设的程度。究竟应当 保证什么样的精度，以及怎样才能保证必要的精度，这要在研究目的和侧重点、 建模的复杂性、计算的工作量和使用的计算方法、使用的计算机等因素之间进行 权衡和折衷。 通用性： 建模时，应考虑模型易于扩展，易于修改移植作其它用途，具有可繁可简， 可精可粗的柔韧性。 3.1.4 仿真模型 仿真模型3就是数学模型的数字形式， 即将数学模型按一种或多种能为计算机 所接收的算法，例如差分方程，人工地或自动地编制成的计算机程序。建立仿真 重庆大学硕士学位论文3 电气系统数学模型 16 模型一般有如下三项具体工作： 将数学模型改写成适宜于用计算机语言编写源程序的形式。通常是把高阶 微分方程写成状态方程形式，微分方程写成右函数表达式即可，其余的数学表达 形式，比如传递函数，都极接近自然的数学语言形式。 选择数值算法（如欧拉法，龙格- 库塔法，吉尔法等)，求解常微分方程。值 得注意的是选择的算法要适合求解的问题，实时仿真应选择实时算法，病态问题 选用病态算法，非线性问题采用非线性算法等等。选择算法时也要兼顾计算的稳 定性、精