汽轮机阀门控制方式切换引发低频振荡的实例及其机理分析
徐衍会，马骢，邓小文，蔡笋
 （1. 华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206；2. 广东电网公司电力科学研究院，广东广州510080）

摘要： 电力系统中多次出现因汽轮机阀门控制方式切换引发的低频振荡现象。因此，分析了汽轮机阀门流量特性和控制方式，建立了考虑阀门流量特性的汽轮机控制系统模型。应用仿真软件PSCAD／EMTDC 建立了机网耦合数字仿真平台，重现了南方电网某电厂汽轮机阀门控制方式切换引发的低频振荡现象。对低频振荡的机理分析结果表明，汽轮机单阀控制切换为顺序阀控制方式后，由于阀门流量特性修正函数与阀门实际流量特性偏差较大，会引起调节阀门的大幅值摆动，从而使汽轮机机械功率以0.171 Hz 的频率做等幅值振荡，在该扰动源作用下电力系统出现强迫功率振荡。

关键词： 电力系统； 低频振荡； 阀门控制方式； 流量特性； 汽轮机

1 考虑阀门流量特性的汽轮机模型

1.1 汽轮机阀门控制方式大型火力发电厂汽轮机普遍采用数字电液DEH（Digital Electro-Hydraulic）控制系统，其提供了2 种阀门控制方式：单阀控制方式和顺序阀控制方式。单阀控制方式下所有调节阀门保持相同的开度，汽轮机全周进汽，各个部分均匀受热，热应力较小，但是低负荷时节流损失较大，汽轮机运行经济性较差；顺序阀控制方式下，机组高压调节阀门顺序开启，节流损失小，但机组受热不均匀，容易产生较大的热应力。一般在机组启动升负荷阶段采用单阀控制方式，当机组升温完成后改用顺序阀控制方式。因此，存在一个从单阀控制向顺序阀控制切换的阶段。

1.2 汽轮机阀门流量特性
汽轮机阀门流量特性是指阀门开度与通过阀门的蒸汽流量之间的关系，某汽轮机单阀控制方式下的阀门流量特性曲线如图1 所示。图中，D 为通过阀门的蒸汽流量（百分值）；u 为阀门的开度（百分值）。由图可见，阀门开度与蒸汽流量呈非线性关系。

该机组顺序阀控制方式下的阀门流量特性曲线如图2 所示。图中，CV1、CV2分别为第1、2 个调节阀门开度流量曲线，这2 个阀门同时开启；CV3、CV4分别为第3、4 个阀门的开度流量曲线。1.3 汽轮机及其控制系统模型由于汽轮机阀门流量特性为非线性关系，所以需要在汽轮机控制部分引入一个阀门流量特性修正函数，将流量指令转换为阀门开度指令，经过电液转换器、油动机变换为实际阀位，考虑阀门流量特性的汽轮机及其控制系统模型如图3 所示。图中，Δω 为转子角频率增量；ΔPe为有功功率偏差；PID 为比例-积分-微分控制器；Te为电液转换器时间常数；Ts为油动机时间常数；LVDT 为线性位移传感器；LC1和LC2分别为阀门开启和关闭速率限制；PT为主蒸汽压力；DT为蒸汽流量；TCH为进汽室时间常数；TRH为再热器时间常数；TCO为交叉管时间常数；FHP、FIP、FLP分别为高压缸、中压缸和低压缸功率比例系数；UT和Tm分别为汽轮机阀门开度和汽轮机机械转矩。