基于火电凝结水节流策略的一次调频动态仿真方法和装置与流程

本发明涉及电力系统，尤其涉及一种基于火电凝结水节流策略的一次调频动态仿真方法和装置。

背景技术：

1、火电机组定位转为调节性电源，是新型电力系统多时间尺度调节能力的主要提供者。一次频率是发生扰动（负荷扰动、发电机组功率缺额、新能源功率波动）时通过调整电源功率恢复电网频率的过程。频率控制是保障电力系统安全稳定运行的基础，内部和外部原因决定了火电机组要提升一次调频能力。凝结水节流一次调频策略是一种提高火电机组快速变负荷、从而为电网提供一次调频能力的方法，其原理是降低凝结水进入各级低加的流量，减少汽轮机逐级抽汽进入低加的蒸汽量，相当于利用汽轮机蓄热快速提升汽轮机膨胀功。具体方式包括两种：第一种，减小凝结水泵频率，进入各级低压加热器的流量随之降低，低加凝结水出口温度升高、压力升高，进入低加的抽汽流量降低；第二种，对于抽汽管道上有调节阀的情形，则可以直接调小抽汽流量，但大部分机组抽气管道只有开关阀，不具备调节流量的功能。

2、采用凝结水节流进行一次调频时，电网及电厂都缺乏评估该过程一次调频的动态仿真方法。电网需要掌握该策略下的一次调频能力，才能针对不同扰动预先制订全网参与调频机组的台数。在一次调频仿真方面，电力系统已经具备全面的一次调频暂态仿真模型，包括火电机组调速器系统、锅炉、汽轮机以及水电机组调速器系统与水轮机模型。但是，上述模型主要以高调阀一次调频策略开展的，未将汽轮机与低加之间的抽汽、低加内部蒸汽与凝结水换热的过程考虑进来。所以为了评估凝结水节流策略下一次调频能力，需要建立汽轮机调速器系统-汽轮机-抽汽管道-低压加热器-除氧器等的联合模型。

3、已有的低加换热过程在煤电机组热力系统三维仿真中被考虑过。但是考虑三维模型分布式参数的建模方法需要对大量空间节点的能量守恒、质量守恒、动量守恒方程等逐步数值求解，仿真速度太慢，不能用于电网暂态仿真。因此应当考虑使用一维建模并求解的思路。凝结水节流策略一维的换热模型主要由偏微分方程构成，由于 偏微分方程缺乏统一的解析解法，常用的特征线法是简历两个自变量的函数，将偏微分转换为常微分方程组。但是对初始条件和边界条件要求很高。通常动态换热过程仍需要采用数值方法求解。由于低压加热器中蒸汽和凝结水换热在一分钟时间尺度内的仿真精度直接决定了抽汽流量减少的动态特性，也决定了汽轮机流量和功率动态过程。一次调频精度对电网高精度暂态仿真影响很大。因此，为了提高采用凝结水节流策略时火电一次调频动态特性，需要对原偏微分方程组简化得当，并采用数值解法求解。

4、目前换热器动态特性的主流仿真方法主要包括两类，一类是把发生相变过程的流体看做一个整体，假定整个换热段在空间上的状态参数都相同，由于实际中相变段换热系数远大于过热段和过冷段，显然这种集中参数法误差极大，难以实现准确建模。第二类方法为分布式参数法，考虑空间各点温度差异，较为准确的方法是将换热段划分为过冷、两相、过热三段，并对每段分别离散进行数值求解，但是划分节点过密导致计算速度很长，方程组采用隐式格式尤其难以求解。为了解决上述问题，本发明将移动边界法引入火电凝结水节流调频仿真的动态换热中。移动边界法不考虑三段中离散后各空间节点状态参数差异，而是每段都看做一个整体，但是每段的长度随时间变化，该方法实际考虑了三段的换热系数差异，考虑了各段长度的变化，而未知数又少于对整个换热段离散情况。兼具仿真精度和速度的要求。

5、综上，现有技术存在仿真精度不高、仿真速度太慢的问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于火电凝结水节流策略的一次调频动态仿真方法和装置，用以解决现有技术中仿真精度不高、仿真速度太慢的缺陷，实现精度高、速度快的调频动态仿真。

2、本发明提供一种基于火电凝结水节流策略的一次调频动态仿真方法，应用于火电机组，包括：

3、根据所述火电机组的冷热流体换热过程的抽汽聚集状态，利用移动边界法沿所述冷热流体的流动方向建立蒸汽放热模型和凝结水吸热模型；根据预先构建的抽汽管道的流量特性方程、预先构建的汽轮机流量-功率动态响应方程、所述蒸汽放热模型和所述凝结水吸热模型得到火电机组仿真模型；

4、响应于电压频差超过死区，获取凝结水流量阶跃信号，将所述凝结水流量阶跃信号输入至预先构建的火电机组仿真模型进行仿真计算，得到汽轮机功率增量动态值。

5、根据本发明提供的一种基于火电凝结水节流策略的一次调频动态仿真方法，所述根据所述火电机组的冷热流体换热过程的抽汽聚集状态，利用移动边界法沿所述冷热流体的流动方向建立蒸汽放热模型和凝结水吸热模型，具体包括：

6、根据所述换热过程中冷、热流体沿流动方向的参数变化，将所述换热过程分为过热段、两相段和过冷段，并将所述过热段、两相段和过冷段的长度设置为关于时间的变量；

7、依次构建所述过热段、两相段和过冷段中蒸汽放热的能量守恒、质量守恒和物性方程，得到蒸汽放热模型；依次构建所述过热段、两相段和过冷段中凝结水吸热的能量守恒、质量守恒和物性方程，得到凝结水吸热模型。

8、根据本发明提供的一种基于火电凝结水节流策略的一次调频动态仿真方法，所述将所述凝结水流量阶跃信号输入至预先构建的火电机组仿真模型进行仿真计算，得到汽轮机功率增量动态值，具体包括：

9、获取初始参数；其中，所述初始参数包括抽汽点初始压力、抽汽点初始温度、凝结水进口温度、凝结水进口压力和目标负荷；

10、将所述初始参数输入至所述火电机组仿真模型进行求解，得到稳态参数；

11、将所述稳态参数和所述凝结水流量阶跃信号输入至所述火电机组仿真模型进行迭代求解，得到汽轮机功率增量动态值。

12、根据本发明提供的一种基于火电凝结水节流策略的一次调频动态仿真方法，所述将所述稳态参数和所述凝结水流量阶跃信号输入至所述火电机组仿真模型进行迭代求解，得到汽轮机功率增量动态值，具体包括：

13、s1：将所述稳态参数和所述凝结水流量阶跃信号初值输入至所述火电机组仿真模型，得到初始时刻参数取值；

14、s2：将所述初始时刻参数取值输入至所述火电机组仿真模型，得到目标迭代式；所述目标迭代式包括当前时刻与前一时刻的汽轮机功率迭代方程；

15、s3：设定当前时间步的汽轮机功率为假定值，根据所述假定值对当前求解方程进行求解，将求解结果代入所述过冷段的物性方程进行验证，方程成立则记录所述假定值并跳转步骤s4；方程不成立则根据预先设置的功率值迭代规则更新所述假定值，并重复步骤s3；其中，所述当前求解方程包括所述过热段的蒸汽放热模型和蒸汽放热模型、所述两相段的蒸汽放热模型和蒸汽放热模型，以及所述过冷段的质量守恒与能量守恒方程；

16、s4：将当前时间步加一，重复步骤s3-s4，直至根据所述假定值得到的汽轮机功率曲线满足预设结束条件，根据所述汽轮机功率曲线得到汽轮机功率增量动态值。

17、根据本发明提供的一种基于火电凝结水节流策略的一次调频动态仿真方法，所述蒸汽放热模型包括：

18、过热段：

19、其中，为过热段密度平均值，为过热段流速平均值， τ为时间， x为沿流动方向的距离，为过热段焓值平均值，为过热段压力平均值，为过热段换热系数平均值，为过热段温度平均值，两相段抽汽对应的凝结水段平均温度， d为管径， a为凝结水和抽汽的换热面积，为过热段密度进口值，为过热段流速进口值，为过热段焓值进口值，为过热段压力进口值，为过热段温度进口值；

20、两相段：

21、其中，为两相段密度平均值，为两相段流速平均值， τ为时间， x为沿流动方向的距离，为两相段焓值平均值，为两相段压力平均值，为两相段换热系数平均值，为两相段温度平均值，为过热段抽汽对应的凝结水段平均温度， d为管径， a为凝结水和抽汽的换热面积，为饱和汽的密度值，λ为干度，为饱和水的密度值，为饱和汽焓值；

22、过冷段：

23、其中，为过冷段密度平均值，为过冷段流速平均值， τ为时间， x为沿流动方向的距离，为过冷段焓值平均值，为过冷段压力平均值，为过冷段换热系数平均值，为过冷段温度平均值，为过冷段抽汽对应的凝结水段平均温度， d为管径， a为凝结水和抽汽的换热面积。

24、根据本发明提供的一种基于火电凝结水节流策略的一次调频动态仿真方法，所述凝结水吸热模型包括：

25、

26、其中，为过冷、两相、过热各段抽汽对应的凝结水密度平均值，为过冷、两相、过热各段抽汽对应的凝结水流速平均值， τ为时间， x为沿流动方向的距离，为过冷、两相、过热各段抽汽对应的凝结水换热系数平均值，为过冷、两相、过热各段抽汽对应的凝结水温度平均值，为过冷、两相、过热各段抽汽对应的凝结水比热容平均值，为两相段温度平均值，为过冷段温度平均值，为过热段温度平均值， d为管径， a为凝结水和抽汽的换热面积。

27、本发明还提供一种基于火电凝结水节流策略的一次调频动态仿真装置，应用于火电机组，包括：

28、模型单元，用于根据所述火电机组的冷热流体换热过程的抽汽聚集状态，利用移动边界法沿所述冷热流体的流动方向建立蒸汽放热模型和凝结水吸热模型；根据预先构建的抽汽管道的流量特性方程、预先构建的汽轮机流量-功率动态响应方程、所述蒸汽放热模型和所述凝结水吸热模型得到火电机组仿真模型；

29、仿真单元，用于响应于电压频差超过死区，获取凝结水流量阶跃信号，将所述凝结水流量阶跃信号输入至预先构建的火电机组仿真模型进行仿真计算，得到汽轮机功率增量动态值。

30、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述基于火电凝结水节流策略的一次调频动态仿真方法。

31、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于火电凝结水节流策略的一次调频动态仿真方法。

32、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于火电凝结水节流策略的一次调频动态仿真方法。

33、本发明提供的基于火电凝结水节流策略的一次调频动态仿真方法和装置，通过根据所述火电机组的冷热流体换热过程的抽汽聚集状态，利用移动边界法沿所述冷热流体的流动方向建立蒸汽放热模型和凝结水吸热模型；根据预先构建的抽汽管道的流量特性方程、预先构建的汽轮机流量-功率动态响应方程、所述蒸汽放热模型和所述凝结水吸热模型得到火电机组仿真模型；响应于电压频差超过死区，获取凝结水流量阶跃信号，将所述凝结水流量阶跃信号输入至预先构建的火电机组仿真模型进行仿真计算，得到汽轮机功率增量动态值。本发明利用移动边界法对火电机组的动态换热过程进行建模，且只考虑沿着轴向主流动方向一维建模，兼具快速和精确仿真的优点，实现精度高、速度快的调频动态仿真。