火电快速甩负荷机组动态仿真建模
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）、国网湖北省电力公司电力科学研究院的研究人员廖诗武、曾凯文、姚伟、文劲宇、胡羽川、马龙鹏、方家琨，在2017年第4期《电工技术学报》上撰文指出，快速甩负荷（FCB）技术是一种能够在电网黑启动中发挥关键作用的技术，而FCB机组动态仿真模型是研究FCB技术的基础。
现有常规火电机组模型均无法准确模拟FCB工况的动态特性，为此在分析总结火电机组实现FCB功能所必需的各项技术的基础上，建立了含旁路系统的汽轮机模型以及含FCB功能的原动机调速系统模型，并加入锅炉、电力系统稳定器（PSS）、励磁系统及发电机模型组成含FCB功能的火电机组动态模型。
以台山电厂FCB实验机组为例，通过Matlab/Simulink建立FCB机组的动态仿真模型，其仿真结果与现场实验结果基本一致，说明所建立的FCB机组动态模型能够准确地模拟机组在FCB工况下的动态特性，可为研究FCB机组和大旁路机组及其在电力系统的应用提供模型参考。
近年来，全球发生了多起大面积停电事故，使人民的生产生活遭受了重大损失[1-5]。黑启动是保障电网在大面积停电后快速恢复正常运行的有效措施。普通火电机组由于重启时间长、成本高，使其不仅无法在电网黑启动过程中作为黑启动电源对电网进行供电，而且需要依靠其他外部电源实现重新启动，这大大延长了电网恢复时间，同时也加大了经济损失。
而具有快速甩负荷（Fast Cut Back, FCB）功能的火电机组（FCB机组）在应对外部电网故障时，能够快速甩负荷至仅带厂用电负荷，并保持稳定的孤岛运行状态[6,7]。经过5～10min FCB工况过渡[8]，FCB机组能在电网故障消失后随时并网升负荷，这对电网的快速恢复无疑起到举足轻重的作用，是一种理想的黑启动电源。
目前FCB技术的相关研究主要分为两类：一类主要对FCB机组功能改造及FCB机组实验进行介绍[9-11]；另一类主要探讨了在系统全黑情况下，FCB机组对系统恢复的作用，研究了有FCB机组参与情况下的电力系统黑启动策略[12,13]。这些研究都强调了FCB机组的改造和投运对缩短电力系统的停电时间和减小停电损失的重大意义。
德国近年来建设的百万机组全部具备FCB能力，然而在火力发电占据主导地位的我国却只有少数的火电机组具备FCB功能。因此，深入研究FCB技术、推广FCB机组的建设对我国电力事业的发展具有重要的意义，而能够反映FCB机组运行特性的动态仿真模型是这一研究的基础。
目前，虽然用于分析汽轮机甩负荷以及调门快关的动态模型已经有了一些研究，但是仍缺乏可以用于FCB控制系统设计及现场实验校验的仿真模型。文献[14]中含重要中压调门控制的增强模型计及了中压调门快关对汽轮机动态特性的影响。文献[15]通过建立汽轮机调门快关模型分析了调门快关对防止汽轮机超速的作用。文献[16]则专门针对汽轮机的甩负荷过程改进了汽轮机模型。
但这些模型都没有考虑汽轮机旁路系统对甩负荷过程的影响，也没有建立包含FCB控制的机组控制系统。因此，这些模型均难以正确反映FCB机组在甩负荷过程中的动态特性。
鉴于此，为了正确模拟FCB机组在FCB工况下的动态特性，为FCB控制系统设计及FCB实验提供参考，本文引入旁路系统的动态特s性建立了含旁路的汽轮机动态模型，结合FCB工况的实际物理过程建立了含FCB工况控制的原动机调速系统模型及旁路控制模型，在此基础上加入锅炉、发电机、励磁系统、电力系统稳定器（Power SystemStabilizer, PSS）等环节，建立了完整的FCB机组动态仿真模型，并通过仿真和现场实验结果的对比，验证了所建模型的准确性和有效性。
图1 含旁路系统的汽轮机结构
结论
本文建立了完整的火电FCB机组动态模型，得出主要结论如下：
1）火电机组实现FCB功能所需要的两大关键技术：大容量旁路及其控制系统和适应于FCB工况的原动机调速系统。
2）所建立的火电FCB机组动态模型能够正确模拟在FCB工况下汽轮机转速、功率以及汽轮机内部主汽及蒸汽压力变化情况，为研究FCB机组或其他大旁路机组在电力系统中的应用奠定了基础。
3）大容量旁路系统及含FCB功能的原动机调速系统能够在确保火电机组自身安全的前提下快速甩负荷进入FCB工况，该功能对于减少停电损失、维持电网稳定都具有积极作用。