CN102707164A - 一种现场孤网仿真试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用孤网仿真仪来代替实际的孤网，通过现场试验来验证水电机组在孤网条件下的频率调节能力，为水电机组黑启动能力评价提供科学依据的现场孤立电网仿真试验方法：通过现场孤立电网仿真仪，在仿真的孤立电网工况下，优化调速器调节参数；采用一组优化的调节参数，试验验证机组的黑启动能力；试验验证机组孤网运行的频率调节能力；对试验机组的黑启动和孤网运行的频率调节能力进行评价。本发明可解决多数水电厂因涉及主设备运行方式的调整、要减少甚至停止对用户供电等，真正的孤网试验条件难以满足，因而，无法定期进行此类试验的问题。

Description

一种现场孤网仿真试验方法

技术领域

本发明涉及一种应用于输电线路孤网的试验方法，尤其是涉及一种现场的孤立电网仿真试验方法。

技术背景

水电机组启动辅助设备相对少，自启动能力强，机组启动快，因此水电机组一般是电网失电后作为黑启动的首选电源。

当机组启动成功后为局部电网供电，形成一个孤立的小电网-简称孤网。若孤网运行稳定，则容易同主网并列，恢复正常供电，否则系统将会崩溃，造成大面积停电。因此，电网管理部门会根据设备、线路检修安排，有计划地进行机组黑启动以及孤网稳定运行试验。然而，真实的孤立电网现场试验，需要电网管理部门、电站、用户共同参与，耗费不少的人力物力。还经常遇到孤立电网工业用户的原因，孤立电网试验条件无法满足的情况。

因此，人们建立了电厂引水系统、水轮机、发电机、调速器、孤立电网负荷等部件的数学模型，利用计算机来仿真孤立电网的运行特性。

但是，真实电厂与数学模型毕竟不同，数据会存在误差，并且设备在其寿命期间经受着偶然事故和改进，因此在某些情况下数字计算的质量相对地表现出不高。

由于这个原因，在真实的孤立电网现场试验之前或为代替真实孤立电网现场试验，希望能采用一种基于“现场孤立电网仿真试验”的中间方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种现场孤立电网仿真试验方法，借助在线孤立电网仿真仪进行现场孤网试验，为参与黑启动机组提供在孤网运行时的调速器参数优化整定方案，保证机组频率调节的稳定性和设备安全。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种现场孤立电网的仿真试验方法，包括以下步骤：

S1现场将机组出力、机组主接力器行程、发电机机端定子电压、机组蜗壳压力、通过调速器机频信号输入的电网频率信号接入在线孤网仿真仪；

S2启动在线孤立电网仿真仪，设置好仿真仪试验参数，仿真仪频率输出信号50Hz；机组开机并网运行，带预定的负荷，待机组运行稳定后，将机组调速器的机频输入通过频率切换装置切换到在线孤网仿真仪频率输出；

S3 设定不同的调速器PID参数：永态转差系数bp、比例增益Kp、积分增益Ki、微分增益Kd、频率死区Ef；

S4 用在线孤网仿真仪仿真孤网负荷变化：阶跃量为机组实发功率±10%，录制主接力器行程、发电机机端电压、机组蜗壳压力和机组频率、机组发电有功信号波形；

S5 选择从录制的波形计算出来的机组频率调节稳定性和速动性指标：调节时间、超调量、超调次数比较好的一组参数作为孤网运行参数；

S6机组在这组参数下带电站厂用电和地区部分用户负荷，通过起停孤网的用电设备（如电站的抽水泵、大型风机），验证机组频率调节的稳定性。

所述的现场孤立电网仿真仪为：包括依次电连接的功率变换器、第一信号调理模块、A/D转换模块、数字滤波及信号处理计算模块、D/A转换模块、第二信号调理模块和输出接口，所述的数字滤波及信号处理计算模块还外接有显示模块、面板输入模块和通信模块，所述的功率变换器测量发电机的有功出力，输出接口的输出信号作为孤网频率输入机组调速器。

所述的频率切换装置是一种2通道无电联系的切换开关。

所述的在线孤网仿真仪，将机组向孤立负荷供电，负荷的变化引起频率的变化就会从被测量的发电机输出功率通过计算发送出来。然后这个被模拟的频率信号被送至调速器代替实际的电网频率。

试验采用在线孤网仿真仪模拟一个孤网（或一个地区）的负荷变化，经过计算送出反映孤网频率变化信号，然后这个被模拟的频率信号送到机组调速系统，调速器响应频率变化而进行负荷调节以保证孤网的频率稳定。

模拟孤立电网试验允许水轮发电机组与互联电力系统并联运行，并且允许负荷幅值以及负荷特性表达有较大的灵活性。测量发电机向系统的输出功率，而且将该信号积分，产生一个模拟的转速信号。由输出功率测量值与可调整的功率基准值间的差值（功率初始值和试验信号值之和）的积分便得到被模拟的频率。考虑到：

机组惯性（机组加速度常数Ta）；

电网负荷的惯性时间常数（负荷加速度常数Tb）；

频率变化和电压变化引起电网负荷变化的特性系数――自调节系数（en）。

这种在线仿真试验，包括了水力系统真实部件的动态影响，即引水系统，水轮机（为简便起见，它与转速的关系被水轮机自调节系数考虑进去了），非线性的调速器。

有益效果：机组孤网运行频率稳定性是大家所关注主要问题之一。由于采用上述技术方案，本发明为具备黑启动能力水电机组孤网运行调节参数优化提供了一种方法。

附图说明

图1为在线孤网仿真仪的组成结构示意图；

图2为在线孤网仿真仪在线仿真测试孤立电网的连接示意图；

图3为电网在线孤网仿真仪试验接线图；

图4为在线孤网仿真仪启动画面；

图5为在线孤网仿真仪启动画面上选择“Start”后出现的选择菜单画面；

图6为选择“Current Parameter”显示当前试验参数出现画面；

图7为选择“Simulation”准备仿真出现画面。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详细描述。

以广东省南告水电厂3号机组试验为例：

图1所示为本发明的实施例中用到的在线孤网仿真仪的组成结构，图2为在线孤网仿真仪在现场仿真测试孤立电网的连接示意图。

图2表示出基于在线孤立电网仿真测试仪的现场水轮机组测试原理简图（变量均以相对值表示），发电机组以不同的输出功率值（相应于孤立电网运行所希望的不同运行点）与互联电网并列运行。因此机组的转速被电网保持不变，或接近不变。

仿真仪的原理：如果机组向一个孤立负荷供电，表示转速(频率)变化的信号就会从被测量的发电机电气输出功率通过计算发送出来。然后这个被模拟的转速(频率)信号被送至调速器替代实际转速/频率信号。

由输出功率测量值与可调整的功率基准值间的差值（功率初始值和试验信号值之和）的积分便得到被模拟的频率。

考虑到：

机组惯性（机组加速度常数Ta）；

负荷惯性（负荷加速度常数Tb，这个常数通常取值为0）；

被调节系统自调节系数（en），它是负荷自调节系数与水轮机自调节系数之差。

现场仿真中，包括了水力系统真实部件的动态影响，即引水系统，水轮机（为简便起见，它与转速的关系被水轮机自调节系数考虑进去了），和非线性的调速器。

试验接线如图3所示。

本发明的现场仿真试验步骤如下：

S1现场将调速器的频率测量信号通过频率切换装置K1和K2，分别与电网系统提供和在线孤立电网仿真仪连接，将要录制的机组出力、机组主接力器行程、发电机机端电压、机组蜗壳压力、机组频率、机组转速等信号接入在线孤立电网仿真仪－TG2000水轮机调速器和机组同期测试系统；

 S2启动在线孤立电网仿真仪，设置好仿真仪试验参数，仿真仪频率输出信号50Hz，调速器频率测量切换开关K1闭合，K2断开；机组开机带预定负荷并网运行，待机组运行稳定后，K1断开，K2闭合；

S3调速器人工频率死区设为0.1 Hz，永态转差系数bp=6%，参照机组原有PID调节参数，选择若干组调速器PID参数；

S4设定仿真仪负荷扰动值为当前机组实发功率的±10％，按仿真仪在线仿真选择功能，录制波形；

S5挑选一组从录制的波形计算出来的频率调节动态特性较优的PID参数作为孤网运行参数；

S6机组在这组参数下带电站厂用电和地区部分用户负荷，通过起停真实孤网的用电设备（如电站的抽水泵、大型风机），验证机组频率调节的稳定性。

具体试验方式1

现场试验接线如图3所示。TG2000水轮机调速器和同期测试系统主要功能是采集机组频率、主接力器行程、发电机输出功率、引水系统钢管压力等信号。录制孤网负荷扰动调速系统的动态响应波形，选择一组频率动态响应较好的一组PID参数作为机组孤网运行参数。机组在这组参数下带电站厂用电和地区部分用户负荷，通过起停真实孤网的用电设备（如电站的抽水泵、大型风机），验证机组频率调节的稳定性。

试验步骤

1、如图3所示，调速器机频输入切换开关K1闭合，K2断开，调速器的机频输入由系统的PT输入提供，测量的是系统频率；

2、启动在线孤立电网仿真仪；

2.1 系统启动画面如图4；

开启电源，出现启动界面图4，按“Start”。

2.2 选择“Start”出现如图5的选择菜单；

2.3 选择“Current Parameter”输入试验参数，出现如图6画面；

画面中：

Ts：表示水轮机时间参数

En：表示机组自调节系数

△P：表示阶跃功率占当前实发功率的比例，如△P =0.1表示10%当前机组发出的功率值，可输入正或者负

Pr：表示当前发电机输出的功率值

Pfactor：表示功率因子，

测得功率值=采样值*功率因子Pfactor

Plimit：阶跃功率限制值（占实发功率的比例）

Flimit：输出频率限制值，限制输出频率变化范围Hz

StepTo：表示系统从50Hz阶跃到此频率（为减少人为误动作，设置的阶跃频率值在关机后不保存。因此，当需要频率阶跃时，现场需要设置阶跃频率值，且阶跃频率值保持到关机或修改其值）。如果不做频率阶跃试验，就直接设为50Hz

按“Help” 显示接口帮助信息

按“Exit”退出当前画面

3、开机带到预定的实发功率值；

4、确认孤网仿真仪的输出频率值为预定的实发功率，按试验接线图3所示，K1断开、K2闭合，调速器的频率输入信号由孤网仿真仪提供；

5、调速器人工频率死区设为0.1 Hz，永态转差系数bp=6%，选择几组调速器并网运行PID参数；

6、选择“Simulation”准备仿真，出现如图7画面；

在当前画面：

OutputPower：测量当前输出功率OutputPower:

                注：其输出值=（采样值-偏移值）*功率因子Pfactor

MeasureFreq：测量当前系统频率（从仿真仪AC电源获得系统频率）

OutputFreq：系统随阶跃功率变化孤网仿真仪输出的频率

a)     选择“Start”开始仿真：功率阶跃△P，输出频率将随模型变化

b)    选择“Return”表示继续仿真返回阶跃前输出功率，即阶跃回原输出功率

c)     选择“End”表示保持阶跃后的输出功率结束仿真，这时输出频率为50Hz

d)    选择“Help” 显示接口帮助信息

选择“Exit”退出当前画面

7、重复5、6步骤，上下扰动功率阶跃△P，达到挑选一组频率调节性能较优的PID参数的目的。

具体试验方式2

选定一组机组孤网运行PID调节参数后，机组启动带电站厂用电和附近地区负荷。起停孤网中用电设备，录制机组出力和孤网频率的变化波形，验证机组频率调节的稳定性。

本发明的在线孤立电网仿真仪装置已成功应用于广东省汕尾市南告水电厂3号机组黑启动带孤立电网的试验。

Claims (3)

1.一种现场孤立电网的仿真试验方法，其特征是包括以下步骤：

S1现场将机组出力、机组主接力器行程、发电机机端定子电压、机组蜗壳压力、通过调速器机频信号输入的电网频率信号接入在线孤网仿真仪；

S2启动在线孤立电网仿真仪，设置好仿真仪试验参数，仿真仪频率输出信号50Hz；机组开机并网运行，带预定的负荷，待机组运行稳定后，将机组调速器的机频输入通过频率切换装置切换到在线孤网仿真仪频率输出；

S3 设定不同的调速器PID参数：永态转差系数bp、比例增益Kp、积分增益Ki、微分增益Kd、频率死区Ef；

S4 用在线孤网仿真仪仿真孤网负荷变化：阶跃量为机组实发功率±10%，录制主接力器行程、发电机机端电压、机组蜗壳压力和机组频率、机组发电有功信号波形；

S5 选择从录制的波形计算出来的机组频率调节稳定性和速动性指标：调节时间、超调量、超调次数比较好的一组参数作为孤网运行参数；

S6机组在这组参数下带电站厂用电和地区部分用户负荷，通过起停孤网的用电设备，验证机组频率调节的稳定性。

2.根据权利要求1所述的现场孤立电网的仿真试验方法，其特征是：所述的现场孤立电网仿真仪为：包括依次电连接的功率变换器、第一信号调理模块、A/D转换模块、数字滤波及信号处理计算模块、D/A转换模块、第二信号调理模块和输出接口，所述的数字滤波及信号处理计算模块还外接有显示模块、面板输入模块和通信模块，所述的功率变换器测量发电机的有功出力，输出接口的输出信号作为孤网频率输入机组调速器。

3.根据权利要求1所述的现场孤立电网的仿真试验方法，其特征是：所述的频率切换装置是一种2通道无电联系的切换开关。

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