CN102830352B - 一种现场孤网仿真试验方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种现场孤网仿真试验方法，包括以下步骤：⑴将水轮发电机组主接力器行程、发电机机端输出电压、蜗壳压力、机组频率信号及功率分别接入水轮机调速器和机组同期测试系统；⑵水轮发电机组同主网并列运行，水轮发电机组所带负荷稳定，将现场调速器频率信号输入切换由在线孤网仿真仪频率输出信号提供；⑶设定现场调速器不同的PID参数；⑷在线孤网仿真仪仿真孤网负荷变化，当负荷变化阶跃量为±10％时，录制波形；⑸选出水轮发电机组频率调节稳定性和速动性较优的一组作为孤网运行参数。还公开了实现上述方法的试验系统。本发明可替代真实孤网运行现场试验，省时省力、满足孤网试验条件、确保水电机组频率调节稳定性、保障各电力设备安全。

Description

一种现场孤网仿真试验方法及其系统

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别涉及一种应用于现场试验的孤立电网仿真试验方法，通过在线孤立电网仿真仪进行现场孤网试验，为参与黑启动的水电机组提供孤网运行时调速器参数优化方案，保证水电机组频率调节的稳定性和电力设备的安全；另外，还涉及实现上述方法的系统。

背景技术

孤网是孤立电网的简称，一般泛指脱离大电网的小容量电网。最大单机容量小于电网总容量的8%的电网，可以称为大电网，而机网容量比大于8%的电网，统称为小网，孤立运行的小网，则称为孤网，孤网可分为以下几种情况：⑴网中有几台机组并列运行，单机与电网容量之比超过8%，称为小网；⑵网中只有一台机组供电，成为单机带负荷；⑶用负荷带厂用电，称为孤岛运行工况，是单机带负荷的一种特例。

孤网运行最突出的特点，是由负荷控制转变为频率控制，要求机组调速系统具有符合要求的静态特性、良好的稳定性和动态响应特性，以保证在用户负荷变化的情况下自动保持电网频率的稳定。这就是通常所说的一次调频功能，运行操作人员关注的不再是负荷调整，而是调整孤网频率，使之基本维持在额定频率。这种频率的调整通过操纵机组调速系统的给定机构来完成，称为二次调频。由于孤网容量较小，其中旋转惯量储存的动能和锅炉群所具备的热力势能均较小，要求机组调速系统具有更高的灵敏度、更小的迟缓率和更快的动态响应。

目前，电网中水电机组（水轮发电机组）的启动辅助设备较少，自启动能力强，机组启动快，因此它是电网失电后作为黑启动的首选电源，在无法依靠其它电网送电恢复的条件下，通过具有自启动能力的水电机组带动无自启动能力的机组，逐步扩大系统的恢复范围，最终实现整个系统的恢复。同时水电机组也是常用的一种机组调速系统，当水电机组启动成功后会为局部电网供电，从而形成一个孤立的小电网。如果孤网运行稳定，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，在实际操作中，电网管理部门会根据设备及线路检修安排等，有计划地进行水电机组黑启动以及孤网稳定运行试验。然而，真实孤立电网运行的现场试验，需要电网管理部门、电站、用户共同参与，不仅耗费不少的人力物力，而且还经常由于孤立电网工业用户的原因，出现孤立电网试验条件无法满足要求的情况。

为了解决真实孤立电网运行的现场试验中所出现的上述问题，现有采用建立数学模型的方法，具体而言，首先建立电厂引水系统、水轮机、发电机、调速器、孤立电网负荷等的数学模型，再通过仿真孤立电网的运行特性计算来判断孤网运行的稳定性。但是，真实电厂中的各电力设备与所对应的各数学模型之间在运行参数等方面具有较大差别，而且，各电力设备在运行期间还存在着不断地改进，如果数学模型未经及时修正，根据数学模型计算获得的结果与实际结果会有不小的偏差，因此，采用建立数学模型的方法无法准确评价孤网运行的稳定性，也不能替代真实孤立电网运行的现场试验。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种省时省力、容易实现、可满足孤立电网试验条件要求、确保水电机组频率调节的稳定性、保障各电力设备安全、可替代真实孤立电网运行现场试验的现场孤网仿真试验方法。

本发明的第二个目的在于提供一种实现上述方法的试验系统。

本发明的第一个目的通过如下的技术方案来实现：一种现场孤网仿真试验方法，其特征在于包括以下步骤：

⑴将水轮发电机组的主接力器行程、发电机机端输出电压及水轮发电机组的蜗壳压力分别接入水轮机调速器和机组同期测试系统，水轮发电机组的输出功率分别接入在线孤网仿真仪的有功输入端及水轮机调速器和机组同期测试系统，切换装置的第一输入端与在线孤网仿真仪的频率输出端连接，切换装置的第二输入端与水轮发电机组出口PT端子连接，切换装置的输出端分别连接现场调速器的频率输入端子、水轮机调速器和机组同期测试系统；

⑵启动在线孤网仿真仪，设置仿真仪试验参数，启动待试验的水轮发电机组，水轮发电机组同主网并列运行，待水轮发电机组所带负荷稳定后，将现场调速器频率信号输入切换由在线孤网仿真仪频率输出信号提供；

⑶设定现场调速器不同的PID参数；

⑷在线孤网仿真仪仿真孤网负荷变化，当负荷变化的阶跃量为±10％时（负荷变化为水轮发电机组预定输出功率的±10％），录制水轮发电机组的输出功率、主接力器行程、发电机机端输出电压及在线孤网仿真仪频率输出信号的波形，获得试验结果数据；

⑸从上述步骤⑷所得的试验结果数据中选出水轮发电机组频率调节稳定性和速动性较优的一组作为孤网运行参数。

本发明是采用一种基于“在线孤立电网仿真仪”（在线孤网仿真仪）的中间方法来代替真实孤立电网现场试验。具体是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，经过计算发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，响应频率变化而进行负荷调节以保证孤网的频率稳定。其中，机组调速系统包括水轮机控制设备和被控制对象水轮机、发电机、引水系统所组成的闭环系统。本发明可替代真实孤立电网运行现场试验，而且省时省力、可满足孤立电网试验条件要求、确保水电机组频率调节的稳定性、保障各电力设备安全；与现有建立数学模型的方法相比，能够准确评价孤网运行的稳定性。其中，水轮机调速器和机组同期测试系统是一个现有的测试设备。

作为本发明推荐的实施方式，在所述步骤⑵中，水轮发电机组所带负荷稳定是指负荷变化不超过水轮发电机组预定输出功率的±10％。

作为本发明的一种改进，完成所述步骤⑸后，水轮发电机组在所述孤网运行参数下带电厂厂用电和地区部分用户负荷，通过启停孤网的用电设备，验证水轮发电机组频率调节的稳定性。

在本发明所述步骤⑶中，所述调速器PID参数包括永态转差系数bp、比例增益Kp、积分增益Ki、微分增益Kd及人工频率死区Ef。

在本发明所述步骤⑸中，采用调节时间、超调量及超调次数指标评价所述水轮发电机组频率调节稳定性和速动性。频率调节稳定性和速动性指标较优是指调节时间TP短、超调次数少、超调量小及衰减速度快的那组试验结果数据。

在所述步骤⑷中，负荷变化由水轮发电机组输出功率通过计算，发送出反映孤网频率变化信号，近似计算额定频率附近因功率变化而产生的频率变化数学模型为：

$(T_a+T_b)\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}+(e_g-e_t)\mathrm{\ω}=\mathrm{\ΔP}$     ①

$\mathrm{\Δf}=\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{2\mathrm{\π}}$     ②

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\πn}}{30}$     ③

其中：T_a：水轮发电机组加速度常数；

T_b：负荷加速度常数；

e_g：负荷自调节系数

e_t：水轮机自调节系数；

ω：水轮发电机组转动角速度；

n：水轮发电机组转速；

Δf：水轮发电机组频率变化；

ΔP：额定频率附近的功率变化。

作为本发明的优选方式，在所述步骤⑷中，所获得的试验结果数据至少为六组，即当负荷变化的阶跃量为+10％时，获得至少三组试验结果数据；当负荷变化的阶跃量为-10％时，获得至少三组试验结果数据。试验结果数据的组数越多，可选择的范围越大，准确性越高。

本发明测量水轮发电机组的输出功率，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T_a）；电网负荷的惯性时间常数（负荷加速度常数T_b）；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（e_n），它是负荷自调节系数与水轮机自调节系数之差。因此，考虑到了水力系统真实部件（包括引水系统、水轮机及非线性调速器）的动态影响，与真实电厂的运行情况更为接近。

本发明的第二个目的通过如下的技术方案来实现：一种实现上述方法的试验系统，其特征在于包括调速器和机组同期测试系统、在线孤网仿真仪及切换装置，水轮发电机组的主接力器行程、发电机机端输出电压及水轮发电机组的蜗壳压力分别接入水轮机调速器和机组同期测试系统，水轮发电机组的输出功率分别接入在线孤网仿真仪的有功输入端及水轮机调速器和机组同期测试系统，切换装置的第一输入端与在线孤网仿真仪的频率输出端连接，切换装置的第二输入端与水轮发电机组出口PT端子连接，切换装置的输出端分别接入现场调速器的频率输入端子、水轮机调速器和机组同期测试系统；在线孤网仿真仪模拟孤网的负荷变化，负荷的变化由水轮发电机组输出功率通过计算，发送出反映孤网频率变化信号，现场调速器接收该频率变化信号后，响应该频率变化进行实际孤网的负荷调节。

本发明可以有以下实施方式：

所述切换装置是2通道无电联系的切换开关。

所述现场调速器采用非线性调速器。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

⑴本发明是在真实孤立电网现场试验之前或者作为完全可替代真实孤立电网现场试验，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，由水轮发电机组输出功率通过计算，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调速器，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。

⑵与现有建立数学模型的方式相比，本发明能够准确评价孤网运行的稳定性，与真实孤立电网现场试验比较而言，不仅省时省力、可满足孤立电网试验条件要求，而且确保了水电机组频率调节的稳定性，保障各电力设备安全。

⑶本发明考虑到水力系统真实部件的动态影响（包括引水系统、水轮机及非线性调速器），其中，水轮机自调节系数考虑了水轮机与转速的关系，因此与真实电厂的运行情况更为接近。

⑷本发明的切换装置可实现将调速器频率信号输入切换由水轮发电机组出口PT信号提供或者由在线孤网仿真仪频率输出信号提供，为实现本发明目的提供了前提条件。

⑸本发明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。

⑹本发明在实施时无需减少甚至停止对用户供电，而且多数水电厂对主设备运行方式的调整也不影响本发明的实施，因此，本发明容易满足真正的孤网试验条件，且可定期进行。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的接线示意图；

图2是本发明切换装置的示意图之一；

图3是本发明切换装置的示意图之二。

具体实施方式

如图1～3所示，是本发明一种现场孤网仿真试验方法，具体包括以下步骤：

⑴参见图1，将水轮发电机组的主接力器行程（接力器行程反馈）、蜗壳压力（钢管压力）及发电机机端输出电压信号（定子电压）分别接入水轮机调速器和机组同期测试系统1（分别对应接入导叶主接、自定义输入、导叶），水轮发电机组的输出功率（有功功率）分别接入在线孤网仿真仪2的有功输入端及水轮机调速器和机组同期测试系统1（对应接入桨叶），切换装置3的第一输入端与在线孤网仿真仪2的频率输出端连接，切换装置3的第二输入端与水轮发电机组出口PT端子连接，切换装置3的输出端分别连接现场调速器的频率输入端子（调速器机频输入端子）、水轮机调速器和机组同期测试系统1（对应接入机组频率）；

如图2、3所示，切换装置3是2通道无电联系的切换开关，现场调速器频率信号输入可通过切换开关K1和K2而分别由水轮发电机组出口PT信号提供或者由在线孤网仿真仪频率输出信号提供，水轮机调速器和机组同期测试系统1采用现有的TG2000水轮机调速器和机组同期测试系统，现场调速器为非线性调速器；

⑵启动在线孤网仿真仪，设置在线孤网仿真仪的试验参数，水轮机时间参数Ts；机组自调节系数En；发电机预定试验功率Pr；△P：阶跃功率占预定试验功率Pr的比例，如△P=0.1表示10%的预定试验功率，可输入正或者负，在线孤网仿真仪频率输出信号50Hz，启动待试验的水轮发电机组，水轮发电机组同主网并列运行，待水轮发电机组所带负荷稳定后，K1断开，K2闭合，此时，现场调速器频率信号输入切换由在线孤网仿真仪频率输出信号提供，水轮发电机组所带负荷稳定是指负荷变化不超过水轮发电机组预定输出功率的±10％；

⑶设定现场调速器不同的PID参数，调速器PID参数包括永态转差系数bp、比例增益Kp、积分增益Ki、微分增益Kd及人工频率死区Ef。在本实施例中，人工频率死区Ef＝0.1Hz，永态转差系数bp=6%，选择几组现场调速器并网运行PID参数（比例增益Kp=（3.0、5.0、8.0）、积分增益Ki=（0.3、1.0、2.0）、微分增益Kd=（0.1、0.5、1.0）），设定在线孤网仿真仪的负荷扰动值为当前水轮发电机组实发功率值的±10％；

⑷在线孤网仿真仪仿真孤网负荷变化，当负荷变化的阶跃量分别为±10％时（负荷变化为水轮发电机组预定输出功率的±10％），录制水轮发电机组的主接力器行程、发电机机端输出电压、发电机的输出功率及在线孤网仿真仪频率输出信号的波形，分别获得三组试验结果数据；即当负荷变化的阶跃量为10％时，获得三组试验结果数据，而当负荷变化的阶跃量为-10％时，获得三组试验结果数据；

⑸从上述步骤⑷所得的试验结果数据中选出水轮发电机组频率调节稳定性和速动性较优的一组作为孤网运行参数。采用调节时间、超调量及超调次数指标评价水轮发电机组频率调节稳定性和速动性。频率调节稳定性和速动性指标较优是指：六组试验结果数据相比较而言，是指调节时间TP短、超调次数少、超调量小及衰减速度快的那组试验结果数据。

完成步骤⑸后，水轮发电机组在孤网运行参数下带电厂厂用电和地区部分用户负荷，通过启停孤网的用电设备（如电站的抽水泵、大型风机等），验证水轮发电机组频率调节的稳定性。

本发明是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，经过计算发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现场调速器，现场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。

在步骤⑷中，负荷变化由水轮发电机组输出功率通过计算，发送出反映孤网频率变化信号，近似计算额定频率附近因功率变化而产生的频率变化的数学模型为：

$(T_a+T_b)\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}+(e_g-e_t)\mathrm{\ω}=\mathrm{\ΔP}$     ①

$\mathrm{\Δf}=\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{2\mathrm{\π}}$     ②

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\πn}}{30}$     ③

其中：T_a：水轮发电机组加速度常数（水轮发电机组惯性）；

T_b：负荷加速度常数（负荷惯性，这个常数通常等取为0）；

e_g：负荷自调节系数；

e_t：水轮机自调节系数；

ω：水轮发电机组转动角速度；

n：水轮发电机组转速；

Δf：水轮发电机组频率变化；

ΔP：额定频率附近的功率变化。

测量水轮发电机组的输出功率，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T_a）；电网负荷的惯性时间常数（负荷加速度常数T_b）；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（e_n），它是负荷自调节系数与水轮机自调节系数之差。因此，本发明考虑到了水力系统真实部件（包括引水系统、水轮机及非线性调速器）的动态影响，与真实电厂的运行情况更为接近。

一种实现上述方法的试验系统，包括调速器和机组同期测试系统1、在线孤网仿真仪2和切换装置3，水轮发电机组的主接力器行程、发电机机端输出电压及水轮发电机组的蜗壳压力分别接入水轮机调速器和机组同期测试系统，水轮发电机组的输出功率分别接入在线孤网仿真仪的有功输入端及水轮机调速器和机组同期测试系统，切换装置的第一输入端与在线孤网仿真仪的频率输出端连接，切换装置的第二输入端与水轮发电机组出口PT端子连接，切换装置的输出端分别接入现场调速器的频率输入端子、水轮机调速器和机组同期测试系统；在线孤网仿真仪模拟孤网的负荷变化，负荷的变化由水轮发电机组输出功率通过计算，发送出反映孤网频率变化信号，现场调速器接收该频率变化信号后，响应该频率变化进行实际孤网的负荷调节。

参见图2，切换装置是2通道无电联系的切换开关，切换开关在位置1时，K1闭合，K2断开。调速器频率信号输入由水轮发电机组出口PT信号提供；参见图3，切换开关在位置2时，K1断开，K2闭合，调速器频率信号输入由在线孤网仿真仪频率输出信号提供。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明的切换装置还有其它的实施方式；另外，当负荷变化的阶跃量分别为±10％时，试验结果数据分别至少为三组，组数越多，可选范围越大，准确性越高，因此本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种现场孤网仿真试验方法，其特征在于包括以下步骤：

⑴将水轮发电机组的主接力器行程、发电机机端输出电压及水轮发电机组的蜗壳压力分别接入水轮机调速器和机组同期测试系统，水轮发电机组的输出功率分别接入在线孤网仿真仪的有功输入端及水轮机调速器和机组同期测试系统，切换装置的第一输入端与在线孤网仿真仪的频率输出端连接，切换装置的第二输入端与水轮发电机组出口PT端子连接，切换装置的输出端分别连接现场调速器的频率输入端子、水轮机调速器和机组同期测试系统；

⑵启动在线孤网仿真仪，设置仿真仪试验参数，启动待试验的水轮发电机组，水轮发电机组同主网并列运行，待水轮发电机组所带负荷稳定后，将现场调速器频率信号输入切换由在线孤网仿真仪频率输出信号提供；

⑶设定现场调速器不同的PID参数；

⑷在线孤网仿真仪仿真孤网负荷变化，当负荷变化的阶跃量为±10％时，录制水轮发电机组的输出功率、主接力器行程、发电机机端输出电压及在线孤网仿真仪频率输出信号的波形，获得试验结果数据；负荷变化由水轮发电机组输出功率通过计算，发送出反映孤网频率变化信号，近似计算额定频率附近因功率变化而产生频率变化的数学模型为：

$(T_a+T_b)\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}+(e_g-e_t)\mathrm{\ω}=\mathrm{\ΔP}$        ①

$\mathrm{\Δf}=\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{2\mathrm{\π}}$                         ②

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\πn}}{30}$                        ③

其中：T_a：水轮发电机组加速度常数；

T_b：负荷加速度常数；

e_g：负荷自调节系数；

e_t：水轮机自调节系数；

ω：水轮发电机组转动角速度；

n：水轮发电机组转速；

Δf：水轮发电机组频率变化；

ΔP：额定频率附近的功率变化；

⑸从上述步骤⑷所得的试验结果数据中选出水轮发电机组频率调节稳定性和速动性较优的一组作为孤网运行参数，采用调节时间、超调量及超调次数指标评价所述水轮发电机组频率调节稳定性和速动性，频率调节稳定性和速动性指标较优是指：调节时间短、超调次数少、超调量小及衰减速度快的那组试验结果数据。

2.根据权利要求1所述的现场孤网仿真试验方法，其特征在于：在所述步骤⑵中，水轮发电机组所带负荷稳定是指负荷变化不超过水轮发电机组预定输出功率的±10％。

3.根据权利要求2所述的现场孤网仿真试验方法，其特征在于：完成所述步骤⑸后，水轮发电机组在所述孤网运行参数下带电厂厂用电和地区部分用户负荷，通过启停孤网的用电设备，验证水轮发电机组频率调节的稳定性。

4.根据权利要求3所述的现场孤网仿真试验方法，其特征在于：在所述步骤⑶中，所述调速器PID参数包括永态转差系数bp、比例增益Kp、积分增益Ki、微分增益Kd及人工频率死区Ef。

5.根据权利要求4所述的现场孤网仿真试验方法，其特征在于：在所述步骤⑷中，所获得的试验结果数据至少为六组，即当负荷变化的阶跃量为+10％时，获得至少三组试验结果数据；当负荷变化的阶跃量为—10％时，获得至少三组试验结果数据。