CN103488096B - 一种水轮机特性仿真方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统的仿真领域，具体为一种水轮机特性仿真方法及装置。本发明通过输入接力器行程信号和机组转速信号，然后完成信号延迟、增量计算、系数传递、水头计算、流量计算、力矩计算及仿真计算参数的自适应，最后完成水轮机力矩的输出。采用本发明的实现方法，可以方便地根据工况进行传递系数的调整，使该方法具有更好的适应性。

Description

一种水轮机特性仿真方法及装置

技术领域

本发明属于电力系统的仿真领域，具体为一种水轮机特性仿真方法及装置。

背景技术

水轮机是进行水能到机械能转换的装置，是水电站和抽水蓄能电站的重要组成部分。也是构成水轮机调节系统的关键设备之一，在水电机组正常开机、空载运行、并网运行、增减负荷、正常停机等过程中，水轮机的特性对水轮机调节系统的动态性能有着重要的影响。水轮机特性的仿真是水轮机调节系统仿真和电力系统仿真的重要一环。

水轮机特性仿真一般有三种方法：线性水轮机模型、非线性水轮机模型以及理想水轮机模型。非线性水轮机模型能较好的描述水轮机在不同工况下的真实特性，但需进行反复迭代计算，计算工作量大，收敛速度慢，一般用于水电站水力与机械过渡过程的计算，不适用于电力系统的动态仿真。理想水轮机模型不能反映水轮机的特性，实际上不同型号的水轮机，其特性差异甚大。而线性水轮机模型则不能适应工况变化的需要，不能用于电力系统遭受大扰动的情况，甚至不能满足AGC（Automatic Generation Control，即自动发电量控制）调节的需要。为此，需探索水轮机特性新的仿真方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能真实反映水轮机特性的仿真方法与装置。

为实现上述技术目的，本发明提供的方案是：一种水轮机特性仿真方法，包括如下步骤。

步骤一，将水轮机导叶接力器的数值与经延迟后的数值相减，得到水轮机导叶接力器的增量数值；将机组转速数值与经延迟后的数值相减，得到机组转速的增量数值；将水轮机流量数值与经延迟后的数值相减，得到水轮机流量的增量数值。

步骤二，将由步骤一得到的水轮机流量的增量乘以传递系数k1后的值与水轮机导叶接力器的增量乘以传递系数k2后的值相减，然后再减去机组转速的增量乘以传递系数k3后的值，得到水轮机水头增量。

步骤三，将由步骤二得到的水轮机水头增量数值经过水轮机流量计算模块经各积分计算后得到水轮机流量仿真数值。

步骤四，将由步骤一得到的水轮机导叶接力器的增量数值经过传递系数k4，机组转速的增量数值经过传递系数k5后，与由步骤二得到的水轮机水头增量数值经过传递系数k6相加，得到水轮机力矩增量数值，该水轮机力矩增量数值与经延迟后的力矩数值进行迭加得到所需的水轮机力矩仿真数值。

本发明还提供一种使用上述水轮机特性仿真方法的仿真装置，包括水轮机导叶接力器行程输入模块、机组转速输入模块、水轮机力矩输出模块和仿真计算参数适应模块；

水轮机导叶接力器行程输入模块一路经接力器行程信号延迟模块接至接力器行程增量计算模块，另一路直接连至接力器行程增量计算模块；该接力器行程增量计算模块的输出一路经接力器行程水头传递系数接至水轮机水头增量计算模块，另一路经接力器行程力矩传递系数接至水轮机力矩增量计算模块。

机组转速输入模块一路经机组转速信号延迟模块接至机组转速增量计算模块8，另一路直接连至机组转速增量计算模块；该机组转速增量计算模块的输出一路经机组转速水头传递系数接至水轮机水头增量计算模块，另一路经机组转速力矩传递系数接至水轮机力矩增量计算模块。

水轮机水头增量计算模块的输出一路经水轮机水头力矩传递系数接至水轮机力矩增量计算模块，另一路接水轮机流量计算模块；该水轮机流量计算模块的输出一路经水轮机流量信号延迟模块接至水轮机流量增量计算模块，另一路直接连至水轮机流量增量计算模块。

水轮机流量增量计算模块又经水轮机流量水头传递系数接至水轮机水头增量计算模块。

水轮机力矩增量计算模块的输出接到水轮机力矩计算模块。

水轮机力矩计算模块的输出一方面经水轮机力矩信号延迟模块作用于本模块的输入，另一方面经水轮机力矩输出模块将水轮机力矩输出。

本发明具有如下优点与积极效果：1、采用线性化描述水轮机的特性；2、采用适应模块反映水轮机运行工况的改变，使得线性化模型可适用于大波动过渡过程的仿真分析；3、提高了水轮机调节系统动态过程计算速度；4、可用于水轮机调节系统实时仿真与复杂电力系统的仿真。

附图说明

图1是本发明的结构方框图。

图2是本发明实施例一的原理框图。

图3为本发明实施例二的原理框图。

其中，1、水轮机导叶接力器行程输入模块，2、机组转速输入模块，3、接力器行程信号延迟模块，4、机组转速信号延迟模块，5、水轮机流量信号延迟模块，6、水轮机力矩信号延迟模块，7、接力器行程增量计算模块，8、机组转速增量计算模块，9、水轮机流量增量计算模块，10、接力器行程水头传递系数，11、机组转速水头传递系数，12、水轮机流量水头传递系数，13、水轮机水头增量计算模块，14、水轮机流量计算模块，15、接力器行程力矩传递系数，16、机组转速力矩传递系数，17、水轮机水头力矩传递系数，18、水轮机力矩增量计算模块，19、水轮机力矩计算模块，20、水轮机力矩输出模块，21、仿真计算参数适应模块，22、DSP实施模块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

本实施例提供一种水轮机特性仿真方法，包括如下步骤。

步骤一，将水轮机导叶接力器的数值与经延迟后的数值相减，得到水轮机导叶接力器的增量数值；将机组转速数值与经延迟后的数值相减，得到机组转速的增量数值；将水轮机流量数值与经延迟后的数值相减，得到水轮机流量的增量数值。

步骤二，将由步骤一得到的水轮机流量的增量数值经过传递系数k1后与水轮机导叶接力器的增量数值经过传递系数k2后相减，然后再减去机组转速的增量乘以传递系数k3后的值，得到水轮机水头增量。

步骤三，将由步骤二得到的水轮机水头增量数值经过水轮机流量计算模块经各积分计算后得到水轮机流量仿真数值。

步骤四，将由步骤一得到的水轮机导叶接力器的增量数值经过传递系数k4，机组转速的增量数值经过传递系数k5后，与由步骤二得到的水轮机水头增量数值经过传递系数k6相加，得到水轮机力矩增量数值，该水轮机力矩增量数值与经延迟后的力矩数值进行迭加得到所需的水轮机力矩仿真数值。

本仿真的基本原理是计算水轮机的力矩增量与水头增量，

并采用递推计算公式计算水轮机力矩：

其中：为水头增量，为流量增量，为接力器行程增量，为水头增量，为机组转速增量，为水轮机力矩增量；为水轮机流量，为水轮机输出力矩，为前一计算时步的水轮机力矩，为计算步长；为流量水头传递系数，为开度水头传递系数，为转速水头传递系数；为开度力矩传递系数，为转速力矩传递系数，为水头力矩传递系数，为流量积分系数。

本发明还提供一种使用前述水轮机特性仿真方法的仿真装置，如图1和图2所示，包括水轮机导叶接力器行程输入模块1、机组转速输入模块2、水轮机力矩输出模块20和仿真计算参数适应模块21。

水轮机导叶接力器行程输入模块1一路经接力器行程信号延迟模块3接至接力器行程增量计算模块7，另一路直接连至接力器行程增量计算模块7；该接力器行程增量计算模块7的输出一路经接力器行程水头传递系数10接至水轮机水头增量计算模块13，另一路经接力器行程力矩传递系数15接至水轮机力矩增量计算模块18。

机组转速输入模块2一路经机组转速信号延迟模块4接至机组转速增量计算模块8，另一路直接连至机组转速增量计算模块8；该机组转速增量计算模块8的输出一路经机组转速水头传递系数11接至水轮机水头增量计算模块13，另一路经机组转速力矩传递系数16接至水轮机力矩增量计算模块18。

水轮机水头增量计算模块13的输出一路经水轮机水头力矩传递系数17接至水轮机力矩增量计算模块18，另一路接水轮机流量计算模块14；该水轮机流量计算模块14的输出一路经水轮机流量信号延迟模块5接至水轮机流量增量计算模块9，另一路直接连至水轮机流量增量计算模块9。

水轮机流量增量计算模块9又经水轮机流量水头传递系数12接至水轮机水头增量计算模块13。

水轮机力矩增量计算模块18的输出接到水轮机力矩计算模块19。

水轮机力矩计算模块19的输出一方面经水轮机力矩信号延迟模块6作用于本模块的输入，另一方面经水轮机力矩输出模块20将水轮机力矩输出。

水轮机导叶接力器行程输入模块1和机组转速输入模块2的输出同时接至仿真计算参数适应模块21，仿真计算参数适应模块21的输出作用于六个传递系数模块（模块10、11、12和15、16、17），用于根据运行工况的不同实时更改传递系数的值，实现对工况的适应。

上述水轮机导叶接力器行程输入模块1和机组转速输入模块2均由调理电路构成，直接输入外部的电压或电流信号；接力器行程信号延迟模块3、机组转速信号延迟模块4、水轮机流量信号延迟模块5和水轮机力矩信号延迟模块6均由运算放大器（如LM124）和电阻电容构成；接力器行程增量计算模块7、机组转速增量计算模块8、水轮机流量增量计算模块9、水轮机水头增量计算模块13、水轮机流量计算模块14、水轮机力矩增量计算模块18和水轮机力矩计算模块19均由运算放大器（如LM741）构成；接力器行程水头传递系数10、机组转速水头传递系数11、水轮机流量水头传递系数12、接力器行程力矩传递系数15、机组转速力矩传递系数16和水轮机水头力矩传递系数17均通过选取合适的电阻值实现，水轮机力矩输出模块20由信号放大电阻给外部提供电压信号。

本仿真方法可方便地由计算机系统实现，图3给出了基于DSP系统的仿真系统实现，水轮机导叶接力器行程输入模块1和机组转速输入模块2均由调理电路与ADC芯片构成，水轮机力矩输出模块20由DAC芯片与信号放大电路实现。图中，由ADC（水轮机导叶接力器行程输入模块1）完成接力器行程信号的输入、由ADC（机组转速输入模块2）完成机组转速信号的输入，由DSP实施模块22完成信号延迟、增量计算、系数传递、水头计算、流量计算、力矩计算及仿真计算参数的自适应，由DAC（水轮机力矩输出模块20）完成水轮机力矩的输出。采用计算机实现方法，可以方便地根据工况进行传递系数的调整，使该方法具有更好的适应性。

ADC，即Analog to Digital Converter，模拟数字转换器。

DAC，即Digital to Analog Converter，数字模拟转换器。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进或变形，这些改进或变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种水轮机特性仿真装置，其采用的仿真方法包括，步骤一，将水轮机导叶接力器的数值与经延迟后的数值相减，得到水轮机导叶接力器的增量；将机组转速数值与经延迟后的数值相减，得到机组转速的增量；将水轮机流量数值与经延迟后的数值相减，得到水轮机流量的增量；步骤二，将由步骤一得到的水轮机流量的增量乘以传递系数k1后的值与水轮机导叶接力器的增量乘以传递系数k2后相减，然后再减去机组转速的增量乘以传递系数k3后的值，得到水轮机水头增量；步骤三，将由步骤二得到的水轮机水头增量经过水轮机流量计算模块经各积分计算后得到水轮机流量仿真数值；步骤四，将由步骤一得到的水轮机导叶接力器的增量经过传递系数k4，机组转速的增量经过传递系数k5后，与由步骤二得到的水轮机水头增量经过传递系数k6相加，得到水轮机力矩增量，该水轮机力矩增量与经延迟后的力矩数值进行迭加得到所需的水轮机力矩仿真数值，其特征在于：仿真装置包括水轮机导叶接力器行程输入模块、机组转速输入模块、水轮机力矩输出模块和仿真计算参数适应模块；

所述水轮机导叶接力器行程输入模块一路经接力器行程信号延迟模块接至接力器行程增量计算模块，另一路直接连至接力器行程增量计算模块；该接力器行程增量计算模块的输出一路经接力器行程水头传递系数接至水轮机水头增量计算模块，另一路经接力器行程力矩传递系数接至水轮机力矩增量计算模块；

所述机组转速输入模块一路经机组转速信号延迟模块接至机组转速增量计算模块，另一路直接连至机组转速增量计算模块；该机组转速增量计算模块的输出一路经机组转速水头传递系数接至水轮机水头增量计算模块，另一路经机组转速力矩传递系数接至水轮机力矩增量计算模块；

所述水轮机水头增量计算模块的输出一路经水轮机水头力矩传递系数接至水轮机力矩增量计算模块，另一路接水轮机流量计算模块；该水轮机流量计算模块的输出一路经水轮机流量信号延迟模块接至水轮机流量增量计算模块，另一路直接连至水轮机流量增量计算模块；

所述水轮机流量增量计算模块又经水轮机流量水头传递系数接至水轮机水头增量计算模块； 所述水轮机力矩增量计算模块的输出接到水轮机力矩计算模块；

所述水轮机力矩计算模块的输出一方面经水轮机力矩信号延迟模块作用于本模块的输入，另一方面经水轮机力矩输出模块将水轮机力矩输出；

水轮机导叶接力器行程输入模块和机组转速输入模块的输出同时接至仿真计算参数适应模块，仿真计算参数适应模块的输出作用于接力器行程水头传递系数、机组转速水头传递系数、水轮机流量水头传递系数、接力器行程力矩传递系数、机组转速力矩传递系数、水轮机水头力矩传递系数。