CN103807090B - 一种用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调节系统 - Google Patents

一种用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调节系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调节系统，包括有调节器模型、喷针随动系统模型、折向器随动系统模型、冲击式水轮机模型，其中调节器模型的信号输入端输入发电机频率及发电机电磁功率，喷针随动系统模型及折向器随动系统模型的信号输入端与调节器模型的信号输出端连接，冲击式水轮机模型的信号输入端与喷针随动系统模型及折向器随动系统模型的信号输出端连接，调节器模型根据输入的机组频率信号计算调节器模型的输出，喷针随动系统模型根据调节器模型输入计算喷针开度输出，折向器随动系统模型根据机组频率信号计算折向器模型开度输出，冲击式水轮机模型根据喷针开度输入和折向器开度输入计算冲击式水轮机模型的机械功率输出。本发明结构精细、清晰，模型参数意义明确、易获取，建模过程快捷、高效、精确，实用性强。

Description

一种用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调节系统
技术领域
本发明涉及水力发电及电力系统建模技术领域，具体涉及一种用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调节系统。
背景技术
水力发电是我国最重要的发电方式之一，占到我国电力系统装机容量的20％以上。建立可表征水力发电系统实际特性的水轮机调节系统模型，含水电的电力系统仿真及稳定分析的重要基础，其仿真结果的准确度直接影响电力系统运行和规划中决策的正确性。然而，现有的电力系统分析软件(PSASP、BPA、PSS\E)中，均没有适用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调速系统模型。
目前，国内的电力系统稳定分析软件，如PSASP、PSD-BPA等，均建立了通用的水轮机调节系统模型，该模型主要是针对混流式水轮机调节系统建立的，由机械液压式调速器模型和理想水轮机模型两块构成。其中，理想水轮机模型是在假定水轮机理想无损失且引水系统为刚性模型的条件下得到的，该模型主要针对额定工况下的单调节的混流式水轮机，且未考虑机械功率与喷针开度的非线性关系，模拟暂态稳定下水轮机的机械功率时仿真误差大。机械液压式调速器模型也不适用于现有水轮机广泛采用的数字电液调节器不符。针对现有电力系统仿真软件问题，一些学者研究了混流式水轮机水力系统详细模型及非线性特性对电力系统暂态过程的影响问题，表明水力系统非线性对电力系统稳定分析影响显著。
冲击式水轮机具有高水头、长输水系统、独特的折向器机构及双调节特性，通用的水轮机调节系统模型不适用于表征冲击式水轮机调节系统的动态特性。当前已有的冲击式水轮机模型主要应用于水力系统暂态过程分析，所以该模型过于复杂，不利于模型参数实测，不适用于电力系统稳定分析。因此，亟需提供一种符合实际情况、考虑水力系统非线性及喷针和折向器双调节特性、仿真精度高、建模方便且具有推广应用价值的适用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调节系统模型。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足，提供一种符合实际情况、考虑水力系统非线性及喷针和折向器双调节特性、仿真精度高、建模方便且具有推广应用价值的适用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调节系统。
本发明的上述目的采用如下技术方案来实现的：本发明的用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调节系统，包括有调节器模型、喷针随动系统模型、折向器随动系统模型、冲击式水轮机模型，其中调节器模型的信号输入端输入发电机频率及发电机电磁功率，喷针随动系统模型及折向器随动系统模型的信号输入端与调节器模型的信号输出端连接，冲击式水轮机模型的信号输入端与喷针随动系统模型及折向器随动系统模型的信号输出端连接，调节器模型根据输入的机组频率信号计算调节器模型的输出，喷针随动系统模型根据调节器模型输入计算喷针开度输出，折向器随动系统模型根据机组频率信号计算折向器模型开度输出，冲击式水轮机模型根据喷针开度输入和折向器开度输入计算冲击式水轮机模型的机械功率输出。
上述调节器模型为微机型PID调节器模型。
上述喷针随动系统模型由综合放大环节、电液伺服环节、配压阀及主接力器构成，并考虑主接力器开启/关闭速率限制环节及限幅等非线性环节，其输入为PID调节器输出信号，其输出为喷针开度。
上述折向器随动系统模型由折向器滞环动作信号生成环节、综合放大环节、电液伺服环节、配压阀及主接力器构成，并考虑了折向器主接力器开启/关闭速率限制等，其输入为机组频率，其输出为折向器开度。
上述冲击式水轮机模型由下面3个部分组成：
(1)引水系统采用弹性水击模型，其可表征为
式中，Tw为水流惯性时间常数；Tr为水击相长；
(2)考虑了水轮机流量与机械功率的非线性关系，其利用冲击式水轮机流量与机械功率输出的实测结果，进行3次多项式拟合，其可表征为
Pm＝f(q1)＝a1·q1 3+a2·q1 2+a3·q1+a4
式中，Pm为机械功率输出；q1为进入水斗中做功的有效水流量；a1、a2、a3、a4为三次多项式的系数；
(3)水轮机采用解析非线性模型，其考虑喷针开度输入、折向器开度输入、水轮机流量与机械功率非线性关系及弹性水击模型，输入信号为喷针开度输入和折向器开度输入的双输入，输出为机械功率输出，可表征为
q1＝(q-qnl)yz
式中：q为引水管道中的水流量；h为水轮机净水头；h0为h的稳态初始值；qnl为空载流量；q1为进入水斗中做功的有效水流量。
与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：
(1)本发明的冲击式水轮机调节系统按照实际冲击式水轮机调节系统的结构，采用分环节建模的方法，结构精细、清晰，各组成部分内参数意义明确、易获取；
(2)本发明的冲击式水轮机调节系统中各环节的模型均易于辨识，能够更准确地反映设备的真实状态；建模过程快捷、高效、精确；
(3)本发明的冲击式水轮机调节系统中的水轮机模型，采用考虑了流量与机械功率非线性关系的解析非线性模型，贴近现实，可准确模拟实际动作情况；
(4)本发明的冲击式水轮机调节系统模型适用于电力系统的仿真分析，且建模所需时间短，费用低，实用性强。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
图1为冲击式水轮机调节系统的原理图；
图2为冲击式水轮机PID调速器模型的原理图；
图3为喷针随动系统模型的原理图；
图4为折向器随动系统模型的原理图；
图5为水轮机流量与机械功率的非线性关系；
图6为冲击式水轮机模型的原理图；
图7为正阶跃大扰动喷针开度时喷针随动系统模型开启/关闭方向试验结果；
图8为负阶跃大扰动喷针开度时喷针随动系统模型开启/关闭方向试验结果；
图9为小扰动开启/关闭方向试验的喷针开度时喷针随动系统模型开启/关闭方向试验结果；
图10为水轮机大范围扰动试验时喷针开度实测输入曲线；
图11为水轮机大范围扰动试验时水轮机机械功率输出曲线，图中：1——实测曲线；2——模型3仿真结果；3——模型1仿真结果；
图12为水轮机喷针开度阶跃扰动试验结果，图中，1——实测曲线；2——模型3仿真结果；3——模型1仿真结果；4——模型2仿真结果；
图13为机端线路短路故障仿真时的机械功率变化曲线；
图14为机端线路短路故障仿真时的转子角度摇摆曲线；
图15为机端线路短路故障仿真时的转子角度摇摆曲线局部放大图；
图16为冲击式水轮机100％甩负荷试验时的机组频率变化曲线；
图17为冲击式水轮机100％甩负荷试验时的喷针开度变化曲线；
图18为冲击式水轮机100％甩负荷试验时的折向器开度变化曲线。
图1～18中，ω为机组频率；ωref为频率给定值；yg为喷针开度；yref为喷针开度给定值；Pe为水轮机负荷；Pref为功率给定值；ypid为调速器PID输出；yg为喷针开度；yz为折向器开度；Pm为水轮机机械功率；Kp，Ki，KD和T1v分别为PID调速器比例、积分、微分环节比例系数；Ef为调频死区；bp为调差系数；KP1、KD1、KI1为副环PID控制器的积分、微分和积分环节系数；VELopen和VELclose分别为主接力器开启和关闭速率限制；Ty主接力器时间常数；T2为汽门开度位移传感器时间常数；ygMAX和ygMIN分别为最大和最小汽门开度；ω2为机组超速折向器动作值；ω1为机组机频率恢复正常折向器退出值；Ka和Ta为折向器执行机构放大倍数和主接力器时间常数，VELopen1和VELclose1为主接力器开启/关闭速率限制。
具体实施方式
1.1冲击式水轮机调节系统
一种用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调节系统，由微机型PID调节器模型、喷针随动系统模型、折向器随动系统模型、冲击式水轮机模型组成，其模型框图如图1所示。其中，所述的微机型PID调节器模型根据输入的机组频率信号计算调节器输出，所述的喷针随动系统模型根据调节器输入计算喷针开度输出，所述的折向器及其随动系统模型根据机组频率信号计算折向器开度输出，所述的水轮机模型根据喷针开度输入和折向器开度输入计算水轮机的机械功率输出。
1.2 PID调速器模型
冲击式水轮机有转速、开度、功率三种控制模式。其中，转速控制应用于空载和孤网运行。功率控制模式为功率偏差经过PI运算后，直接转换为流量设定，从而达到调节水轮机输出功率的效果。开度控制模式一般应用于并网运行。本发明也针对开度控制模式。冲击式水轮机PID调速器模型如图2所示。
1.3喷针随动系统模型
现代冲击式水轮机采用数字电液控制的执行机构，由综合放大环节、电液伺服环节、配压阀及主接力器等环节构成。基于现有电力系统仿真程序中水轮机调速系统执行机构模型，并考虑主接力器开启/关闭速率限制环节及限幅等非线性特性后的喷针随动系统模型如图3所示。
1.4折向器随动系统模型
折向器是冲击式水轮机与混流式水轮机最大的差别之一。采用微机调速器的冲击式水轮机的折向器一般按保护机构设计，即避免机组频率过高。当机组转速超过一定值时，通过折向器快速动作，减小进入水轮机水斗的有效流量，从而快速降低水轮机机械功率输出。其随动系统与喷针随动系统类似。考虑到折向器主接力器开启关闭速率限制等，可得到相应的折向器及其随动系统数学模型如图4所示。并网运行时，折向器可脱离协联控制，开至其最大值，在负载变化时折向器就不会截流。
1.5冲击式水轮机模型
(1)引水系统
引水系统中水流量的变化会产生水击现象，并引起水头的变化。考虑水流与引水系统管壁的弹性，忽略它们之间的摩擦，可得到引水系统数学模型为
式中：
Tw为水流惯性时间常数；
Tr为水击相长。
将式(1)按泰勒级数展开，并保留一阶项，可得到简化的弹性水击模型为
若忽略水流及引水管道的弹性，则得到刚性水击模型表示为
G(s)＝-Tws (3)
由于冲击式水轮机一般具有长引水系统，所以引水系统模型采用弹性水击模型，即以式(2)表示。
(2)水轮机流量与机械功率的非线性表述
实测结果表明，水轮机流量与机械功率输出之间并不是线性关系。图5为某冲击式水轮机流量与机械功率输出的实测结果。对其进行3次多项式拟合结果如式(4)所示。
Pm＝f(q1)＝a1·q1 3+a2·q1 2+a3·q1+a4 (4)
式中，a1、a2、a3、a4为三次多项式的系数。
(3)水轮机解析非线性模型
将水轮机流量与开度、水头的关系看成是阀门关系，可得水轮机解析非线性模型如式(5)～(7)所示
q1＝(q-qnl)yz (6)
式中：
q为引水管道中的水流量，与喷针开度存在非线性关系；
h为水轮机净水头；
h0为h的稳态初始值；
qnl为空载流量；
q1为进入水斗中做功的有效水流量。
(4)冲击式水轮机模型
结合式(5)、(6)和(7)，并考虑到喷针开度输入、折向器开度输入、水轮机流量与机械功率非线性关系及采用弹性水击模型，可建立冲击式水轮机模型如图6所示。
2模型验证
2.1喷针随动系统模型验证
(1)喷针开度开启方向大扰动阶跃试验。在t＝5s时，喷针开度给定值由0.02阶跃上升至1，模型输出喷针开度与实测结果如图7所示。
(2)喷针开度关闭方向大扰动阶跃试验。在t＝5s时，喷针开度给定值由1阶跃下降至0.02，模型输出喷针开度与实测结果如图8所示。
(3)喷针开度开启和关闭方向的小扰动阶跃试验，模型输出喷针开度与实测结果如图9所示。
由图9可知，所建立的喷针电液随动系统模型对大扰动和小扰动的开启/关闭方向均能有效模拟其动态过程，具有很高的精度。
2.2冲击式水轮机模型验证
(1)水轮机大范围扰动试验
以某冲击式水轮机实测的喷针导叶开度作为输入(如图10所示)，仿真模型机械功率输出与实测结果对比如图11所示。其中，模型1为考虑水轮机流量与机械功率非线性关系和弹性水击模型的解析非线性水轮机模型；模型2为虑水轮机流量与机械功率非线性关系和刚性水击模型的解析非线性水轮机模型；模型3为PSD-BPA推荐的理想水轮机模型。
由图11可知，模型1仿真结果与实测结果基本一致，能反映水轮机流量与机械功率非线性关系，且比模型2和模型3的仿真结果精度高。
(2)水轮机喷针开度阶跃扰动试验
在喷针开度给定施加阶跃信号，模拟水轮机调节过程，模型1、模型2、模型3仿真结果及与实测结果如图12所示。
由图12可知，模型1和模型2均能较好模拟水轮机稳态过程；对于高水头长引水管道的冲击式水轮机，采用弹性水击引水管道的模型1在水轮机功率调整过程具有较高的精度；模型3(理想水轮机)在稳态过程和功率调整过程中的仿真结果均与实测结果偏离较大。
2.3机端故障试验的模型验证
分别采用上述模型1和模型3(BPA理想水轮机及调速器模型)时，利用电力系统分析综合程序(PSASP)提供的用户自定义模型功能对某电网的暂态过程进行了仿真计算。计算中采用该电网丰大运行方式。水电站有两台60MW冲击式水轮机组，机端母线电压为10.5kV，分别通过升压变压器经两回220kV线路接入主网，其中1号机组停运，2号机组带额定负荷运行。2s时2号机组的机端送出线路发生三相短路故障，0.16s后故障线路切除。仿真结果如图13、14、15所示。
由图13、14、15可知，短路故障下两种水轮机及调速系统模型的转子角度摇摆曲线第一摇摆曲线基本吻合，在后续摆动中有差别，模型1的转子角度摇摆曲线振幅较大；短路故障下两种水轮机及调速系统模型的机械功率变化都不大，模型3(理想水轮机)的最大机械功率变化为0.016(p.u.)，模型1的为0.01(p.u.)；在故障发生后的前期，模型1的机械功率变化幅度较小，但在后期变化幅度相对比较大。本发明所建立的模型1能很好地用于电力系统稳定分析。
2.4机组甩负荷试验的模型验证
在10s时，水轮机甩100％负荷。当频率超过1.1p.u.，折向器动作。机组频率、喷针、折向器变化曲线如图16、17、18所示。
由图16、17、18可知，当冲击式水轮机甩负荷后，由于喷针控制速度较慢，机组频率上升快，达到折向器动作值，折向器迅速减少进入水斗中的有效水流量，机组频率达到峰值(1.15p.u.)后下降，最终稳定在额定转速。冲击式水轮机的折向器起到了类似于火电机组超速保护的功能。仿真曲线与实测曲线对比表明了所建立的折向器随动系统模型的有效性。

Claims (4)

1.一种用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调节系统，其特征在于包括有调节器模型、喷针随动系统模型、折向器随动系统模型、冲击式水轮机模型，其中调节器模型的信号输入端输入发电机频率及发电机电磁功率，喷针随动系统模型及折向器随动系统模型的信号输入端与调节器模型的信号输出端连接，冲击式水轮机模型的信号输入端与喷针随动系统模型及折向器随动系统模型的信号输出端连接，调节器模型根据输入的发电机频率信号计算调节器模型的输出，喷针随动系统模型根据调节器模型输入计算喷针开度输出，折向器随动系统模型根据发电机频率信号计算折向器开度输出，冲击式水轮机模型根据喷针开度输入和折向器开度输入计算冲击式水轮机模型的机械功率输出；
上述冲击式水轮机模型由下面3个部分组成：
(1)引水系统采用弹性水击模型，其可表征为
式中，Tw为水流惯性时间常数；Tr为水击相长；
(2)考虑了水轮机流量与机械功率的非线性关系，其利用冲击式水轮机流量与机械功率输出的实测结果，进行3次多项式拟合，其可表征为
Pm＝f(q1)＝a1·q1 3+a2·q1 2+a3·q1+a4
式中，Pm为机械功率输出；q1为进入水斗中做功的有效水流量；a1、a2、a3、a4为三次多项式的系数；
(3)水轮机采用解析非线性模型，其考虑喷针开度输入、折向器开度输入、水轮机流量与机械功率非线性关系及弹性水击模型，输入信号为喷针开度输入和折向器开度输入的双输入，输出为机械功率输出，可表征为
q1＝(q-qnl)yz
式中：q为引水管道中的水流量；h为水轮机净水头；h0为h的稳态初始值；qnl为空载流量；q1为进入水斗中做功的有效水流量；yg为喷针开度；yz为折向器开度。
2.根据权利要求l所述的用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调节系统，其特征在于上述调节器模型为微机型PID调节器模型。
3.根据权利要求l所述的用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调节系统，其特征在于上述喷针随动系统模型由综合放大环节、电液伺服环节、配压阀及主接力器构成，并考虑主接力器开启/关闭速率限制环节及限幅非线性环节，其输入为PID调节器输出信号，其输出为喷针开度。
4.根据权利要求l所述的用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调节系统，其特征在于上述折向器随动系统模型由折向器滞环动作信号生成环节、综合放大环节、电液伺服环节、配压阀及主接力器构成，并考虑了折向器主接力器开启/关闭速率限制，其输入为发电机频率，其输出为折向器开度。
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