CN105005654B - 一种包含引水系统的调速系统数模混合实时仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种包含引水系统的调速系统数模混合实时仿真方法，包括以下步骤：步骤1：电力系统仿真平台输送模拟量给调速系统；步骤2：所述调速系统输送伺服机构指令给包含引水系统的水轮机；步骤3：水轮机将机械功率输送给电力系统仿真平台，实现数模混合实时仿真。本发明提供的包含引水系统的调速系统数模混合实时仿真方法，采用水轮机及其引水系统和电力系统仿真平台，引水系统可以根据水电厂实际结构进行自定义，解决了引水系统建模困难的问题并大大提高了数模混合仿真规模。

Description

一种包含引水系统的调速系统数模混合实时仿真方法

技术领域

本发明涉及一种仿真方法，具体涉及一种包含引水系统的调速系统数模混合实时仿真方法。

背景技术

随着交直流特高压和750kV系统的发展建设，电网层级增多，直流输电线路增多，电网运行特性更加复杂，局部的源网协调问题容易导致全网性的影响。同时输电网络的高速发展为电源的集约化开发创造了条件，大型火电、水电、核电和可再生能源基地的出现，使电源对电网安全稳定运行的影响更加显著，发电机控制设备的响应特性是影响电源动态行为的主要因素。调速系统是水电厂最重要的控制设备之一，其主要任务是根据不同的命令，相应改变水轮机引水系统(导叶、浆叶或喷嘴)的开度调节过机流量，以使水轮发电机组的转速(或负荷)维持在某一预定值，或按某一预定的规律变化。此外，还可实现对机组的自动开机、停机、事故停机等各种控制功能。调速系统性能的好坏不仅直接影响到机组的安全稳定和经济运行，关系到水电厂的综合自动化水平，而且对电力系统的稳定和供电质量产生很大影响。

在以往的研究中，水力系统、机械系统和电力系统常相互独立地由各个领域中的专家分别研究。这样做的结果是水、机、电系统间的相互影响被不适当地简化，有时甚至被扭曲了。例如在常规的电力系统暂态稳定计算中，水力系统常采用简单、无损输水管道刚性水击和理想水轮机模型表示，由于这种模型过于简单，因而难以准确地反映引水系统动态过程对电力系统暂态稳定的实际影响情况。而在水力系统动态过程研究时，常以独立运行水轮发电机组为研究对象，采用粗略的同步发电机和电网模型，忽略励磁系统的影响，也就是说对水轮机和复杂输水系统模型的研究，通常将水电系统分离开，将电力系统简化来进行研究。因而难以正确反映过渡过程中电力系统对水力系统的影响，据此进行的水力系统参数整定很难保证在全系统中最优。所以建立水电站水力系统各个组成部分的详细数学模型，计及过渡过程中各元件的动态特性，分析水电站的动态过程及其对电力系统稳定计算的影响具有重要的意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种包含引水系统的调速系统数模混合实时仿真方法，采用水轮机及其引水系统和电力系统仿真平台，引水系统可以根据水电厂实际结构进行自定义，解决了引水系统建模困难的问题并大大提高了数模混合仿真规模。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种包含引水系统的调速系统数模混合实时仿真方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：电力系统仿真平台输送模拟量给调速系统；

步骤2：所述调速系统输送伺服机构指令给包含引水系统的水轮机；

步骤3：水轮机将机械功率输送给电力系统仿真平台，实现数模混合实时仿真。

所述步骤1中，电力系统仿真平台输送给调速系统的模拟量包括水轮机的机端电压、水轮机的机端电流、水轮机的有功功率和水轮机的导叶开度反馈。

所述水轮机的机端电压用U_A、U_B、U_C表示，U_A、U_B、U_C经功率放大器转变为0V～100V的电压信号后，由电力系统仿真平台输送给调速系统；

所述水轮机的机端电流用I_A、I_B、I_C表示，I_A、I_B、I_C经功率放大器转变为0～1A的电流信号后，由电力系统仿真平台输送给调速系统；

所述水轮机的有功功率和水轮机的导叶开度反馈分别用P、Y表示，P、Y经接口转换箱转变为4～20mA的电流信号后，由电力系统仿真平台输送给调速系统。

所述步骤2中，调速系统接收水轮机的机端电压、水轮机的机端电流、水轮机的有功功率和水轮机的导叶开度反馈，根据调速系统接收的机端电压频率值与设定的频率参考值相比较，得到频率偏差值，频率偏差值经过PID环节得到伺服机构指令，调速系统将伺服机构指令输送给包含引水系统的水轮机。

所述引水系统的基本方程包括运动方程和连续方程，所述运动方程和连续方程分别表示为：

式(1)和(2)中，g表示重力加速度，f表示Darcy-Weisbach摩擦系数，v表示液体流速，H表示计压水头，D为引水管道断面直径，L表示引水管道的长度，α为管轴与水平线之间的夹角，a为压力波传播速度，x表示从引水管道入水端算起的距离，t表示时间。

所述水轮机为反击式水轮机，主要包括混流式水轮机和轴流式水轮机。

所述混流式水轮机的传递函数表示为：

式(3)中，T_W1为压力管道水流惯性时间常数。

所述轴流式水轮机的传递函数表示为：

G_h(s)＝-T_W2s (4)

式(4)中，T_W2为压力管道水流惯性时间常数。

频率偏差值经过PID环节得到伺服机构指令，具体有：

Δf＝f_ref-f_u (5)

式(5)、(6)中，Δf为频率偏差值，f_ref为设定的频率参考值，f_u为机端电压频率值，PID_out为伺服机构指令，K_P为比例增益，K_D为微分时间常数，K_I为积分时间常数。

所述步骤3中，引水系统根据伺服机构指令控制液压伺服机构中的水流量，从而得到水轮机的机械功率，具体有：

P_h＝9.81QH (7)

式(7)中，P_h为水轮机的机械功率，Q为水流量，H表示计压水头。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)通过采用水轮机及其引水系统电磁暂态模型，解决了现有数模混合仿真技术中没有引水系统模型的问题；

(2)选用ADPSS作为电力系统仿真平台，解决了现有数模混合仿真技术难以实现超大规模电网实时仿真的问题；

(3)可较高精度地仿真水电站的动态过程中引水系统、机械系统和电气系统的全过程，对电力系统稳定计算具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明实施例中包含引水系统的调速系统数模混合实时仿真方法示意图；

图2是本发明实施例中混流式水轮机模型特性曲线图；

图3是本发明实施例中轴流式水轮机模型特性曲线图；

图4是本发明实施例中某水电站机组一次调频仿真与实测对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种包含引水系统的调速系统数模混合实时仿真方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：电力系统仿真平台输送模拟量给调速系统；

步骤2：所述调速系统输送伺服机构指令给包含引水系统的水轮机；

步骤3：水轮机将机械功率输送给电力系统仿真平台，实现数模混合实时仿真。

所述步骤1中，电力系统仿真平台输送给调速系统的模拟量包括水轮机的机端电压、水轮机的机端电流、水轮机的有功功率和水轮机的导叶开度反馈。

所述水轮机的机端电压用U_A、U_B、U_C表示，U_A、U_B、U_C经功率放大器转变为0V～100V的电压信号后，由电力系统仿真平台输送给调速系统；

所述水轮机的机端电流用I_A、I_B、I_C表示，I_A、I_B、I_C经功率放大器转变为0～1A的电流信号后，由电力系统仿真平台输送给调速系统；

所述水轮机的有功功率和水轮机的导叶开度反馈分别用P、Y表示，P、Y经接口转换箱转变为4～20mA的电流信号后，由电力系统仿真平台输送给调速系统。

所述步骤2中，调速系统接收水轮机的机端电压、水轮机的机端电流、水轮机的有功功率和水轮机的导叶开度反馈，根据调速系统接收的机端电压频率值与设定的频率参考值相比较，得到频率偏差值，频率偏差值经过PID环节得到伺服机构指令，调速系统将伺服机构指令输送给包含引水系统的水轮机。

所述引水系统的基本方程包括运动方程和连续方程，所述运动方程和连续方程分别表示为：

式(1)和(2)中，g表示重力加速度，f表示Darcy-Weisbach摩擦系数，v表示液体流速，H表示计压水头，D为引水管道断面直径，L表示引水管道的长度，α为管轴与水平线之间的夹角，a为压力波传播速度，x表示从引水管道入水端算起的距离，t表示时间。

所述水轮机为反击式水轮机，主要包括混流式水轮机和轴流式水轮机。

图2为混流式水轮机模型特性曲线图，a为等开度线，η为等效率线，σ表示等空化系数线，n表示转速，Q表示水流量；

所述混流式水轮机的传递函数表示为：

式(3)中，T_W1为压力管道水流惯性时间常数。

图3为轴流式水轮机模型特性曲线图，a为等开度线，为等叶片转角线，η为等效率线，a为等开度线，n表示转速，Q表示水流量。

所述轴流式水轮机的传递函数表示为：

G_h(s)＝-T_W2s (4)

式(4)中，T_W2为压力管道水流惯性时间常数。

频率偏差值经过PID环节得到伺服机构指令，具体有：

Δf＝f_ref-f_u (5)

式(5)、(6)中，Δf为频率偏差值，f_ref为设定的频率参考值，f_u为机端电压频率值，PID_out为伺服机构指令，K_P为比例增益，K_D为微分时间常数，K_I为积分时间常数。

所述步骤3中，引水系统根据伺服机构指令控制液压伺服机构中的水流量，从而得到水轮机的机械功率，具体有：

P_h＝9.81QH (7)

式(7)中，P_h为水轮机的机械功率，Q为水流量，H表示计压水头。

下面以某实际电网的案例对本发明进行详细说明。仿真平台数据选择国内某区域电网，水轮机调速器安装在该电网中的某台水轮机上。通过与现场实际一次调频录波曲线与实验室同样工况下的仿真曲线进行对比，来检验水轮机调速器模拟装置的仿真精度。试验时的工况为，水轮机有功功率为80％额定工况，调速器工作在开度模式，打开水轮机频率闭环反馈，将频率信号加入调速器频率反馈信号接收点，通过对信号源频率做阶跃的方法，模拟电网频率的波动，记录水轮机调速器控制器PID、伺服机构副环PID、水轮机导叶、发电机有功功率对电网频率波动的响应。设置PID参数如下：K_p＝5，K_i＝9.99，K_d＝0，永态偏差系数b_p＝3％，转速死区设置为0。

1)依据本发明的实现方法进行数模混合实时仿真，将仿真曲线与实测曲线进行对比

图4为某水电站机组一次调频仿真曲线，其中实线为现场实测的一次调频曲线，虚线为实验室仿真曲线。从表1可以看出，仿真曲线与实测曲线较为吻合。

表1

	上升时间(s)	调节时间(s)
			实测曲线	0.52	2.94
仿真曲线	0.49	2.82
			偏差	0.03	0.12
允许偏差	0.1	1.0

2)仿真曲线一次调频指标如图4所示，当电网频率上升0.2Hz后，发电机出力在18.8s秒内下降到95％，36.2秒内达到稳定值，最终调整量为70MW。

3)利用调速器控制装置设置的参数，来计算仿真曲线的精度。

从图4下阶跃响应录波图测试的结果计算b_{P-50％Pe-down}，有：

从仿真计算结果来看，计算值与设计值基本一致，偏差为2.3％，仿真曲线与现场实测曲线基本一致。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种包含引水系统的调速系统数模混合实时仿真方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：电力系统仿真平台输送模拟量给调速系统；

步骤2：所述调速系统输送伺服机构指令给包含引水系统的水轮机；

步骤3：水轮机将机械功率输送给电力系统仿真平台，实现数模混合实时仿真；

所述步骤1中，电力系统仿真平台输送给调速系统的模拟量包括水轮机的机端电压、水轮机的机端电流、水轮机的有功功率和水轮机的导叶开度反馈；

所述水轮机的机端电压用U_A、U_B、U_C表示，U_A、U_B、U_C经功率放大器转变为0V～100V的电压信号后，由电力系统仿真平台输送给调速系统；

所述水轮机的机端电流用I_A、I_B、I_C表示，I_A、I_B、I_C经功率放大器转变为0～1A的电流信号后，由电力系统仿真平台输送给调速系统；

所述水轮机的有功功率和水轮机的导叶开度反馈分别用P、Y表示，P、Y经接口转换箱转变为4～20mA的电流信号后，由电力系统仿真平台输送给调速系统；

所述步骤2中，调速系统接收水轮机的机端电压、水轮机的机端电流、水轮机的有功功率和水轮机的导叶开度反馈，根据调速系统接收的机端电压频率值与设定的频率参考值相比较，得到频率偏差值，频率偏差值经过PID环节得到伺服机构指令，调速系统将伺服机构指令输送给包含引水系统的水轮机；

所述引水系统的基本方程包括运动方程和连续方程，所述运动方程和连续方程分别表示为：

式(1)和(2)中，g表示重力加速度，f表示Darcy-Weisbach摩擦系数，v表示液体流速，H表示计压水头，D为引水管道断面直径，L表示引水管道的长度，α为管轴与水平线之间的夹角，a为压力波传播速度，x表示从引水管道入水端算起的距离，t表示时间；

所述水轮机为反击式水轮机，主要包括混流式水轮机和轴流式水轮机；

所述混流式水轮机的传递函数表示为：

式(3)中，T_W1为压力管道水流惯性时间常数；

所述轴流式水轮机的传递函数表示为：

G_h(s)＝-T_W2s (4)

式(4)中，T_W2为压力管道水流惯性时间常数；

频率偏差值经过PID环节得到伺服机构指令，具体有：

Δf＝f_ref-f_u (5)

式(5)、(6)中，Δf为频率偏差值，f_ref为设定的频率参考值，f_u为机端电压频率值，PID_out为伺服机构指令，K_P为比例增益，K_D为微分时间常数，K_I为积分时间常数；

所述步骤3中，引水系统根据伺服机构指令控制液压伺服机构中的水流量，从而得到水轮机的机械功率，具体有：

P_h＝9.81QH (7)

式(7)中，P_h为水轮机的机械功率，Q为水流量，H表示计压水头。