CN105065191A - 一种加快高水头水电机组减负荷后系统稳定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加快高水头水电机组减负荷后系统稳定的方法，在传统调速器PID模型的基础上，将调压室的涌浪反馈信号分别引入所述传统调速器PID模型系统中的微分环节、比例环节和积分环节，再进行机组减负荷的过渡过程仿真，最后选取机组减负荷后出力波动较其他方案稳定且超调量小的方案。本发明通过对电站机组非线性模型的仿真，在对比分析调速器模型中加入涌浪反馈对减负荷过程的影响，从而引入调压井涌浪的微分反馈，可加快机组减100%负荷后振荡过程的衰减，有效改善系统的稳定性。

Description

一种加快高水头水电机组减负荷后系统稳定的方法

技术领域

本发明涉及水轮机调节技术，具体涉及一种加快高水头水电机组减负荷后系统稳定的方法。

背景技术

随着电力行业高新技术的发展，对电力系统的稳定性要求也越来越高。水电机组作为电力系统容量的重要组成部分，其稳定性成为保证电力系统安全、经济、高效运行的关键。对于具有长压力引水系统的机组，特别是带有调压井的水力系统，在突然减满负荷的过程中，不能满足电网的调节要求。而且，这种工况下对于调速器的参数需要采取自适应控制的措施，甚至为了保证可靠性，还必须经过仿真计算及现场试验确定。

目前，国内主要从两方面考虑改善系统稳定性：一方面，在励磁系统中引入附加控制可改善系统减负荷的稳定性；另一方面，考虑导叶最佳控制。但是选取的调速器PID(比例积分微分)模型，如图1所示，图中F_g、P_g是机组给定频率和给定出力与额定值的相对值,F_t、P是机组当前时刻频率和出力与额定值的相对值，e_P是永态差值系数，K_P、K_I、K_D分别是调速器的比例、积分、微分系数，T_y为主接力器响应时间常数，T_V为微分滤波时间常数，调速器PID模型输入由机组频率与电网给定频率偏差相对值构成，闭环调节中将被控水轮机组的功率P_g作为反馈值，构成调速器静特性，其中积分项的输入如图1所示，PID输出后经过不灵敏区环节、导叶开限以及液压系统后，输出调速器计算开度。由于长引水系统水流惯性时间系数较大，机组减负荷至零时，导叶迅速关闭，引起水力系统产生水锤压力上升，使机组输出力矩不能立即响应负荷的变化，不能很好的满足电网的要求。

也有学者考虑通过水锤效应的动态补偿，以达到提高系统动态稳定性的目的。基于上述假设，研究设计了水电机组调速器的非线性最优控制器，通过仿真机组减负荷试验得出其有效性的结论。但是所提的方法在目前的调速器上很难实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，通过对带有调压井的高水头机组复杂非线性模型的仿真中引入调压井的涌浪反馈，加快高水头水电机组减满负荷后系统的稳定。

本发明通过以下技术方案实现上述目的。一种加快高水头水电机组减负荷后系统稳定的方法，其特征在于：在传统调速器PID模型的基础上，将调压室的涌浪反馈信号分别引入所述传统调速器PID模型系统中的微分环节、比例环节和积分环节，再进行机组减负荷的过渡过程仿真，最后选取机组减负荷后出力波动较其他方案稳定且超调量小的方案，其步骤如下：

1)在机组减负荷过渡过程仿真中，设定当前时刻为t,则上一时刻为t-Δt，Δt为仿真计算时间步长，已知上一时刻的机组转速为水头为

2)设定所述当前时刻t机组的转速为其中Δx为上一时刻为t-Δt时机组转速增加量；

3)设定所述当前时刻t机组的水头为其中Δh为上一时刻为t-Δt时机组水头增加量；

4)将所述当前时刻t机组的水头、转速带入所述传统调速器PID模型进行计算，得到对应的机组导叶开度y和机组单位转速n₁₁；

5)通过机组综合特性曲线流量表，在导叶开度为y和单位转速为n₁₁的情况下，利用线性插值计算所述当前时刻t的机组单位流量Q₁₁＝f₁(n₁₁,y)，将机组单位流量Q₁₁转换为机组实际流量Q_T；

6)由机组上、下游连接管道节点特征线方程，计算得到机组水头H＝H_U-H_D，其中H_U为上游管道连接点处水头，H_D为下游管道连接点处水头；

7)比较计算得到的所述当前时刻t机组水头H与开始设定的机组水头差值，当满足精度要求时，进行下一步骤8)；否则调整水头增加量Δh，回到步骤3)重新计算；

8)通过机组综合特性曲线力矩表，在导叶开度为y和单位转速为n₁₁的情况下，利用线性插值计算所述当前时刻t的机组单位力矩M₁₁＝f₂(n₁₁,y)，将机组单位力矩转M₁₁换算为机组实际力矩M_T及机组力矩相对偏差值m；

9)通过机组运动方程：求解机组转速N；

式中：T_a为机组惯性时间常数，m为机组出力的相对偏差值，m_g0为负载力矩，e_g为机组自调节系数，x为机组转速偏差值，t是时间系数；

10)比较计算得到的所述当前时刻t机组转速N与开始设定的机组转速差值，当满足精度要求时，进行下一步骤11)；否则调整转速增加量Δx，回到步骤2)重新计算；

11)得到所述当前时刻t机组的转速N和机组水头H，结束。

所述涌浪反馈信号为减负荷时调压井的涌浪与机组稳定时调压井的涌浪的相对偏差值，经过反馈权重e_h引入调速器系统的PID环节。

本发明的有益效果在于通过对高水头水电机组非线性模型的仿真，对比分析传统调速器PID模型中加入涌浪反馈对减负荷过程的影响，从而在传统调速器PID模型中引入调压井涌浪的微分反馈，可加快机组减负荷后振荡过程的衰减，有效改善系统的稳定性。

附图说明

图1是现有技术中传统调速器PID模型示意图；

图2是本发明在传统调速器PID模型中引入涌浪反馈信号至微分环节的示意图；

图3是本发明在传统调速器PID模型中引入涌浪反馈信号至比例环节的示意图；

图4是本发明在传统调速器PID模型中引入涌浪反馈信号至积分环节的示意图；

图5是本发明的流程图；

图6是未加入涌浪反馈的减负荷后1000s内机组涌浪值变化过程仿真图；

图7是未加入涌浪反馈的减负荷后100s内机组涌浪值变化过程仿真图；

图8是微分环节引入涌浪反馈的减负荷后1000s内机组涌浪值变化过程仿真图；

图9是微分环节引入涌浪反馈的减负荷后100s内机组涌浪值变化过程仿真图；

图6至9中：“─”实线表示7#机组减负荷至0的过程中，机组的开度和出力；“┄”虚线表示机组的蜗壳压力变化情况；“++”表示调压井的涌浪变化情况。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

水电机组减负荷后，导叶突然关闭，机组力矩会先增大再减小，这个增大的力矩就是反调功率。而反调功率是由于引水系统水锤效应引起的，如果可以合理的调整导叶开度的关闭速度，就能够将水锤不利影响降至最理想的状况。

参见图2至图5，本发明首先设定当前时刻机组转速和水头，将调压室的涌浪反馈信号分别引入传统调速器PID模型中的微分环节、比例环节和积分环节，再进行机组减负荷的过渡过程仿真，计算得到导叶开度和单位转速，然后利用综合特性曲线插值计算得到流量和力矩，通过特征线方程以及机组运动方程分别求得计算水头和转速，通过双重迭代算法不断循环计算，最后得到机组的转速和水头。

具体步骤如下：

1)在机组减负荷过渡过程仿真中，设定当前时刻为t,则上一时刻为t-Δt，Δt为仿真计算时间步长，已知上一时刻的机组转速为水头为

2)设定所述当前时刻t机组的转速为其中Δx为上一时刻为t-Δt时机组转速增加量；

3)设定所述当前时刻t机组的水头为其中Δh为上一时刻为t-Δt时机组水头增加量；

4)将所述当前时刻t机组的水头、转速带入所述传统调速器PID模型进行计算，得到对应的机组导叶开度y和机组单位转速n₁₁；

5)通过机组综合特性曲线流量表，在导叶开度为y和单位转速为n₁₁的情况下，利用线性插值计算所述当前时刻t的机组单位流量Q₁₁＝f₁(n₁₁,y)，将机组单位流量Q₁₁转换为机组实际流量Q_T；

6)由机组上、下游连接管道节点特征线方程，计算得到机组水头H＝H_U-H_D，其中H_U为上游管道连接点处水头，H_D为下游管道连接点处水头；

7)比较计算得到的所述当前时刻t机组水头H与开始设定的机组水头差值，当满足精度要求时，进行下一步骤8)；否则调整水头增加量Δh，回到步骤3)重新计算；

8)通过机组综合特性曲线力矩表，在导叶开度为y和单位转速为n₁₁的情况下，利用线性插值计算所述当前时刻t的机组单位力矩M₁₁＝f₂(n₁₁,y)，将机组单位力矩转M₁₁换算为机组实际力矩M_T及机组力矩相对偏差值m；

9)通过机组运动方程：求解机组转速N；

式中：T_a为机组惯性时间常数，m为机组出力的相对偏差值，m_g0为负载力矩，e_g为机组自调节系数，x为机组转速偏差值，t是时间系数；

10)比较计算得到的所述当前时刻t机组转速N与开始设定的机组转速差值，当满足精度要求时，进行下一步骤11)；否则调整转速增加量Δx，回到步骤2)重新计算；

11)得到所述当前时刻t机组的转速N和机组水头H，结束。

所述涌浪反馈信号为减负荷时调压井的涌浪与机组稳定时调压井的涌浪的相对偏差值，经过反馈权重e_h引入调速器系统的PID环节。

本发明提到的方法较常规的仿真模型创新之处在于流程第3)步中的调速器的模型，传统的调速器PID模型如图1所示：调速器的输入量为机组转速与给定转速的偏差和机组出力与给定值的偏差。

本发明考虑到水锤是由于球阀、导叶开度变化引起水流变化导致的剧烈变化，那么合理的调整导叶的关闭规律，理论上就可以将水锤的影响降至最低。参考借鉴《水电站机组稳定与控制》中理论思想，研究利用调压室涌浪反馈改善机组减负荷后的系统稳定性。

为抑制引水系统对水电机组造成的“反调功率”，在传统调速器PID模型中的比例、积分、微分环节分别引入调压室的涌浪反馈信号进行模拟仿真，对应的调速器PID模型定义为新型调速器PID模型：

1)引入调压井的涌浪反馈信号至传统调速器PID模型的微分环节，如图2所示，即将调压井的涌浪反馈信号经过权重计算引入传统调速器PID模型的微分环节，参与调节。

2)引入调压井的涌浪反馈信号至传统调速器PID模型的比例环节，如图3所示，即将调压井的涌浪反馈信号经过权重计算引入传统调速器PID模型的比例环节，参与调节。

3)引入调压井的涌浪反馈信号至传统调速器PID模型的积分环节，如图4所示，即将调压井的涌浪反馈信号经过权重计算引入传统调速器PID模型的积分环节，参与调节。

通过分别将上述三种新型调速器PID模型引入机组减负荷模型进行仿真计算，发现引入调压室涌浪反馈信号至传统调速器PID模型比例环节，机组调节速度加快，但是机组出力的超调量很大，不利于机组减负荷后系统的稳定。当引入调压室涌浪反馈信号至传统调速器PID模型积分环节时，减负荷机组的出力的超调量很小，但是机组减负荷后稳定调节时间较长，也不利于机组减负荷后的系统稳定。而当引入调压室涌浪反馈信号至传统调速器PID模型微分环节时，机组减负荷后系统能够很快的稳定下来，较好的满足了对系统稳定性的要求。由此可见在传统调速器PID模型中引入调压井涌浪的微分反馈，可加快机组减负荷后振荡过程的衰减，有效改善系统的稳定性。图2、3、4中e_h为涌浪信号的反馈权重，可以通过仿真计算得到最优的权重值，本发明采取的模型权重值按e_h＝5进行仿真。

实施例：按照本发明的方法，通过对某电站的同一水力单元的7#、8#机组非线性模型的仿真，对比分析调速器模型微分环节中加入涌浪反馈对减负荷过程的影响。

1)仿真条件：

a)上游为死水水位1640m,下游水位1328.0m；

b)同一水力单元的7#、8#机组带80％额定负荷稳定运行，PID参数为Kp＝10、Ki＝1.5、Kd＝3.5。

c)调压井的涌浪反馈引入传统调速器PID模型中的微分环节，权重值取e_h＝5。

2)仿真内容：

7#机所带负荷由80％减到0％，8#机带80％负荷稳定运行。对比分析在传统调速器PID模型的微分环节引入涌浪反馈和不引入涌浪反馈，对7#机组减负荷过渡过程的影响。

3)仿真结果分析：

图6、图8分别为在传统调速器PID模型的微分环节引入涌浪反馈和不引入涌浪反馈的仿真结果，从中选取了减负荷后1000s内机组蜗壳压力、导叶开度、出力、调压井的涌浪值变化情况，而图7、图9则分别应对选取了减负荷后特性参数变化明显的100s时间。

从仿真图中可以很直观看出引入调压井的涌浪反馈至微分环节，可以加快机组减负荷后系统的稳定。

对仿真结果进行量化分析，形成仿真综合数据对比表如下：

从上表可知：对于减负荷的工况，加入涌浪反馈后，7#机组的调节时间减小40.1s，且7#机的超调量基本不变，对8#机的影响较小。仿真结果表明：引入调压井涌浪的微分反馈可加快机组减负荷后振荡过程的衰减，能有效改善系统的稳定性。

Claims (2)

1.一种加快高水头水电机组减负荷后系统稳定的方法，其特征在于：在传统调速器PID模型的基础上，将调压室的涌浪反馈信号分别引入所述传统调速器PID模型系统中的微分环节、比例环节和积分环节，再进行机组减负荷的过渡过程仿真，最后选取机组减负荷后出力波动较其他方案稳定且超调量小的方案，其步骤如下：

1)在机组减负荷过渡过程仿真中，设定当前时刻为t,则上一时刻为t-Δt，Δt为仿真计算时间步长，已知上一时刻的机组转速为水头为

2)设定所述当前时刻t机组的转速为其中Δx为上一时刻为t-Δt时机组转速增加量；

3)设定所述当前时刻t机组的水头为其中Δh为上一时刻为t-Δt时机组水头增加量；

4)将所述当前时刻t机组的水头、转速带入所述传统调速器PID模型进行计算，得到对应的机组导叶开度y和机组单位转速n₁₁；

5)通过机组综合特性曲线流量表，在导叶开度为y和单位转速为n₁₁的情况下，利用线性插值计算所述当前时刻t的机组单位流量Q₁₁＝f₁(n₁₁,y)，将机组单位流量Q₁₁转换为机组实际流量Q_T；

6)由机组上、下游连接管道节点特征线方程，计算得到机组水头H＝H_U-H_D，其中H_U为上游管道连接点处水头，H_D为下游管道连接点处水头；

7)比较计算得到的所述当前时刻t机组水头H与开始设定的机组水头差值，当满足精度要求时，进行下一步骤8)；否则调整水头增加量Δh，回到步骤3)重新计算；

8)通过机组综合特性曲线力矩表，在导叶开度为y和单位转速为n₁₁的情况下，利用线性插值计算所述当前时刻t的机组单位力矩M₁₁＝f₂(n₁₁,y)，将机组单位力矩转M₁₁换为机组实际力矩M_T及机组力矩相对偏差值m；

9)通过机组运动方程：求解机组转速N；

式中：T_a为机组惯性时间常数，m为机组出力的相对偏差值，m_g0为负载力矩，e_g为机组自调节系数，x为机组转速偏差值，t是时间系数；

10)比较计算得到的所述当前时刻t机组转速N与开始设定的机组转速差值，当满足精度要求时，进行下一步骤11)；否则调整转速增加量Δx，回到步骤2)重新计算；

11)得到所述当前时刻t机组的转速N和机组水头H，结束。

2.根据权利要求1所述的加快高水头水电机组减负荷后系统稳定的方法，其特征在于：所述涌浪反馈信号为减负荷时调压井的涌浪与机组稳定时调压井的涌浪的相对偏差值，经过反馈权重e_h引入调速器系统的PID环节。