CN105653782A - 基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法，包括以下步骤：搭建单机无穷大数模混合仿真系统；设置实际调速控制柜的参数；仿真实际调速控制柜对数字水轮发电机甩负荷扰动的动态响应。本发明对研究从大电网中脱离出来的孤立电网提供了重要的仿真计算手段，对提高大网转孤网运行的控制策略等技术的研究有重要意义。首次在中国国内通用电力系统仿真平台中实现了发电机甩负荷的仿真能力，提高了中国大电网中长期的数模混合仿真精度。

Description

基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法

技术领域

本发明涉及一种仿真方法，具体涉及一种基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法。

背景技术

近几年来，随着我国电网的飞速发展，一些水轮机调速系统功能卡件质量问题或辅助环节参数设置不当引起得超低频振荡事故时有发生，与此相关的仿真计算方法需求日益提高。我国水轮机调速系统建模技术已经很成熟，在国内电力系统仿真计算中得到广泛的应用。但我国电力系统仿真计算中使用的水轮机调速系统模型是一个高度简化的线性模型，虽然能够基本精确地模拟水轮机调速系统一次调频的响应特性，但水轮机调速控制柜中有许多非线性的辅助环节还没有建立相应的数学模型，因此对于脱离电网以后发电机组的复杂行为，尚无法精确模拟方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法，采用实际调速控制柜模拟仿真的方法弥补了现有技术的不足，对于研究从大网运行方式转为孤网运行方式的机组的动态特性及调速系统控制策略，提供了重要的仿真手段。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：搭建单机无穷大数模混合仿真系统；

步骤2：设置实际调速控制柜的参数；

步骤3：仿真实际调速控制柜对数字水轮发电机甩负荷扰动的动态响应。

所述步骤1中，在ADPSS的电磁暂态环境中搭建单机无穷大数模混合仿真系统；

所述单机无穷大数模混合仿真系统包括数字水轮发电机和数字液压伺服机构。

所述数字水轮发电机的机端电压U_A、U_B、U_C经功率放大器转换为0V～100V的电压信号后，由ADPSS输送给实际调速控制柜；

所述数字水轮发电机的机端电流I_A、I_B、I_C经功率放大器转换为0～1A的电流信号后，由ADPSS输送给实际调速控制柜；

所述数字水轮发电机的有功功率P和导叶开度反馈Y经过经接口转换箱均转换为4～20mA的电流信号后，由ADPSS输送给实际调速控制柜；

所述实际调速控制柜将导叶开度指令输送给数字液压伺服机构，所述导叶开度指令为-10V～10V的电压信号。

所述数字水轮发电机的传递函数G₁(S)表示为：

$G_1\left(S\right)=\frac{1-{\mathrm{ST}}_W}{1+0.5{\mathrm{ST}}_W}=P_M/P_{GV}$

其中，S为传递函数因子，T_W为水锤效应时间常数，P_M为数字水轮发电机机械功率，P_GV为导叶开度指令。

所述数字液压伺服机构接收实际调速控制柜的-10V～10V的电压信号与接力器的位移反馈测量信号的偏差，并将偏差经过综合放大后，作为PID调节器的输入信号；接力器开启时间常数和关闭时间常数分别用T_C和T_O表示；所述接力器的位移反馈测量函数G₂(S)表示为：

$G_2\left(s\right)=\frac{1}{1+T_{2}S}$

其中，T₂为测量时间常数。

所述步骤2中，实际调速控制柜的参数包括PID调节器的比例环节系数、积分环节系数、微分环节系数、永态专差系数b_p和转速调节死区ε。

所述步骤3中，所述数字水轮发电机甩负荷仿真过程中，数字水轮发电机转子运动方程表示为：

$\left\{\begin{array}{c}M\frac{\mathrm{\ω}}{dt}=\mathrm{\Δ}{T}_M-\mathrm{\Δ}{T}_E-D\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\\ \mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{d\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}}{dt}\end{array}\right.$

其中，Δω为数字水轮发电机转子角速度增量，ω₀为数字水轮发电机转子角速度初始值，ΔT_M为数字水轮发电机机械转矩增量，ΔT_E为数字水轮发电机电磁转矩增量，Δδ为数字水轮发电机功角增量，M为数字水轮发电机转动惯量，D为等值阻尼系数。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法，对研究从大电网中脱离出来的孤立电网提供了重要的仿真计算手段，对提高大网转孤网运行的控制策略等技术的研究有重要意义。首次在中国国内通用电力系统仿真平台中实现了发电机甩负荷的仿真能力，提高了中国大电网中长期的数模混合仿真精度。

附图说明

图1是本发明实施例中基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法示意图；

图2是本发明实施例中数字液压伺服机构框图；

图3是本发明实施例中数字水轮发电机并网断路器三相开关闭合逻辑框图；

图4是本发明实施例中数字水轮发电机甩20％额定负荷仿真试验图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：搭建单机无穷大数模混合仿真系统；

步骤2：设置实际调速控制柜的参数；

步骤3：仿真实际调速控制柜对数字水轮发电机甩负荷扰动的动态响应。

所述步骤1中，在ADPSS的电磁暂态环境中搭建单机无穷大数模混合仿真系统；

如图1，所述单机无穷大数模混合仿真系统包括数字水轮发电机和数字液压伺服机构。

所述数字水轮发电机的机端电压U_A、U_B、U_C经功率放大器转换为0V～100V的电压信号后，由ADPSS输送给实际调速控制柜；

所述数字水轮发电机的机端电流I_A、I_B、I_C经功率放大器转换为0～1A的电流信号后，由ADPSS输送给实际调速控制柜；

所述数字水轮发电机的有功功率P和导叶开度反馈Y经过经接口转换箱均转换为4～20mA的电流信号后，由ADPSS输送给实际调速控制柜；

所述实际调速控制柜将导叶开度指令输送给数字液压伺服机构，所述导叶开度指令为-10V～10V的电压信号。

所述数字水轮发电机的传递函数G₁(S)表示为：

$G_1\left(S\right)=\frac{1-{\mathrm{ST}}_W}{1+0.5{\mathrm{ST}}_W}=P_M/P_{GV}$

其中，S为传递函数因子，T_W为水锤效应时间常数，P_M为数字水轮发电机机械功率，P_GV为导叶开度指令。

如图2，所述数字液压伺服机构接收实际调速控制柜的-10V～10V的电压信号与接力器的位移反馈测量信号的偏差，并将偏差经过综合放大后，作为PID调节器的输入信号；K_P、K_D、K_I分别为伺服机构电液转换模块的比例、微分、积分系数，VELopen、VELclose分别为电液转换模块的开启、关闭方向的速率限制，P_MAX、P_MIN分别油动机的最大最小量程，P_CV为导叶开度指令，Y为导叶开度反馈，接力器开启时间常数和关闭时间常数分别用T_C和T_O表示；所述接力器的位移反馈测量函数G₂(S)表示为：

$G_2\left(s\right)=\frac{1}{1+T_{2}S}$

其中，T₂为测量时间常数。

所述步骤2中，实际调速控制柜的参数包括PID调节器的比例环节系数、积分环节系数、微分环节系数、永态专差系数b_p和转速调节死区ε。

所述步骤3中，所述数字水轮发电机甩负荷仿真过程中，数字水轮发电机转子运动方程表示为：

$\left\{\begin{array}{c}M\frac{\mathrm{\ω}}{dt}=\mathrm{\Δ}{T}_M-\mathrm{\Δ}{T}_E-D\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\\ \mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{d\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}}{dt}\end{array}\right.$

其中，Δω为数字水轮发电机转子角速度增量，ω₀为数字水轮发电机转子角速度初始值，ΔT_M为数字水轮发电机机械转矩增量，ΔT_E为数字水轮发电机电磁转矩增量，Δδ为数字水轮发电机功角增量，M为数字水轮发电机转动惯量，D为等值阻尼系数。

图3中，In为开关闭合逻辑的快、开关量输入信号，gain1、gain2、gain3分别为开关A、B、C三相控制逻辑的增益，out1、out2、out3分别为开关A、B、C三相控制逻辑的开关量输出。

依据本发明的实现方法进行发电机组甩负荷试验，图4为某水电站机组20％额定负荷下甩负荷录波图，故障发生后约1.7秒，调速器切换至孤网模式，14.9秒频率上升到53.7Hz，约37秒后频率下降至50.2Hz，此后频率波动范围在±0.25Hz之间。主配位置信号分别来自调速器电柜和机柜的两套115％过速保护，均未出现拒动和误动的现象。

本发明对研究从大电网中脱离出来的孤立电网提供了重要的仿真计算手段，对提高大网转孤网运行的控制策略等技术的研究有重要意义。首次在中国国内通用电力系统仿真平台中实现了发电机甩负荷的仿真能力，提高了中国大电网中长期的数模混合仿真精度。

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 (7)

1.基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：搭建单机无穷大数模混合仿真系统；

步骤2：设置实际调速控制柜的参数；

步骤3：仿真实际调速控制柜对数字水轮发电机甩负荷扰动的动态响应。

2.根据权利要求1所述的基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法，其特征在于：所述步骤1中，在ADPSS的电磁暂态环境中搭建单机无穷大数模混合仿真系统；

所述单机无穷大数模混合仿真系统包括数字水轮发电机和数字液压伺服机构。

3.根据权利要求2所述的基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法，其特征在于：所述数字水轮发电机的机端电压U_A、U_B、U_C经功率放大器转换为0V～100V的电压信号后，由ADPSS输送给实际调速控制柜；

所述数字水轮发电机的机端电流I_A、I_B、I_C经功率放大器转换为0～1A的电流信号后，由ADPSS输送给实际调速控制柜；

所述数字水轮发电机的有功功率P和导叶开度反馈Y经过经接口转换箱均转换为4～20mA的电流信号后，由ADPSS输送给实际调速控制柜；

所述实际调速控制柜将导叶开度指令输送给数字液压伺服机构，所述导叶开度指令为-10V～10V的电压信号。

4.根据权利要求2或3所述的基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法，其特征在于：所述数字水轮发电机的传递函数G₁(S)表示为：

$G_1\left(S\right)=\frac{1-{\mathrm{ST}}_W}{1+0.5{\mathrm{ST}}_W}=P_M/P_{GV}$

其中，S为传递函数因子，T_W为水锤效应时间常数，P_M为数字水轮发电机机械功率，P_GV为导叶开度指令。

5.根据权利要求2或3所述的基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法，其特征在于：所述数字液压伺服机构接收实际调速控制柜的-10V～10V的电压信号与接力器的位移反馈测量信号的偏差，并将偏差经过综合放大后，作为PID调节器的输入信号；接力器开启时间常数和关闭时间常数分别用T_C和T_O表示；所述接力器的位移反馈测量函数G₂(S)表示为：

$G_2\left(s\right)=\frac{1}{1+T_{2}S}$

其中，T₂为测量时间常数。

6.根据权利要求1所述的基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法，其特征在于：所述步骤2中，实际调速控制柜的参数包括PID调节器的比例环节系数、积分环节系数、微分环节系数、永态专差系数b_p和转速调节死区ε。

7.根据权利要求1所述的基于实际调速控制柜的数字水轮发电机甩负荷仿真方法，其特征在于：所述步骤3中，所述数字水轮发电机甩负荷仿真过程中，数字水轮发电机转子运动方程表示为：

$\left\{\begin{array}{c}M\frac{d\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}{dt}=\mathrm{\Δ}{T}_M-\mathrm{\Δ}{T}_E-D\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\\ \mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}={\frac{1}{\mathrm{\ω}}}_0\frac{d\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}}{dt}\end{array}\right.$

其中，Δω为数字水轮发电机转子角速度增量，ω₀为数字水轮发电机转子角速度初始值，ΔT_M为数字水轮发电机机械转矩增量，ΔT_E为数字水轮发电机电磁转矩增量，Δδ为数字水轮发电机功角增量，M为数字水轮发电机转动惯量，D为等值阻尼系数。