CN110489824B - 基于时间域分析法的水轮机调节参数优化选择方法 - Google Patents

基于时间域分析法的水轮机调节参数优化选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于时间域分析法的水轮机调节参数优化选择方法，包括如下步骤：S1)根据水锤波反射时间，选择PI或者PID调节规律；S2)根据机组惯性时间常数和压力管水流加速时间常数，由斯坦因经验公式初选调节参数；S3)判断输水发电系统是否属于有闸门井干扰系统，并对调节参数进行初步调整；S4)采用调整后的调节参数进行小波动数值计算，画出转速响应曲线；S5)分析转速响应曲线的形态特征，根据指导原则，进行参数优化，直至得到较好的结果。本发明的优点为：考虑因素全面，优化过程具有指导性，调节参数选择准确。

Description

基于时间域分析法的水轮机调节参数优化选择方法
技术领域
本发明涉及水利水电工程技术领域，具体涉及一种基于时间域分析法的水轮机调节参数优化选择方法。
背景技术
水电站在发电过程中，水轮发电机组的运行稳定性至关重要，确保水电站水力机械系统的运行稳定性及具备良好的调节品质是水电站引水发电系统设计中一项重要内容。
对于水轮机组的运行稳定性及调节品质判断，一般采用理论分析和数值模拟两种方法。理论分析基于状态空间法，可以从理论上对输水发电系统的稳定与否进行判断，但是不能反映调节品质的好坏。数值模拟方法基于时间域分析法，可以反映调节品质，因此在水轮机调节参数优化选择时往往采用时间域分析法。
进行优化选择的水轮机调节参数一般为：缓冲时间常数Td、加速时间常数Tn、暂态转差系数Bt、永态转差系数bp。四个参数中，永态转差系数bp实际上是一个运行参数，因此真正的调节参数是前三个。由于有三个调节参数，参数优化有三个自由度，理论上其组合的可能性很多。实际工程中，调节参数整定的一般方法都是先采用斯坦因公式初步拟定，然后在初拟数值附近随机选取几组调节参数组合，并分别进行小波动过渡过程计算，最后根据计算结果进行择优。
由于缺乏理论指导，现有方法进行水轮机调节参数整定时参数的选择具有很大的随机性和盲目性，且斯坦因公式仅仅反映了机组惯性时间常数Ta和压力管水流加速时间常数Tw这两个参数，未考虑到水击波反射时间、闸门井水面波动等因素对水轮机稳定性的影响，因此具有很大的局限性。
随着水电站布置形式的日益复杂，现有的水轮机调节参数优化选择方法已经难以满足使用要求，因此快速准确优化出合适的水轮机调节参数，对水电站的设计具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑因素全面、优化过程具有指导性、调节参数选择准确的基于时间域分析法的水轮机调节参数优化选择方法。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
基于时间域分析法的水轮机调节参数优化选择方法，包括如下步骤：
S1)根据水锤波反射时间，选择PI或者PID调节规律；
水锤波反射时间Tr的计算公式为：
Tr＝2ΣL/a；
式中，L为分段水管长度，a为分段水管中水锤波波速；
压力管水流加速时间常数Tw的计算公式为：
Tw＝Lv/gHp；
式中，L为管道长度，v为水流流速，g为重力加速度，Hp为机组的额定水头；
当Tr>2.0s时，不管Tw是多少，选择PI调节；
当1.0s<Tr<2.0s且Tw/Tr<0.6时，选择PI调节；
当Tw<0.6s时，不管Tr是多少，选择PI调节；
其余情况，选择PID调节；
S2)根据机组惯性时间常数和压力管水流加速时间常数，由斯坦因经验公式初选调节参数；
机组惯性时间常数Ta的计算公式为：
Ta＝GD2N2/(365Pr)；
式中，GD2为机组转动惯量，N和Pr分别为机组额定转速和额定出力；
对于一个PI型调速器，斯坦因经验公式为：
bt+bp＝2.6Tw/Ta；
Td＝6Tw；
Tn＝0；
对于一个PID型调速器，斯坦因经验公式为：
bt+bp＝1.5Tw/Ta；
Td＝3Tw；
Tn＝0.5Tw；
S3)判断输水发电系统是否属于有闸门井干扰系统，并对调节参数进行初步调整；
若输水系统无闸门井，机组属于“无闸门井干扰的系统”；若输水系统有闸门井，计算出闸门井的水位自然波动频率，如果算出的角频ω高于0.7Rad/s，机组属于“无闸门井干扰的系统”，否则就属于“有闸门井干扰的系统”；
闸门井的水位自然波动频率的计算公式为：
Figure BDA0002149089530000031
式中，ω为闸门井的水位自然波动频率，g为重力加速度，AT为隧洞断面积，LT为隧洞洞长，As为闸门井断面积；
对于“无闸门井干扰的系统”，调节参数调整的原则为：对斯坦因经验公式计算出的参数，如果电站水头高于200m，在公式计算出的bt和Td值上乘以一个1.4的修正系数，加速时间常数Tn不变；
对于“有闸门井干扰的系统”，调节参数调整的原则为：对斯坦因经验公式计算出的参数，将bt值乘一个修正系数2，Td和Tn值乘上一个修正系数1.5，如果算出的Tn值大于2则将Tn值定为2；
S4)采用调整后的调节参数进行小波动数值计算，画出转速响应曲线；
所述数值计算可采用特征线法进行计算；
S5)分析转速响应曲线的形态特征，根据指导原则，进行参数优化，直至得到较好的结果；
所述参数优化bt的调整原则为：如果转速波动次数偏多，但超调量不是特别大，应小幅增大bt值；如果转速波动次数少但转速偏差值过大，回中慢，应小幅减小bt值；
所述参数优化Td的调整原则为：如果超调量偏大，但波动次数不算太多，应小幅增大Td值；如果转速第一次偏离波尚未完全回中就返回向偏离增大方向变化，应小幅减小Td值；
进一步地，步骤S5)中，调节参数好坏的判别指标为最大频率偏差、转速波动次数和调节时间。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明基于时间域分析法的水轮机调节参数优化选择方法，克服了现有技术中斯坦因公式未考虑水锤波反射时间、闸门井水位波动以及调节参数优化选择缺乏指导原则，进而导致调节参数选择不准确、优化过程具有盲目性等问题。本发明考虑因素全面，优化过程具有指导性，调节参数选择准确。
附图说明
图1是本发明基于时间域分析法的水轮机调节参数优化选择方法的流程示意图。
图2是本发明具体算例中采用斯坦因公式得到调节参数小波动计算结果图。
图3是本发明具体算例中调节参数修正之后小波动计算结果图。
图4是本发明具体算例中调节参数优化之后小波动计算结果图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的实施例作进一步详细的描述。
如图1所示，基于时间域分析法的水轮机调节参数优化选择方法，包括如下步骤：
S1)根据水锤波反射时间，选择PI或者PID调节规律；
调速器的常用调节规律有两种：PI调节规律，即比例+积分调节规律；PID调节规律，即比例+积分+微分调节规律；
水锤波反射时间Tr的计算公式为：
Tr＝2ΣL/a；
式中，L为分段水管长度，a为分段水管中水锤波波速；
压力管水流加速时间常数Tw的计算公式为：
Tw＝Lv/gHp；
式中，L为管道长度，v为水流流速，g为重力加速度，Hp为机组的额定水头；
当Tr>2.0s时，不管Tw是多少，选择PI调节；
当1.0s<Tr<2.0s且Tw/Tr<0.6时，选择PI调节；
当Tw<0.6s时，不管Tr是多少，选择PI调节；
其余情况，选择PID调节。
PID调节器比PI调节器多了一个微分环节，即参数Tn，如果令Tn＝0，那么PID调节器就变成了PI调节器。所以在现代调速器中，PI调节器只是PID调节器中Tn＝0时的一个特例。弹性水击波周期偏长时，微分环节的投入会加剧弹性波造成的不利。
S2)根据机组惯性时间常数和压力管水流加速时间常数，由斯坦因经验公式初选调节参数；
机组惯性时间常数Ta的计算公式为：
Ta＝GD2N2/(365Pr)；
式中，GD2为机组转动惯量，N和Pr分别为机组额定转速和额定出力；
对于一个PI型调速器，斯坦因经验公式为：
bt+bp＝2.6Tw/Ta；
Td＝6Tw；
Tn＝0；
对于一个PID型调速器，斯坦因经验公式为：
bt+bp＝1.5Tw/Ta；
Td＝3Tw；
Tn＝0.5Tw。
S3)判断输水发电系统是否属于有闸门井干扰系统，并对调节参数进行初步调整；
若输水系统无闸门井，机组属于“无闸门井干扰的系统”；若输水系统有闸门井，计算出闸门井的水位自然波动频率，如果算出的角频ω高于0.7Rad/s，机组属于“无闸门井干扰的系统”，否则就属于“有闸门井干扰的系统”；
闸门井的水位自然波动频率的计算公式为：
Figure BDA0002149089530000061
式中，ω为闸门井的水位自然波动频率，g为重力加速度，AT为隧洞断面积，LT为隧洞洞长，As为闸门井断面积；
对于“无闸门井干扰的系统”，调节参数调整的原则为：对斯坦因经验公式计算出的参数，如果电站水头高于200m，在公式计算出的bt和Td值上乘以一个1.4的修正系数，加速时间常数Tn不变；
对于“有闸门井干扰的系统”，调节参数调整的原则为：对斯坦因经验公式计算出的参数，将bt值乘一个修正系数2，Td和Tn值乘上一个修正系数1.5，如果算出的Tn值大于2则将Tn值定为2。
S4)采用调整后的调节参数进行小波动数值计算，画出转速响应曲线；
所述数值计算可采用特征线法进行计算。
S5)分析转速响应曲线的形态特征，根据指导原则，进行参数优化，直至得到较好的结果；
所述参数优化bt的调整原则为：如果转速波动次数偏多，但超调量不是特别大，应小幅增大bt值；如果转速波动次数少但转速偏差值过大，回中慢，应小幅减小bt值；
所述参数优化Td的调整原则为：如果超调量偏大，但波动次数不算太多，应小幅增大Td值；如果转速第一次偏离波尚未完全回中就返回向偏离增大方向变化，应小幅减小Td值。
调节参数好坏的判别指标为最大转速偏差率、转速波动次数和调节时间。最大转速偏差率＝最大相对转速偏差/相对负荷扰动量。波动次数的定义为：一个完整的波动周期算一次，一般只需要看调节时间以内的波动次数，调节时间之后的波动峰值在可容忍转速偏差带宽以内可以不计。调节时间的定义为：从扰动的时间点开始到机组转速波动收敛到负荷扰动阶越变化相对量的+4％可容忍偏差带宽以内的时间。
重复步骤S4)～S5)，直至得到较好的结果。
本发明引入具体算例基于某水电站机组调节参数优化选择过程进行说明。
某水电站采用一洞两机的布置形式，输水发电系统包括进水口、引水闸门井、引水隧洞、上游调压井、上游压力管道、尾水管、尾水管延伸段、尾水闸门井、尾水出口。水轮机额定出力610MW，机组额定转速166.7r/min，机组转动惯量76115t，水道参数如下表所示：
表1.水道参数表
Figure BDA0002149089530000071
小波动计算工况：上游正常蓄水位1646m，下游正常蓄水位1333.74m，两台机正常运行，水轮机初始出力612MW，负荷扰动后出力600MW。
按照图1中的步骤，对该电站机组调节参数进行优化选择，过程如下：
1、锦屏二级电站Tw值为机组上游压力管道的Tw值与机组下游水道Tw值之和，经过计算：Tw＝1.39+0.28＝1.67s，机组的惯性时间常数Ta＝9.5s，比值Ta/Tw＝5.69。机组上游侧水击波反射时间Tr＝0.28s(水击波速取1200m/s)，因此选择PID调速器。
2、根据斯坦因公式，初选调节参数为：
bt+bp＝1.5Tw/Ta＝0.26；
Td＝3Tw＝5.01；
Tn＝0.5Tw＝0.84。
采用调整后的调节参数进行小波动数值计算，小波动过渡过程计算采用特征线法，具体计算过程这里不再详述。画出转速响应曲线，如图2所示，可以看出，用这组参数算出的阶越响应曲线相当差，超调量大，波动几乎不收敛，这说明不考虑闸门井的斯坦因修正公式是不合适的。
3、计算闸门井的自然波动频率ω＝(9.81×110.3/317.3/45)0.5＝0.28s；
所以该输水发电系统属于有闸门井干扰系统，对调节参数进行初步调整；
bt+bp＝0.26×2.0＝0.52；
Td＝5.01×1.5＝7.65；
Tn＝0.84×1.5＝1.26。
4、采用调整后的调节参数进行小波动数值计算，小波动过渡过程计算采用特征线法，具体计算过程这里不再详述。画出转速响应曲线，如图3所示。
从图3中可以看出，虽然尾波还存在，但波幅小很多，而且收敛。调节品质相关参数为：最大频率偏差率＝0.5；波动(超出频差带宽)次数＝2.0；调节时间＝50s。
5、分析响应曲线可以看出，初选出来的调节参数应该已经很接近最优化，主要存在的问题是转速尾波收敛缓慢。一般来讲，通过增加参数bt值是可以降低调速器的反应灵敏度，通常可以加快波动的收敛。
所以，调节参数修改为：
bt+bp＝0.60；
Td＝5.01×1.5＝7.65；
Tn＝0.84×1.5＝1.26。
采用调整后的调节参数进行小波动数值计算，小波动过渡过程计算采用特征线法，具体计算过程这里不再详述。画出转速响应曲线，如图4所示。
从图4中可以看出，尾波收敛较快，调节品质相关参数为：最大频率偏差率＝0.502；波动(超出频差带宽)次数＝1.5；调节时间＝30s。调节参数选择比较合适。
上述水电站输水发电系统带有尾水闸门井。本发明所述的一种水轮机调节参数优化选择方法，不仅适用于带有尾水闸门井的水电站，也适用于带引水闸门井的水电站和不带闸门井的水电站，对于后两种情况的水电站，其调节参数优化计算的过程与案例所述一致，这里不再详述。
以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (2)

1.基于时间域分析法的水轮机调节参数优化选择方法，其特征在于包括如下步骤：
S1)根据水锤波反射时间，选择PI或者PID调节规律；
水锤波反射时间Tr的计算公式为：
Tr＝2ΣL/a；
式中，L为分段水管长度，a为分段水管中水锤波波速；
压力管水流加速时间常数Tw的计算公式为：
Tw＝Lv/gHp；
式中，L为管道长度，v为水流流速，g为重力加速度，Hp为机组的额定水头；
当Tr>2.0s时，不管Tw是多少，选择PI调节；
当1.0s<Tr<2.0s且Tw/Tr<0.6时，选择PI调节；
当Tw<0.6s时，不管Tr是多少，选择PI调节；
其余情况，选择PID调节；
S2)根据机组惯性时间常数和压力管水流加速时间常数，由斯坦因经验公式初选调节参数；
机组惯性时间常数Ta的计算公式为：
Ta＝GD2N2/(365Pr)；
式中，GD2为机组转动惯量，N和Pr分别为机组额定转速和额定出力；
对于一个PI型调速器，斯坦因经验公式为：
bt+bp＝2.6Tw/Ta；
Td＝6Tw；
Tn＝0；
对于一个PID型调速器，斯坦因经验公式为：
bt+bp＝1.5Tw/Ta；
Td＝3Tw；
Tn＝0.5Tw；
S3)判断输水发电系统是否属于有闸门井干扰系统，并对调节参数进行初步调整；
若输水系统无闸门井，机组属于“无闸门井干扰的系统”；若输水系统有闸门井，计算出闸门井的水位自然波动频率，如果算出的角频ω高于0.7Rad/s，机组属于“无闸门井干扰的系统”，否则就属于“有闸门井干扰的系统”；
闸门井的水位自然波动频率的计算公式为：
Figure FDA0004134731730000021
式中，ω为闸门井的水位自然波动频率，g为重力加速度，AT为隧洞断面积，LT为隧洞洞长，As为闸门井断面积；
对于“无闸门井干扰的系统”，调节参数调整的原则为：对斯坦因经验公式计算出的参数，如果电站水头高于200m，在公式计算出的bt和Td值上乘以一个1.4的修正系数，加速时间常数Tn不变；
对于“有闸门井干扰的系统”，调节参数调整的原则为：对斯坦因经验公式计算出的参数，将bt值乘一个修正系数2，Td和Tn值乘上一个修正系数1.5，如果算出的Tn值大于2则将Tn值定为2；
S4)采用调整后的调节参数进行小波动数值计算，画出转速响应曲线；
所述数值计算可采用特征线法进行计算；
S5)分析转速响应曲线的形态特征，根据指导原则，进行参数优化，直至得到较好的结果；
所述参数bt的调整原则为：如果转速波动次数偏多，但超调量不是特别大，应小幅增大bt值；如果转速波动次数少但转速偏差值过大，回中慢，应小幅减小bt值；
所述参数Td的调整原则为：如果超调量偏大，但波动次数不算太多，应小幅增大Td值；如果转速第一次偏离波尚未完全回中就返回向偏离增大方向变化，应小幅减小Td值；
2.根据权利要求1所述的基于时间域分析法的水轮机调节参数优化选择方法，其特征在于：
步骤S5)中，调节参数好坏的判别指标为最大频率偏差、转速波动次数和调节时间。
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