CN110966136A - 一种水电机组的超低频振荡控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电力系统技术领域的一种水电机组的超低频振荡控制方法,包括步骤一,建立全系统水机电耦合模型;步骤二,以水电机组发电水头为模型小扰动信号,采用特征线法计算仿真分析其对水轮机输出转矩的影响;步骤三,根据所建立的全系统水机电耦合模型分析其对水电机组超低频震荡的作用机理及作用规律;步骤四,以水轮机水门开度为模型小扰动信号,通过水门开度对发电流量及发电水头的影响,仿真分析水门开度对水电机组超低频振荡的影响机理及作用规律;以水电机组发电水头为模型小扰动信号,采用特征线法计算仿真分析其对水轮机输出转矩的影响,进而根据所建立的全系统水机电耦合模型分析其对水电机组超低频振荡的作用机理及作用规律。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域,具体为一种水电机组的超低频振荡控制方法。
背景技术
近年来,直流孤岛送出系统中陆续出现了振荡频率低于0.1Hz的超低频振荡现象,严重危害电网的安全稳定运行。在云南异步联网试验过程中,电网出现了振荡频率约0.05Hz的持续超低频振荡现象。内锅在藏中电网、锦苏直流孤岛运行时也出现过类似问题。均是在水电机组占比大、小电网孤网运行或直流孤岛运行方式下出现的超低频振荡现象。国外在上世纪加拿大BC水电局有部分基础研究,在简单电网上进行实验、建模、仿真,总结了部分经验。
为了保障电网的安全稳定运行,对系统中出现的超低频振荡进行振荡特性分析及控制具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水电机组的超低频振荡控制方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种水电机组的超低频振荡控制方法,包括以下具体实施步骤:
步骤一,建立全系统水机电耦合模型;
步骤二,以水电机组发电水头为模型小扰动信号,采用特征线法计算仿真分析其对水轮机输出转矩的影响;
步骤三,根据所建立的全系统水机电耦合模型分析其对水电机组超低频震荡的作用机理及作用规律;
步骤四,以水轮机水门开度为模型小扰动信号,通过水门开度对发电流量及发电水头的影响,仿真分析水门开度对水电机组超低频振荡的影响机理及作用规律;
步骤五,采用模式分析法、阻尼转矩分析法进行超低频振荡抑制策略研究。
优选的,在步骤一中,水机电整体系统模型的建立包括以下具体实施方法如下:
步骤一,分别建立水利系统、水轮机、发电机、调速系统、励磁系统及输电线路的数学模型;
步骤二,采用状态方程组X=Ax+Bu来描述水轮机控制系统,其中矩阵A主要描述控制系统的基本性能,矩阵A与水机电系统的结构及相关参数有关;
步骤三,根据建立的水机电系统的数学模型,构建水机电系统各环节的MATLAB仿真元件;
步骤四,连接各环节的MATLAB仿真元件,建立单机无穷大系统的水机电整体耦合系统模型。
优选的,在步骤二中,特征线法计算分析水电机组发电水头对水轮机输出转矩的影响的具体实施方法如下:
步骤一,按库朗条件取时间步长:
式中:
Δt——时间步长,
Δx——引水管道步长,
a——水击波速;
步骤二,
D.压力管路为弹性管壁,管内流体不可压缩,
E.采用一元流理论,同一断面各点流速相等,
F.采用稳态的摩阻损失计算公式;
步骤三,由流体的连续方程和运行方程得特征线法数值模拟方程为:
式中:
H——工作龙头,
Q——流量,
A——管道截面积,
a——水击波速,
t——时间变量,
g——重力加速度,
f——沿程摩阻系数,
x——沿管道轴线位移;
向上传播采用C-方程,向下传播采用C+方程;
步骤四,变径段按当量均匀管段模拟,即取相同时间步长Δt,ΔL由
式中:
A——管路截面积,其它符号同前;
步骤五,各水头下导叶关闭过程中,流量的变化按直线和曲线等不同规律进行模拟,流量方程如下:
式中:
Q0——甩负荷流量,
t——导叶关闭过程中的某一时刻,
em——模拟指数;
步骤六主要参数N、H、η由综合特性曲线或运转特性曲线查取计算:
综合特性曲线中:
运转特性曲线中:
式中:
n——机组转速,
D——转轮直径,
H——工作水头,
Q——机组流量,
η——水轮机效率,
n’1——单位转速,
Q’1——单位流量,
N——水轮机功率。
优选的,在步骤三中,采用机理建模的方法得到Laplace传递函数;
接力器的简化模型为:
式中:
y——水门开度,
u——发电机组的控制量,
Ty——接力器缓冲时间常数,
发电机运动方程简化模型为:
式中:
ν——实际转速,
Ta——发电机惯性时间常数,
lb——发电机负荷自调节系数。
优选的,在步骤五中,建立包含调速器控制系统的Phillips-Heffron模型,采用阻尼转矩法分析电力系统稳定器GPSS抑制超频振荡。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明方法在水电机组超低频振荡机理模型基础上,一方面以水电机组发电水头为模型小扰动信号,采用特征线法计算仿真分析其对水轮机输出转矩的影响,进而根据所建立的全系统水机电耦合模型分析其对水电机组超低频振荡的作用机理及作用规律,在此基础上采用模式分析法、阻尼转矩分析法进行超低频振荡抑制策略研究;另一方面,采用水轮机水门开度为模型小扰动信号,水门开度的变化会影响到发电流量及发电水头的变化,从而可以仿真分析水门开度对水电机组超低频振荡的影响机理及作用规律,为更好地分析研究水轮机调节系统控制策略奠定坚实基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明含有调速器控制系统的Phillips-Heffron模型;
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例一
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1,本发明提供一种技术方案:一种水电机组的超低频振荡控制方法,包括以下具体实施步骤:
步骤一,建立全系统水机电耦合模型;
步骤二,以水电机组发电水头为模型小扰动信号,采用特征线法计算仿真分析其对水轮机输出转矩的影响;
步骤三,根据所建立的全系统水机电耦合模型分析其对水电机组超低频震荡的作用机理及作用规律;
步骤四,以水轮机水门开度为模型小扰动信号,通过水门开度对发电流量及发电水头的影响,仿真分析水门开度对水电机组超低频振荡的影响机理及作用规律;
步骤五,采用模式分析法、阻尼转矩分析法进行超低频振荡抑制策略研究。
其中,在步骤一中,水机电整体系统模型的建立包括以下具体实施方法如下:
步骤一,分别建立水利系统、水轮机、发电机、调速系统、励磁系统及输电线路的数学模型;
步骤二,采用状态方程组X=Ax+Bu来描述水轮机控制系统,其中矩阵A主要描述控制系统的基本性能,矩阵A与水机电系统的结构及相关参数有关;
步骤三,根据建立的水机电系统的数学模型,构建水机电系统各环节的MATLAB仿真元件;
步骤四,连接各环节的MATLAB仿真元件,建立单机无穷大系统的水机电整体耦合系统模型。
其中,在步骤二中,特征线法计算分析水电机组发电水头对水轮机输出转矩的影响的具体实施方法如下:
步骤一,按库朗条件取时间步长:
式中:
Δt——时间步长,
Δx——引水管道步长,
a——水击波速;
步骤二,
G.压力管路为弹性管壁,管内流体不可压缩,
H.采用一元流理论,同一断面各点流速相等,
I.采用稳态的摩阻损失计算公式;
步骤三,由流体的连续方程和运行方程得特征线法数值模拟方程为:
式中:
H——工作龙头,
Q——流量,
A——管道截面积,
a——水击波速,
t——时间变量,
g——重力加速度,
f——沿程摩阻系数,
x——沿管道轴线位移;
向上传播采用C-方程,向下传播采用C+方程;
步骤四,变径段按当量均匀管段模拟,即取相同时间步长Δt,ΔL由
式中:
A——管路截面积,其它符号同前;
步骤五,各水头下导叶关闭过程中,流量的变化按直线和曲线等不同规律进行模拟,流量方程如下:
式中:
Q0——甩负荷流量,
t——导叶关闭过程中的某一时刻,
em——模拟指数;
步骤六主要参数N、H、η由综合特性曲线或运转特性曲线查取计算:综合特性曲线中:
运转特性曲线中:
式中:
n——机组转速,
D——转轮直径,
H——工作水头,
Q——机组流量,
η——水轮机效率,
n’1——单位转速,
Q’1——单位流量,
N——水轮机功率。
其中,在步骤三中,采用机理建模的方法得到Laplace传递函数;接力器的简化模型为:
式中:
y——水门开度,
u——发电机组的控制量,
Ty——接力器缓冲时间常数,
发电机运动方程简化模型为:
式中:
ν——实际转速,
Ta——发电机惯性时间常数,
lb——发电机负荷自调节系数。
其中,在步骤五中,建立包含调速器控制系统的Phillips-Heffron模型,采用阻尼转矩法分析电力系统稳定器GPSS抑制超频振荡。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然,根据本说明书的内容,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (5)
1.一种水电机组的超低频振荡控制方法,其特征在于,包括以下具体实施步骤:
步骤一,建立全系统水机电耦合模型;
步骤二,以水电机组发电水头为模型小扰动信号,采用特征线法计算仿真分析其对水轮机输出转矩的影响;
步骤三,根据所建立的全系统水机电耦合模型分析其对水电机组超低频震荡的作用机理及作用规律;
步骤四,以水轮机水门开度为模型小扰动信号,通过水门开度对发电流量及发电水头的影响,仿真分析水门开度对水电机组超低频振荡的影响机理及作用规律;
步骤五,采用模式分析法、阻尼转矩分析法进行超低频振荡抑制策略研究。
2.根据权利要求1所述的一种水电机组的超低频振荡控制方法,其特征在于,在步骤一中,水机电整体系统模型的建立包括以下具体实施方法如下:
步骤一,分别建立水利系统、水轮机、发电机、调速系统、励磁系统及输电线路的数学模型;
步骤二,采用状态方程组X=Ax+Bu来描述水轮机控制系统,其中矩阵A主要描述控制系统的基本性能,矩阵A与水机电系统的结构及相关参数有关;
步骤三,根据建立的水机电系统的数学模型,构建水机电系统各环节的MATLAB仿真元件;
步骤四,连接各环节的MATLAB仿真元件,建立单机无穷大系统的水机电整体耦合系统模型。
3.根据权利要求1所述的一种水电机组的超低频振荡控制方法,其特征在于,在步骤二中,特征线法计算分析水电机组发电水头对水轮机输出转矩的影响的具体实施方法如下:
步骤一,按库朗条件取时间步长:
式中:
Δt——时间步长,
Δx——引水管道步长,
a——水击波速;
步骤二,
A.压力管路为弹性管壁,管内流体不可压缩,
B.采用一元流理论,同一断面各点流速相等,
C.采用稳态的摩阻损失计算公式;
步骤三,由流体的连续方程和运行方程得特征线法数值模拟方程为:
式中:
H——工作龙头,
Q——流量,
A——管道截面积,
a——水击波速,
t——时间变量,
g——重力加速度,
f——沿程摩阻系数,
x——沿管道轴线位移;
向上传播采用C-方程,向下传播采用C+方程;
步骤四,变径段按当量均匀管段模拟,即取相同时间步长Δt,ΔL由
式中:
A——管路截面积,其它符号同前;
步骤五,各水头下导叶关闭过程中,流量的变化按直线和曲线等不同规律进行模拟,流量方程如下:
式中:
Q0——甩负荷流量,
t——导叶关闭过程中的某一时刻,
em——模拟指数;
步骤六主要参数N、H、η由综合特性曲线或运转特性曲线查取计算:
综合特性曲线中:
运转特性曲线中:
式中:
n——机组转速,
D——转轮直径,
H——工作水头,
Q——机组流量,
η——水轮机效率,
n’1——单位转速,
Q’1——单位流量,
N——水轮机功率。
5.根据权利要求1所述的一种水电机组的超低频振荡控制方法,其特征在于,在步骤五中,具体为:建立包含调速器控制系统的Phillips-Heffron模型,采用阻尼转矩法分析电力系统稳定器GPSS抑制超频振荡。
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