CN111507637A - 电力系统稳定计算用水轮机及引水系统参数建模与测试方法 - Google Patents

电力系统稳定计算用水轮机及引水系统参数建模与测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力系统稳定计算用水轮机及引水系统参数建模与测试方法，其包括1）对并网运行的水电机组在不同工况点进行导叶给定阶跃扰动，获得有功功率反调规律；2）对传统水轮机及引水系统模型进行改进；3）待测定水电机组的出水流惯性时间常数的测定；4）检验改进后水轮机及引水系统模型和辨识得水流惯性时间常数的有效性；本发明方法直接通过有功功率初始值关联水轮机及引水系统模型，实现多个工况下有功功率反调变化，在机组有功功率初始值变化时电力稳定计算技术人员无需在稳定计算程序中逐一修改水流惯性时间常数，显著提高工作效率；本发明模型通用工况更广，测试方法简单，测试值准确，极大的提高了电力系统稳定计算精度。

Description

电力系统稳定计算用水轮机及引水系统参数建模与测试方法
技术领域
本发明涉及一种用于电力系统稳定计算的水轮机及引水系统参数测试与建模方法。
背景技术
云南电网异步联网运行后，大型水电机组由水锤效应引起的有功功率反调现象严重恶化系统稳定运行，水锤效应的发生是在有压引水管道中，导叶开度的快速开启或关闭导致流量突然改变，引起水流冲击管壁，管道内水压上升或降低，对系统呈相位滞后和负阻尼，在系统频率振荡事故中，易出现超低频振荡现象，在电力稳定计算中，表征水锤效应的主要参数为水轮机及引水系统模型中的水流惯性时间常数（Tw）。
水流惯性时间常数的物理表征为在额定水头下，导叶瞬时全开，管道内水流从0加速至额定流量所用的时间，可通过水电站引水管道设计参数获得，但是在机组实际运行中，设计值与理论值偏差较大，而且机组的运行工况随时变化，理论值已不能满足需求，为获取精确的水流惯性时间常数参数，需对水流惯性时间常数进行精细化测试，同时为满足电力系统稳定计算全工况仿真，需对传统水轮机及引水系统进行改进。
发明内容
本发明提供了一种易于实现、精度满足要求且适用于全工况仿真的水轮机及引水系统的水流惯性时间参数建模与测试方法，解决了目前电力系统稳定计算用水流惯性时间常数的取值不精确、水轮机及引水系统模型的局限性问题。
本发明通过多个工况点导叶开度大阶跃试验，获得全工况点有功功率反调规律，通过仿真辨识获得机组能带额定负荷在最小水头工况下的水流惯性时间常数，并对传统水轮机及引水系统模型进行改进，改进后模型直接通过有功功率给定值关联水轮机及引水系统模型，能实现全工况点有功功率反调仿真，仿真结果证明了所提出方法的有效性和准确性，具有实用价值。
本发明电力系统稳定计算用水轮机及引水系统参数建模与测试方法如下：
（1）对并网运行的水电机组在不同工况点进行导叶给定阶跃扰动，具体为水电机组额定负荷运行时在调速器电气柜动态试验窗口直接设定导叶开度给定-5%～-10%阶跃扰动，或修改调速器一次调频参数：比例增益为20、积分增益为0/s、微分增益为0s、永态转差系数为0、人工频率死区为0Hz；通过调速器仿真测试仪在水电机组频率反馈侧施加阶跃进行扰动0.125Hz~0.25Hz，采用调速器仿真测试仪记录导叶开度、有功功率、机组流量的输出曲线，并分析有功功率反调规律；
（2）根据有功功率反调变化规律，引入与有功功率反调线性关系的有功功率初始值和水流惯性时间常数修正系数，对传统水轮机及引水系统模型进行改进获得改进后水轮机及引水系统模型；
（3）基于改进后水轮机及引水系统模型和最小二乘参数辨识法，对待测定水电机组能带额定负荷的最小水头工况下记录的导叶开度、有功功率进行仿真辨识，得待测定水电机组的出水流惯性时间常数；
（4）对不同工况点进行有功功率反调仿真校核，检验改进后水轮机及引水系统模型和辨识得水流惯性时间常数的有效性。
所述有功功率反调变化规律是指由水锤效应引起的有功功率反调随着负荷升高而增大，与负荷近似呈线性关系，同一负荷水头越低有功功率反调越大。
所述对传统水轮机及引水系统模型进行改进是对暂态变化传递函数引入与有功功率反调线性关系的有功功率初始值与水流惯性时间常数修正系数，修正系数为有功功率与机组流量的关系系数，若水头变化不大时可近似取1，若水头变化较大时，根据带额定负荷在最小水头下流量进行修正，通过仿真辨识获得机组带额定负荷在最小水头工况下水流惯性时间常数。
所述传统水轮机及引水系统模型如图1所示，传统水轮机及引水系统三段修正是水电机组导叶开度与有功功率为非线性关系，对导叶开度与有功功率进行了三段修正处理，选取实测三段有功功率和对应的导叶开度。
所述仿真辨识是水轮机及引水系统模型输入导叶开度实测曲线，用非线性最小二乘法进行水流惯性时间常数辨识，通过仿真输出有功功率与实测有功功率进行几何误差比较，得出水流惯性时间常数。
所述机组全工况点是在不同水头、不同负荷下的运行工况。
所述暂态变化传递函数为图1中的-Tws。
所述改进水轮机及引水系统模型为对传统水轮机及引水系统模型传递函数展开，对暂态变化传递函数引入与有功功率反调线性关系的有功功率初始值与水流惯性时间常数修正系数，修正系数为有功功率与机组流量的关系系数，若水头变化不大时可近似取1，若水头变化较大时，根据带额定负荷在最小水头下流量进行修正。
本发明的优点是：
1、本发明提供的水轮机及引水系统水流惯性时间常数建和模测试方法填补了一项空白；
2、本发明从理论和试验数据相结合解释了传统水轮机及引水系统模型的局限性；
3、本发明通过多个工况下导叶开度大阶跃试验，获得全工况段蜗壳水压变化及有功功率反调规律，通过仿真辨识获得机组能带额定负荷在最小水头工况下的水流惯性时间常数，并对传统水轮机及引水系统模型进行了改进，具有实用价值；
4、本发明直接通过有功功率初始值关联水轮机及引水系统模型，实现多个工况下有功功率反调变化，在机组有功功率初始值变化时电力稳定计算技术人员无需在稳定计算程序中逐一修改水流惯性时间常数，显著提高工作效率；
5、本发明模型通用工况更广，测试方法简单，测试值准确，极大的提高了电力系统稳定计算精度。
附图说明
图1是传统水轮机及引水系统模型框图；
图2是改进水轮机及引水系统模型框图；
图3是250MW工况导叶开度±10%阶跃扰动有功功率波形图；
图4是480MW工况导叶开度±10%阶跃扰动有功功率波形图；
图5 是600MW工况导叶开度-10%阶跃扰动有功功率波形图；
图6 是600MW工况导叶开度-10%阶跃扰动有功功率仿真与实测对比图；
图7 是480MW工况导叶开度-10%阶跃扰动有功功率仿真与实测对比图；
图8 是480MW工况导叶开度10%阶跃扰动有功功率仿真与实测对比图；
图9 是250MW工况导叶开度-10%阶跃扰动有功功率仿真与实测对比图；
图10 是250MW工况导叶开度10%阶跃扰动有功功率仿真与实测对比图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1：某电站2号机组，机组类型为混流式，输水系统采用单机单管引水方式，额定有功功率600MW、额定水头111m、最大水头125.9m、最小水头94.7m、额定流量597.95m3/s。
在110m水头下，机组分别带250MW、480MW、600MW有功功率，对调速器施加±10%导叶给定阶跃量，有功功率波形如图3、图4、图5所示；
同理，在116m水头下进行重复进行上述试验，试验波形过程类似。
在110m、116m水头下机组工况点参数及有功功率反调值结果如表1；
表1：110m、116m水头下试验结果
Figure DEST_PATH_IMAGE002
从上述试验结果看出，由水锤效应引起的有功功率反调随着负荷升高而增大，与负荷（流量）近似呈线性关系，同时水头对有功功率反调影响较大，同一负荷水头越低有功功率反调越大；综合负荷与水头影响，带额定负荷最低水头有功功率反调为最大值。
根据以上有功功率反调变化规律对传统水轮机及引水系统模型进行改进；传统水轮机及引水系统模型（图1）未考虑机组负荷变化后对有功功率反调，不同负荷工况点，同水平扰动，有功功率反调为同一值，与实际现象不符合。
对暂态变化传递函数引入与有功功率反调线性关系的有功功率初始值与水流惯性时间常数修正系数，修正系数为有功功率与机组流量的关系修正，若水头变化不大时可近似取1，若水头变化较大时，根据带额定负荷在最小水头下流量进行修正，改进后水轮机及引水系统模型如图2所示。
以下通过具体实例对改进水轮机及引水系统模型进行进一步阐述；
在110m水头下，机组分别带250MW、480MW、600MW有功功率，在各负荷点将监控系统AGC和单机一次调频功能退出，对调速器施加±10%导叶给定阶跃信号，记录导叶开度、有功功率、机组流量等波形。
对600MW工况点导叶开度、有功功率实测波形通过改进水轮机及引水系统模型进行仿真辨识，得出水流惯性时间常数，仿真结果如图6所示。
由于机组额定负荷运行，只进行导叶开度关方向扰动，通过仿真辨识得到2号机组水流惯性时间常数为1.7s，由于在110m水头下机组导叶开度也开至90%，可认为1.7s为机组能带额定负荷在最小水头工况下的水流惯性时间常数。
用改进后水轮机及引水系统模型和上述测得水流惯性时间常数对480MW、250MW工况进行仿真，修正系数为1，并与实测波形进行对比，如图7、图8、图9、图10所示，实测有功功率与仿真有功功率稳态变化量、有功功率反调值都基本吻合；改进后模型实现了多个工况下有功功率动态变化仿真，同时也较好反映了反调值的变化规律，比传统模型相比提高了电力系统稳定计算精度。

Claims (3)

1.一种电力系统稳定计算用水轮机及引水系统参数建模与测试方法，其特征在于，步骤如下：
（1）对并网运行的水电机组在不同工况点进行导叶给定阶跃扰动，具体为水电机组额定负荷运行时在调速器电气柜动态试验窗口直接设定导叶开度给定-5%～-10%阶跃扰动，或修改调速器一次调频参数：比例增益为20、积分增益为0/s、微分增益为0s、永态转差系数为0、人工频率死区为0Hz；通过调速器仿真测试仪在水电机组频率反馈侧施加阶跃进行扰动0.125Hz~0.25Hz，采用调速器仿真测试仪记录导叶开度、有功功率、机组流量的输出曲线，并分析有功功率反调规律；
（2）根据有功功率反调变化规律，引入与有功功率反调线性关系的有功功率初始值和水流惯性时间常数修正系数，对传统水轮机及引水系统模型进行改进获得改进后水轮机及引水系统模型；
（3）基于改进后水轮机及引水系统模型和最小二乘参数辨识法，对待测定水电机组能带额定负荷的最小水头工况下记录的导叶开度、有功功率进行仿真辨识，得待测定水电机组的出水流惯性时间常数；
（4）对待测定水电机组的不同工况点进行有功功率反调仿真校核，检验改进后水轮机及引水系统模型和辨识得水流惯性时间常数的有效性。
2.根据权利要求1所述的电力系统稳定计算用水轮机及引水系统参数建模与测试方法，其特征在于：有功功率反调变化规律是指由水锤效应引起的有功功率反调随着负荷升高而增大，与负荷近似呈线性关系，同一负荷水头越低有功功率反调越大。
3.根据权利要求1所述的电力系统稳定计算用水轮机及引水系统参数建模与测试方法，其特征在于：对传统水轮机及引水系统模型进行改进是对暂态变化传递函数引入与有功功率反调线性关系的有功功率初始值与水流惯性时间常数修正系数，修正系数为有功功率与机组流量的关系系数，若水头变化不大时可近似取1，若水头变化较大时，根据带额定负荷在最小水头下流量进行修正。
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