CN102052233A - 一种电力***稳定分析用水轮机调节***模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力***稳定分析用水轮机调节***模组，该模组由电子调节器模型、液压执行机构模型和水轮机模型三个模型组成，其中，所述的电子调节器模型根据输入的机组频率信号计算调节器输出，所述的液压执行机构模型根据调节器输入计算接力器输出，所述的水轮机模型根据接力器输入计算水轮机的功率输出。本发明的电力***稳定分析用水轮机调节***模组，结构先进、清晰，模型参数意义明确、获取方便，建模过程快捷，大大节省资料整理、分析时间，提高建模效率，模型与现场实际吻合度高，整体技术成熟。

Description

一种电力***稳定分析用水轮机调节***模组

技术领域

本发明涉及一种仿真计算用水轮机调节***模组，具体是指一种用于一种电力***稳定分析用水轮机调节***模组。

背景技术

目前，国内电力***稳定分析所用的PSD-BPA暂态稳定程序提供的水轮机调节***模型由机械液压式调速器模型和理想水轮机模型两块构成。PSD-BPA暂态稳定程序提供的水轮机调节***模型如图1所示，机械液压式调速器的框图如图2所示。

下式是理想水轮机的模型：

$G_t\left(s\right)=\frac{1-T_{w}s}{1+0.5T_{w}s}$

随着技术的进步，前述水轮机调节***模型的缺陷已影响了电力***稳定分析结果的准确性，使得其对电网运行指导的有效性大大折扣。其中：首先，机械液压式调速器模型已不符合实际情况，因为按照电力行业标准的规定，现今的水轮机调速器已经普遍采用电子调节器加液压执行机构的结构；其次，机械液压式调速器模型不包括人工转速死区、导叶动作速度限幅和导叶开度限幅等非线性环节；最后，理想水轮机模型是在假定水轮机理想无损失且过水***为刚性模型的条件下得到的，模拟暂态稳定下水轮机的机械出力时仿真误差大。

因此，亟需提供一种贴切实际情况、非线性环节、考虑全面、仿真精度高、建模方便且具有推广应用价值的适用于电力***稳定分析的水轮机调节***模型。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种贴切实际情况、非线性环节考虑全面、仿真精度高、建模方便且具有推广应用价值的适用于电力***稳定分析的水轮机调节***模组。

本发明的上述目的采用如下技术方案来实现的：一种电力***稳定分析用水轮机调节***模组，其特征在于：该模组由电子调节器模型、液压执行机构模型和水轮机模型三个模型组成，其中，所述的电子调节器模型根据输入的机组频率信号计算调节器输出，所述的液压执行机构模型根据调节器输入计算接力器输出，所述的水轮机模型根据接力器输入计算水轮机的功率输出。

所述的电子调节器模型为PID型调节器模型，该模型中PID调节器的频差ΔF(S)到调节器输出Y_PID(S)的传递函数表征如下：

$\frac{Y_{\mathrm{PID}}\left(S\right)}{\mathrm{\ΔF}\left(S\right)}=\frac{K_P+\frac{K_D\×S}{1+T_{1v}\×S}+\frac{K_I}{S}}{1+\frac{K_I}{S}\×b_P}$

式中：K_P——比例增益；

      K_I——积分增益；

      K_D——微分增益；

      T_1v——微分时间常数；

      b_P——永态转差系数；

      ΔF(S)——频差(F_c-F_g)的拉普拉斯变换；

      F_g——机组频率；

      F_c——频率给定；

      S——拉普拉斯算子；

      Y_PID(S)——调节器输出的拉普拉斯变换。

所述的液压执行机构模型液中调节器输出Y_PID(S)到接力器输出Y(S)的传递函数表征如下：

$\frac{Y\left(S\right)}{Y_{\mathrm{PID}}\left(S\right)}=\frac{K_c}{K_c+\mathrm{Ty}\×S+T_{y1}\×T_y\×S^2}$

式中：K_c——电液转换环节系数；

      T_y1——辅助接力器反应时间；

      T_y——接力器反应时间；

      Y——接力器行程输出；

      Y(S)——接力器输出的拉普拉斯变换。

水轮机模型中由接力器输出Y(S)到水轮机功率输出P(S)的传递函数表征如下：

$\frac{P\left(S\right)}{Y\left(S\right)}=\frac{b_3{S}^3+b_2{S}^2+b_{1}S+b_0}{a_4{S}^4+a_3{S}^3+a_2{S}^2+a_{1}S+a_0}$

式中：b₃、b₂、b₁、b₀——***输出系数；

      a₄、a₃、a₂、a₁、a₀——***输入系数；

      P——水轮机功率输出；

      P(S)——水轮机功率输出的拉普拉斯变换。

本发明的电子调节器模型为PID型调节器模型，液压执行机构模型为辅助接力器型液压随动***模型，水轮机模型为非线性模型，电子调节器模型中包含人工转速死区和Y_PID限幅两个非线性环节，液压执行机构模型中包含主配压阀限幅和导叶开度限幅环节两个非线性环节。

随着计算机技术的发展，水轮机调速器已经由最初的机械液压式发展到当今的数字式液压调速器。数字式液压调速器由数字调节器和液压执行结构两部分构成，数字调节器已普遍采用并联PID控制规律，液压执行机构有电液随动型、辅助接力器型和中间接力器型三种。根据这三种液压执行机构的传递函数，可将其分为一阶、二阶***两类，其中电液随动型为一阶***，其余的是二阶***，若辅助接力器或中间接力器的响应时间常数小到可以忽略时，可等同于一阶***。

模型改进的技术措施之一，采用由PID型控制器加液压执行机构组成的调速器模型符合调速器实际情况，模型内参数意义明确、容易获取，Y_PID信号的仿真精度高。

电力***频率时刻变化，并网机组的调速器会随之不停的调节机组出力，常此下去会加快设备磨损。一定范围内的***频率波动是允许的，这段频率范围内机组可以不参与调节，因此电子调节器设有一定大小的人工转速死区，以便固定机组负荷，为了防止水电机组超出力或进入不稳定运行区域，电子调节器还会对Y_PID进行限幅。

模型改进的技术措施之二，在电子调节器模型中加入人工转速死区和Y_PID限幅两个非线性环节符合实际，能够准确仿真实际动作情况。

水轮机内部流体运动复杂，而且其输水***往往相当复杂，呈现出较强的非线性特性，建立考虑引水道的水轮机模型非常复杂。用理想模型来表述，则过于简单，无法反映设备的真实状态，降低了稳定计算结果的参考价值。

模型改进的技术措施之三，采用的非线性水轮机模型，可缩短建模时间，提高模型仿真精度，同时避免复杂引水道水轮机模型建立的高昂费用。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

1)本发明的水轮机调节***模组和实际水轮机调节***构成相符，模型各组成部分内参数意义明确，获取容易；

2)本发明的水轮机调节***模组中各组成部分非线性环节考虑周全，贴近现实，可准确模拟实际动作情况；

3)本发明的水轮机调节***模组中非线性水轮机模型易于辨识，能够更准确地反映设备的真实状态；

4)本发明的水轮机调节***模组技术成熟，模型精度大大提高；

5)本发明的水轮机调节***模组建立不同机组模型所需时间短，费用低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

图1是现有技术中PSD-BPA暂态稳定程序中提供的水轮机调节***模型框图；

图2是现有技术中机械液压式调速器的框图；

图3是本发明水轮机调节***模组整体结构框图；

图4是本发明水轮机调节***模组中电子调节器模型框图；

图5是本发明水轮机调节***模组中液压执行机构模型框图；

图6是本发明水轮机调节***模组中水轮机模型框图。

本发明中图3至图6中相同的符号表示相同的意思。此外，Y_PID为调节器输出，Y_max为调节器(或接力器)输出最大限幅，E_f为人工转速死区，Y_min为调节器(或接力器)输出最小限幅，σ_max为主配压阀输出最大限幅，σ_min为主配压阀输出最小限幅，Y为接力器行程输出，u_m为主配压阀死区，P为水轮机功率输出。

具体实施方式

如图3至图6所示，本发明的电力***稳定分析用水轮机调节***模组由电子调节器模型、液压执行机构模型和水轮机模型三个模型组成，其中，电子调节器模型根据输入的机组频率信号计算调节器输出，液压执行机构模型根据调节器输入计算接力器输出，水轮机模型根据接力器输入计算水轮机的功率输出。

电子调节器模型为PID型调节器模型，其框图如图4所示，该模型中PID调节器的频差ΔF(S)到调节器输出Y_PID(S)的传递函数表征如下：

$\frac{Y_{\mathrm{PID}}\left(S\right)}{\mathrm{\ΔF}\left(S\right)}=\frac{K_P+\frac{K_D\×S}{1+T_{1v}\×S}+\frac{K_I}{S}}{1+\frac{K_I}{S}\×b_P}$

式中：K_P——比例增益；

      K_I——积分增益；

      K_D——微分增益；

      T_1v——微分时间常数；

      b_P——永态转差系数；

      ΔF(S)——频差(F_c-F_g)的拉普拉斯变换；

      F_g——机组频率；

F_c——频率给定；

S——拉普拉斯算子；

Y_PID(S)——调节器输出的拉普拉斯变换。

液压执行机构模型框图如图5所示，该模型中液压执行机构的调节器输出Y_PID(S)到接力器输出Y(S)的传递函数表征如下：

$\frac{Y\left(S\right)}{Y_{\mathrm{PID}}\left(S\right)}=\frac{K_c}{K_c+\mathrm{Ty}\×S+T_{y1}\×T_y\×S^2}$

式中：K_c——电液转换环节系数；

      T_y1——辅助接力器反应时间；

      T_y——接力器反应时间；

      Y(S)——接力器输出的拉普拉斯变换。

水轮机模型框图如图6所示，该模型中水轮机部分由接力器输出Y(S)到水轮机功率输出P(S)的传递函数表征如下：

$\frac{P\left(S\right)}{Y\left(S\right)}=\frac{b_3{S}^3+b_2{S}^2+b_{1}S+b_0}{a_4{S}^4+a_3{S}^3+a_2{S}^2+a_{1}S+a_0}$

式中：b₃、b₂、b₁、b₀——***输出系数；

      a₄、a₃、a₂、a₁、a₀——***输入系数；

      P(S)——水轮机功率输出的拉普拉斯变换。

本发明的电力***稳定分析用水轮机调节***模型由PID型调节器、辅助接力器型液压随动***和水轮机三部分模型构成，同时考虑了人工转速死区、Y_PID限幅、主配压阀限幅和导叶开度限幅环节四个非线性环节。

进行仿真时，PID型调节器模型根据输入的机组频率信号计算Y_PID输出，填入实测的调节参数，即可得到精度很好的仿真结果。调节参数K_P、K_I、K_D、T_1v、E_f和b_P可依据国家标准《水轮机控制***试验》(GB/T9652.2-2007)和电力行业标准《水轮机电液调节***及装置调整试验导则》(DL/T 496-2001)，测取不同条件下调节器输出(Y_PID)对不同大小频差(F_c-F_g)的响应，依此计算、判断得到具体数值，Y_max、Y_min和实际值一致。

进行仿真时，辅助接力器型液压随动***完成调节器输出(Y_PID)到接力器行程输出(Y)的转换。电液转换环节的时间常数很小，可以忽略，因此用系数K_c表示即可。从传递函数上看，目前国内外水轮机调速器厂家制造的液压执行机构基本上都是一阶***，若忽略辅助接力器的反应时间常数，即T_y1＝0，则辅助接力器型液压随动***变为一阶***。故选择二阶的辅助接力器型液压随动***模型作为电力***稳定分析用水轮机调节***模型液压执行机构部分模型适用性更广。机械特性决定了液压执行机构存在一定的转速死区、导叶开关的速度和上下限幅。依据国家标准《水轮机控制***试验》(GB/T 9652.2-2007)和电力行业标准《水轮机电液调节***及装置调整试验导则》(DL/T 496-2001)，测量调速器的转速死区作为主配压阀死区，测定导叶最短开启、关闭时间以确定主配压阀输出限幅，导叶开启、关闭的限幅根据实际情况确定。

引水道-水轮机呈现出较强的非线性特性，为更好地反映设备的真实状态，提高稳定计算结果的参考价值，采用非线性模型对水轮机进行仿真。测取不同工作点的机组功率输出对导叶开度的响应，依此辨识出以高阶传递函数表示的不同工况点的水轮机模型。在进行电力***稳定分析时选取接近仿真工况点的水轮机模型进行仿真。

本发明的电力***稳定分析用水轮机调节***模组，结构先进、清晰，模型参数意义明确、获取方便，建模过程快捷，大大节省资料整理、分析时间，提高建模效率，模型与现场实际吻合度高，整体技术成熟。

Claims (2)

1.一种电力***稳定分析用水轮机调节***模组，其特征在于：该模组由电子调节器模型、液压执行机构模型和水轮机模型三个模型组成，其中，所述的电子调节器模型根据输入的机组频率信号计算调节器输出，所述的液压执行机构模型根据调节器输入计算接力器输出，所述的水轮机模型根据接力器输入计算水轮机的功率输出。

2.根据权利要求1所述的电力***稳定分析用水轮机调节***模组，其特征在于：所述的电子调节器模型为PID型调节器模型，该模型中PID调节器的频差ΔF(S)到调节器输出Y_PID(S)的传递函数表征如下：

$\frac{Y_{\mathrm{PID}}\left(S\right)}{\mathrm{\ΔF}\left(S\right)}=\frac{K_P+\frac{K_D\×S}{1+T_{1v}\×S}+\frac{K_I}{S}}{1+\frac{K_I}{S}\×b_P}$

式中：K_P——比例增益；

      K_I——积分增益；

      K_D——微分增益；

      T_1v——微分时间常数；

      b_P——永态转差系数；

      ΔF(S)——频差(F_c-F_g)的拉普拉斯变换；

      F_g——机组频率；

      F_c——频率给定；

      S——拉普拉斯算子；

      Y_PID(S)——调节器输出的拉普拉斯变换。

所述的液压执行机构模型液中调节器输出Y_PID(S)到接力器输出Y(S)的传递函数表征如下：

$\frac{Y\left(S\right)}{Y_{\mathrm{PID}}\left(S\right)}=\frac{K_c}{K_c+\mathrm{Ty}\×S+T_{y1}\×T_y\×S^2}$

式中：K_c——电液转换环节系数；

T_y1——辅助接力器反应时间；

T_y——接力器反应时间；

Y(S)——接力器输出的拉普拉斯变换。

水轮机模型中由接力器输出Y(S)到水轮机功率输出P(S)的传递函数表征如下：

$\frac{P\left(S\right)}{Y\left(S\right)}=\frac{b_3{S}^3+b_2{S}^2+b_{1}S+b_0}{a_4{S}^4+a_3{S}^3+a_2{S}^2+a_{1}S+a_0}$

式中：b₃、b₂、b₁、b₀——***输出系数；

      a₄、a₃、a₂、a₁、a₀——***输入系数；

      P(S)——水轮机功率输出的拉普拉斯变换。

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