水輪機及其調速器特性對孤立電網頻率特性的影響

曹煒，祁曉卿，王大宏，王大飛，靳希，顧丹珍

（1.上海電力學院電力與自動化工程學院，上海200090; 2.西藏電力有限公司，西藏拉薩 850000）

目前，我國西藏地區孤立電網（如阿里電網）的主要電源是小型水輪發電機組，并帶有少量備用柴油機組，電網中的負荷量較小且多為居民負荷，對頻率質量的要求不高.為了保證用戶的正常用電和電網的安全穩定運行，仍需對孤立電網的頻率進行有效的控制［1，2］.

本文基于電力系統分析綜合程序（Power System Analysis Software Package，PSASP），對西藏阿里電網進行建模，并在大負荷沖擊下進行仿真計算，研究水輪機及其調速器特性對電網頻率特性的影響，以期為探索阿里電網中合適的頻率控制策略提供依據.

1 阿里電網與仿真模型簡介

阿里電網是一個典型的孤立小電網，其主要電源是獅泉河水電站，裝機容量為4×1.6 MW，通過4臺2 MW的升壓變壓器將電壓升至35 kV后，經輸電線路送電到阿里地區的獅泉河鎮.該電網的主要負荷集中在獅泉河鎮上，截至2009年最大負荷約為3.3 MW.在獅泉河鎮配網中，有一些用戶自備柴油發電機（總容量為1.86 MW），當水電站故障時由備用柴油發電機供電，同時實行限電.

本文用PSASP軟件建立阿里電網模型，假設運行方式為水輪機開機3臺（額定功率為3×1.6 MW），負荷總量為3 MW，35 kV和10 kV側的負荷量分別為1 MW和2 MW.

1.1 發電機及其勵磁系統模型

本仿真模型采用PSASP的3型水輪發電機模型，即考慮Eq″，Ed″，Eq'電勢變化的5階模型，此模型適合于凸極轉子（水輪）發電機.勵磁系統模型為自并勵和自復勵的快速系統及可控硅調節器，對應選用PSASP中的2型勵磁系統.

1.2 調速器模型

選用PSASP軟件中提供的Ⅰ型原動機調速器模型，其簡化傳遞函數如圖1所示.

圖1 PSASP I型調速器簡化傳遞函數

令T0=0.5Tw，則水輪機部分的傳遞函數為：

1.3 負荷模型

負荷模型采用5型綜合負荷模型，構成比例為70%恒定阻抗和30%感應電動機模型，35 kV和10 kV側均采用該比例.其中，感應電動機的參數采用PSASP中的典型參數［3］.

2 水輪機及其調速器參數對阿里電網頻率特性的影響

阿里電網中的最大負荷為550 kW的阻性負荷，仿真計算此負荷突然投入時阿里電網的頻率特性.計算過程中，水輪機及其調速器各參數基本設置如表1所示［4-7］，每次測試只改變表1中的某一項參數，并保證其他參數不變.

表1 水輪機及其調速器的基本參數

2.1 轉子慣性時間常數

改變水輪發電機轉子慣性時間常數Tj，保持其他參數不變，系統在負荷突增沖擊下的頻率動態響應曲線如圖2所示.

圖2 轉子慣性時間常數變化時的頻率動態響應曲線

由圖2可以看出，隨著機組慣性時間常數的增大，系統在擾動后的暫態過程中，暫態頻率最大，超調量逐漸減小，動態調節過程變得緩慢，系統達到穩態頻率的時間逐漸變長，但穩態頻率保持不變，約為49.7 Hz.

2.2 測量環節放大倍數

水輪機調速器的測速部件靈敏度一般為0.05～0.1［6］，對應圖1中測量環節放大倍數Kδ為10～20.改變Kδ且保持其他參數不變，系統在負荷突增沖擊下的頻率動態響應曲線如圖3所示.

圖3 測量環節放大倍數變化時的頻率動態響應曲線

由圖3可以看出，隨著測量環節放大倍數Kδ的增大，系統在發生擾動時的頻率最大超調量（暫態頻率的最大偏差值）將變小，系統達到穩態頻率的時間縮短，而穩態頻率仍約為49.7 Hz.

2.3 伺服機構（主接力器）時間常數

水輪機調速器的伺服機構時間常數Ts一般為4～7 s［6］，改變Ts且保持其他參數不變，系統在負荷突增沖擊下的頻率動態響應曲線見圖4.

圖4 伺服機構時間常數變化時的頻率動態響應曲線

結合圖1可知，配壓閥的活塞位移σ的變化造成接力器活塞位移μ的變化，二者之間的關系為：

由式（1）可知，若頻率偏差Δf不變，測量環節的放大倍數Kδ不變，則η不變.由于Kβ，Ti，Ki均不變，則Ts的增加將導致μ的減小，即接力器活塞位移減小，造成導水葉開度減小，從而使水輪機輸出的功率Pm增加的速度變慢，導致系統超調量變大.但穩態頻率保持不變，約為49.7 Hz.

2.4 水流慣性時間常數

水流慣性時間常數一般為0.5～4 s［6］，保持其他參數不變，則阿里電網在受到負荷突增沖擊時的頻率動態響應特性曲線如圖5所示，其機械功率Pm的輸出響應曲線如圖6所示.

圖5 水流慣性時間常數變化時的頻率動態響應曲線

圖6 水流慣性時間常數變化時機械功率的輸出曲線

由圖5和圖6可知，隨著水流慣性時間常數的增大，水錘效應顯著，系統在發生擾動時的頻率最大超調量將變大，系統達到穩態頻率所用的時間也越長.若水錘為3 s或4 s，則會導致該孤立電網暫態過程超調時間延長，頻率會大幅振蕩.

2.5 水錘效應

在動態過程中，當水輪機導葉開啟時，引水系統水流的加速將導致水輪機力矩有短時段的降低，從而產生與控制目標相反的逆向調節，這將為系統的動態穩定和相應特性帶來十分不利的影響.因此，隨著水錘效應時間常數的增大，水輪機系統動態特性將會惡化，系統的一次調頻性能將變差［8］.

有無水錘效應時孤立電網的頻率動態響應特性曲線如圖7所示，水輪機機械功率Pm的輸出響應曲線如圖8所示.

圖7 有無水錘效應時的頻率動態響應曲線

圖8 有無水錘效應時的機械功率輸出曲線

由以上仿真結果可以看出，若水輪機無水錘效應，則機組的出力可以迅速增加，系統的暫態頻率超調量將變小，但振蕩次數有所增加，達到穩態頻率所需時間較長，其穩態頻率與水輪機有水錘效應時相同，仍約為49.7 Hz.

3 結論

（1）水輪發電機組慣性時間常數、測量環節放大倍數、水錘效應及水流慣性時間常數對孤立電網的暫態頻率變化特性影響較大，其中水錘效應的影響最大，但上述各參數并不影響由調差系數決定的系統穩態頻率偏差;

（2）加大水輪發電機組的慣性時間常數，有利于改善系統的頻率特性.在實際應用中，雖然不能改變單臺機的慣性時間常數，但可以考慮盡量多開機，增加一定負載功率下的系統等效慣性時間常數.

［1］楊冠城.電力系統自動裝置原理［M］.第四版.北京：中國電力出版社，2007：139-149.

［2］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GBT 15945-2008電能質量電力系統頻率偏差［S］.北京：中國標準出版社，2008：1-3.

［3］朱方，湯涌，張東霞，等.發電機勵磁和調速器模型參數對東北電網大擾動試驗仿真計算的影響［J］.電網技術，2007，31 （4）：69-74.

［4］倪以信.動態電力系統的理論和分析［M］.北京：清華大學出版社，2002：72-80.

［5］李華，史可琴，范越，等.電力系統穩定計算用水輪機調速器模型結構分析［J］.電網技術，2007，31（5）：25-28.

［6］西安交通大學，清華大學，浙江大學，等.電力系統計算［M］.北京：水力電力出版社，1978：127-155.

［7］PRABHA KUNDUR.Power system stability and control［M］.北京：中國電力出版社，2001：377-460.

［8］魏守平.水輪機調節［M］.武漢：華中科技大學出版社，2009：77-129.

（編輯白林雪）