丹江電廠4號機組調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

彭天波，陳 杰

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.丹江水力發(fā)電廠，湖北 丹江 442700）

丹江電廠4號機組調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

彭天波1，陳 杰2

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.丹江水力發(fā)電廠，湖北 丹江 442700）

以丹江電廠4號機組為例，進行了調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)現(xiàn)場測試，得出了水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的重要參數(shù)，建立了水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下的模型，滿足了電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算的要求。

混流式水輪發(fā)電機組；參數(shù)測試；調(diào)速系統(tǒng)建模；仿真

0 引言

電力系統(tǒng)的計算分析、規(guī)劃運行或控制保護都必須建立在準(zhǔn)確可信的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，這些數(shù)學(xué)模型包括：發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)，原動機及調(diào)速系統(tǒng)以及綜合負荷模型等。隨著我國“西電東送、南北互供和全國聯(lián)網(wǎng)”工程的逐步推進，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定提出了更高的要求。調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)作為電力系統(tǒng)四大模型參數(shù)之一，對于系統(tǒng)穩(wěn)定特別是中長期穩(wěn)定有較大的影響。調(diào)速系統(tǒng)對于承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)峰任務(wù)，維護系統(tǒng)的穩(wěn)定和提高電能質(zhì)量都起著重要的作用。

目前電網(wǎng)穩(wěn)定計算分析中采用的調(diào)速器模型多為早期緩沖式調(diào)速器的數(shù)學(xué)模型，模型參數(shù)也一直沿用計算程序本身的典型參數(shù)，這種狀況對電網(wǎng)的相關(guān)分析計算，特別是西電東送動態(tài)穩(wěn)定的計算帶來較大誤差。開展對發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)實測工作，并通過對調(diào)速器數(shù)學(xué)模型的研究和仿真計算，建立更為準(zhǔn)確的調(diào)速系統(tǒng)的計算模型，以便進一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定計算的精度為電力系統(tǒng)安排運行方式提供更為可靠的依據(jù)。

本文以丹江電廠4號機組為例，進行了調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)現(xiàn)場測試，得出了水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的重要參數(shù)，建立了水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下的模型和數(shù)據(jù)，滿足了電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算的要求。

1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程規(guī)范

調(diào)速系統(tǒng)建模試驗主要依據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)：

Q/GDW 748—2012《同步發(fā)電機原動機及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實測與建模導(dǎo)則》。

2 調(diào)速系統(tǒng)建模參數(shù)測試方法及試驗結(jié)果

調(diào)速系統(tǒng)建模試驗包含的內(nèi)容見表1。

表1 調(diào)速系統(tǒng)建模試驗內(nèi)容及要求

2.1 接力器關(guān)閉規(guī)律試驗

關(guān)閉進水閘門，做好現(xiàn)場各項安全措施，從調(diào)速器控制柜接入導(dǎo)葉開度、機組頻率、機組功率等信號至調(diào)速器測試儀。檢查緊急停機與復(fù)歸電磁閥動作正常后進行接力器關(guān)閉規(guī)律試驗。

將開度限制機構(gòu)置于全開位置，進行接力器全開、全關(guān)過程。

表2 接力器關(guān)閉規(guī)律試驗記錄表

試驗結(jié)果見表2。關(guān)閉規(guī)律錄波圖見1所示。

圖1 導(dǎo)葉開關(guān)試驗曲線

2.2 調(diào)速器靜特性試驗

先將調(diào)速器的KP、KI、KD分別置于整定值，人工死區(qū)設(shè)置為0 Hz。

在機柜端子上加上信號源50.00 Hz，手動將導(dǎo)葉開度調(diào)至50%，模擬并網(wǎng)信號，切為自動方式運行。

將變頻信號源的輸出頻率上升，接力器向關(guān)閉方向移動，當(dāng)接力器行程小于10%時，頻率停止上升，待接力器穩(wěn)定后，以此點作為起始點。降低變頻信號源頻率，每次降低0.1 Hz，每次待接力器平穩(wěn)后再進行下一次變動，直到接力器行程超過90%，獲得調(diào)速器降頻靜特性。

將變頻信號源的輸出頻率下降，接力器向開啟方向移動，當(dāng)接力器行程大于90%時，頻率停止降低，待接力器穩(wěn)定后，以此點作為起始點。升高變頻信號源頻率，每次升高0.1 Hz，每次待接力器平穩(wěn)后再進行下一次變動，直到接力器行程低于10%時，停止升高頻率，獲得調(diào)速器升頻靜特性。

試驗結(jié)果見圖2所示，試驗數(shù)據(jù)見表3。

調(diào)速器靜態(tài)特性曲線：

圖2 調(diào)速器靜特性試驗曲線（bp=4%）

表3 測試數(shù)據(jù)列表

表4 調(diào)速器靜特性試驗結(jié)果

2.3 頻率給定擾動測量接力器反應(yīng)時間Ty

蝸殼未充水，調(diào)速器處于自動運行方式；切除人工死區(qū)；置增益為整定值，頻率給定為額定值；機組模擬并網(wǎng)（斷路器位置信號短接）。

試驗結(jié)果見表5，試驗錄波圖見圖3～圖6。

表5 接力器反應(yīng)時間Ty實測值

2.4 并網(wǎng)條件下的頻率擾動試驗測量人工頻率死區(qū)

在機柜端子上加50 Hz穩(wěn)定信號，模擬并網(wǎng)信號，手動接力器行程穩(wěn)定于約50%附近，調(diào)速器模擬機組并網(wǎng)帶負荷工況，自動開度模式運行，人工頻率死區(qū)置為：E=±0.05 Hz。

使頻率給定發(fā)生階躍擾動，擾動量為±0.2 Hz、±0.22 Hz、±0.3 Hz記錄接力器行程的變化過程以及調(diào)速器人工頻率死區(qū)設(shè)定值。

接力器行程穩(wěn)定于約20%附近，將人工頻率死區(qū)置為E=±0.05 Hz，以0.01 Hz步長將機頻由50 Hz逐次降到49.8 Hz，穩(wěn)定后返回50 Hz；然后再由50 Hz逐次加到50.2 Hz，穩(wěn)定后返回。測出在設(shè)定頻率死區(qū)下導(dǎo)葉接力器的開度與頻率的關(guān)系，計算其實測值與誤差值。

試驗結(jié)果見圖7所示，實際人工死區(qū)為0.05 Hz。調(diào)速器建模人工死區(qū)采用值0.05 Hz。

圖3 -0.2 Hz頻率擾動試驗

圖4 -0.5 Hz頻率擾動試驗

圖5 +0.2 Hz頻率擾動試驗

圖6 +0.5 Hz頻率擾動試驗

圖7 人工頻率死區(qū)測量錄波圖

2.5 并網(wǎng)條件下的頻率擾動試驗測量動態(tài)響應(yīng)時間

機組帶負荷穩(wěn)定運行，調(diào)速器處于自動運行方式。

機組帶負荷運行，用調(diào)速器測試儀改變輸入調(diào)速器的頻率，模擬改變電網(wǎng)頻率。把測試儀輸出的額定頻率信號接入調(diào)速器的機頻信號輸入端，分別于額定網(wǎng)頻基礎(chǔ)上施加正負階躍偏差頻率信號（0.1Hz、-0.1Hz、0.2 Hz、-0.2Hz、0.3Hz、-0.3Hz，每個模擬網(wǎng)頻信號持續(xù)60s以上，以接力器穩(wěn)定時間為準(zhǔn)），用調(diào)速器測試儀分別對模擬網(wǎng)頻頻率、有功功率和導(dǎo)葉開度信號進行錄波。

試驗結(jié)果見表6，試驗數(shù)據(jù)文件和曲線應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)建模，試驗示波圖見圖8～圖13。

表6 并網(wǎng)頻率擾動試驗結(jié)果

圖8 -0.1 Hz頻率擾動試驗

圖9 +0.1 Hz頻率擾動試驗

圖10 -0.2 Hz頻率擾動試驗

圖11 +0.2 Hz頻率擾動試驗

圖12 -0.3Hz頻率擾動試驗（功率波動是因為進入振動補氣區(qū)）

圖13 +0.3 Hz頻率擾動試驗

3 水輪機及其調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)與仿真驗證

3.1 水輪機及其調(diào)速系統(tǒng)自定義模型及參數(shù)

自定義調(diào)速器模型見圖14和圖15，自定義機組-引水道模型見圖16，與模型對應(yīng)參數(shù)見表7。

圖14 調(diào)速器電氣部分（控制器）模型

圖15 調(diào)速器液壓系統(tǒng)模型

3.2 水輪機及其調(diào)速系統(tǒng)自定義模型仿真驗證

3.2.1 調(diào)速器模型仿真效驗

自定義調(diào)速器模型仿真結(jié)果見表8，自定義調(diào)速器模型仿真與實測過程比較見圖17。

圖17 調(diào)速器模型仿真與實測過程比較

3.2.2 機組-引水道模型參數(shù)辨識與仿真效驗

辨識用數(shù)據(jù)實測動態(tài)過程見圖18，機組-引水道模型參數(shù)辨識結(jié)果見表9，機組-引水道模型仿真結(jié)果見表10，機組-引水道辨識效果見圖19。

表7 自定義模型參數(shù)

表8 自定義調(diào)速器仿真結(jié)果

表9 機組-引水道參數(shù)辨識結(jié)果

表10 機組-引水道模型仿真結(jié)果

3.3 水輪機及其調(diào)速系統(tǒng)PSASP6.28模型及參數(shù)

調(diào)速器控制器（數(shù)字控制系統(tǒng)）模型見圖20，調(diào)速器液壓系統(tǒng)（含執(zhí)行機構(gòu)）模型見圖21，水輪機模型見圖22，與模型對應(yīng)參數(shù)見圖23及圖24。

圖18 實測動態(tài)過程

圖19 機組-引水道辨識效果圖

圖20 調(diào)速器控制器（數(shù)字控制系統(tǒng)）模型

圖21 調(diào)速器液壓系統(tǒng)（含執(zhí)行機構(gòu)）模型

圖22 水輪機模型

3.4 PSASP模型仿真效驗

PSASP模型仿真結(jié)果見表11和表12，模型仿真與實測過程比較見圖25。

圖23 數(shù)字控制系統(tǒng)參數(shù)

圖24 液壓系統(tǒng)及水輪機參數(shù)

表11 PSASP模型仿真校驗結(jié)果（開度）

表12 PSASP模型仿真結(jié)果（功率）

圖25 PSASP模型仿真與實測過程的比較

4 結(jié)論

根據(jù)丹江電廠4號機組的現(xiàn)場實測參數(shù)和數(shù)據(jù)，建立了4號機組水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型，并進行參數(shù)辨識。仿真表明所建模型能較好地反映系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下對頻率變化的動態(tài)響應(yīng)。本文提供了兩種模型和參數(shù)供電網(wǎng)穩(wěn)定計算時選用。

［1］魏守平.現(xiàn)代水輪機調(diào)節(jié)技術(shù)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.

［2］彭天波.水輪機調(diào)速器建模參數(shù)測試?yán)碚撆c應(yīng)用研究［J］.水電站機電技術(shù)，2008（4）.

TV734.4

B

1672-5387（2016）10-0011-06

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.004

2016-06-28

彭天波（1966-），男，高級工程師，從事水電廠經(jīng)濟運行與控制工作。