燈泡貫流式雙調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

彭天波

（湖北省電力試驗(yàn)研究院，湖北 武漢 430077）

燈泡貫流式雙調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

彭天波

（湖北省電力試驗(yàn)研究院，湖北 武漢 430077）

以燈泡貫流式雙調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)組為例，首先進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并經(jīng)分析、整理后得出了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的重要參數(shù)，之后分別采用最小二乘法（LS）和基因遺傳算法（G A）對(duì)原動(dòng)機(jī)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模和參數(shù)辨識(shí)，得到非線性"自定義"模型，并與電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算通用模型PSA SP進(jìn)行了比較分析，從而建立了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下的模型和數(shù)據(jù)，為電力系統(tǒng)仿真研究提供與實(shí)際系統(tǒng)狀況相吻合的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，滿足了電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算的要求。

燈泡貫流式機(jī)組；參數(shù)測(cè)試；調(diào)速系統(tǒng)建模；仿真

某航電樞紐工程1號(hào)機(jī)組為燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，由東芝水電設(shè)備(杭州)有限公司生產(chǎn)，其主要設(shè)備參數(shù)如下：

水輪機(jī)型號(hào)GZ(TB5003)-WP-691；最大功率16.980MW；額定功率15.432MW；最大水頭8.4m；設(shè)計(jì)水頭4.7m；最小水頭1.5m；設(shè)計(jì)流量≤366.47m3/s。發(fā)電機(jī)型號(hào)SFWG15-84-7300；額定容量16.67MVA；額定功率15MW；額定電壓10.5kV；額定電流916.4A；額定頻率50Hz；額定轉(zhuǎn)速71.4r/min；飛逸轉(zhuǎn)速240r/min；功率因素 0.9(滯后)；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 3000t·m2；慣性時(shí)間常數(shù)Tw6.13(額定水頭)/2.06（最大水頭）s。

調(diào)速器調(diào)節(jié)參數(shù)調(diào)整范圍如下：

比例增益 KP：0.5～20；積分增益 Ki：0.025～10；微分增益 Kd：0～40；永態(tài)轉(zhuǎn)差率 bp調(diào)整范圍：0～10%；人工轉(zhuǎn)速死區(qū)調(diào)整范圍：0～±0.3Hz；電氣開(kāi)限調(diào)整范圍：0～100%“；頻率給定”（數(shù)字給定）調(diào)整范圍：45～55Hz；“功率給定”（數(shù)字給定） 調(diào)整范圍：0～100%。

調(diào)速器液壓控制系統(tǒng)參數(shù)如下：

型號(hào)：PZWST150-6.3-Stars；額定工作壓力：6.3MPa；主配壓閥直徑：150mm；主配壓閥最大行程：15mm；濾芯精度：10μm(0120D010BN/HC)；差壓發(fā)訊器發(fā)訊壓差：0.2MPa。

1 調(diào)速器建模參數(shù)測(cè)試條件、測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果

1.1 調(diào)速器靜特性試驗(yàn)(測(cè)量bp、ix、NL等參數(shù))

1.1.1 試驗(yàn)條件

蝸殼未充水，調(diào)速器處于自動(dòng)運(yùn)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(jī)組模擬并網(wǎng)(斷路器位置信號(hào)短接)。

1.1.2 試驗(yàn)方法

由調(diào)速器測(cè)試儀給調(diào)速器提供額定的機(jī)頻輸入信號(hào)，以開(kāi)度給定將導(dǎo)葉接力器調(diào)整到50%行程附近。然后，將調(diào)速器處于自動(dòng)運(yùn)行方式，升高或降低頻率使接力器全關(guān)或全開(kāi)，調(diào)整頻率信號(hào)值，使之按一個(gè)方向逐次升高或降低，在導(dǎo)葉接力器每次變化穩(wěn)定后，用調(diào)速器測(cè)試儀記錄該次信號(hào)頻率值及相應(yīng)的接力器行程、漿葉行程，分別繪制頻率升高或降低的靜態(tài)特性曲線。每條曲線在接力器行程10%～90%的范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)不少于10點(diǎn)。

設(shè)定 bt=5%，Td=2s，Tn=0，bp=6%，分三個(gè)水頭（最大水頭8.4m，額定水頭4.7m，最小水頭1.5m）進(jìn)行試驗(yàn)。

1.1.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，額定水頭下的試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖1。

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圖1 額定水頭4.7m調(diào)速器靜態(tài)特性

1.2 頻率擾動(dòng)試驗(yàn)(測(cè)量bt、Td、Tn等參數(shù))

1.2.1 試驗(yàn)條件

蝸殼未充水，調(diào)速器處于自動(dòng)運(yùn)行方式；切除人工死區(qū)；置增益為整定值，bp=0，頻率給定為額定值；機(jī)組模擬并網(wǎng)(斷路器位置信號(hào)短接)。分別在空載、并網(wǎng)一次調(diào)頻模式下進(jìn)行。

1.2.2 試驗(yàn)方法

由調(diào)速器測(cè)試儀給調(diào)速器提供額定的機(jī)頻輸入信號(hào)，以開(kāi)度給定將導(dǎo)葉接力器調(diào)整到5%行程附近。斷開(kāi)主接反饋，用調(diào)速器測(cè)試儀改變機(jī)組輸入頻率，記錄頻率改變后、PID輸出、導(dǎo)葉接力器行程變化過(guò)程曲線。試驗(yàn)在調(diào)速器參數(shù)設(shè)定為bp=0，bt=20%，Td=8s，Tn=0.2s和bp=0，bt=20%，Td=8s，Tn=0s兩種參數(shù)組合下進(jìn)行。

1.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試結(jié)果匯總見(jiàn)表2。以第4組bp=0，bt=20%，Td=8s，Tn=0.2s為代表的試驗(yàn)錄波圖見(jiàn)圖2所示。

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圖2 第4組頻率擾動(dòng)試驗(yàn)

1.3 接力器關(guān)閉規(guī)律試驗(yàn)(測(cè)量主接最短關(guān)閉時(shí)間Ts、最短開(kāi)機(jī)時(shí)間Tg)

測(cè)量主接最短關(guān)閉時(shí)間Ts、最短開(kāi)機(jī)時(shí)間Tg結(jié)果見(jiàn)表3。

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1.4 測(cè)量人工死區(qū)試驗(yàn)

1.4.1 試驗(yàn)條件

蝸殼未充水，調(diào)速器處于自動(dòng)運(yùn)行方式。

1.4.2 試驗(yàn)方法

用階躍頻率信號(hào)法校驗(yàn)調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)，把測(cè)試儀輸出的頻率信號(hào)整定為50Hz，于額定頻率基礎(chǔ)上每步0.01Hz（或0.005Hz）施加正（或負(fù)）的階躍頻率偏差信號(hào)，并逐一錄波；直到接力器開(kāi)始產(chǎn)生與此信號(hào)對(duì)應(yīng)的改變，此時(shí)的頻率累積偏差信號(hào)即為人工死區(qū)。

1.4.3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)測(cè)試調(diào)速系統(tǒng)人工死區(qū)為0.05Hz。

1.5 頻率及開(kāi)度給定擾動(dòng)試驗(yàn)（測(cè)量接力器反應(yīng)時(shí)間Ty、槳葉反應(yīng)時(shí)間Tz）

1.5.1 試驗(yàn)條件

蝸殼未充水，調(diào)速器處于自動(dòng)運(yùn)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(jī)組模擬并網(wǎng)(斷路器位置信號(hào)短接)。斷開(kāi)主接反饋。

1.5.2 試驗(yàn)方法

由調(diào)速器測(cè)試儀給調(diào)速器提供額定的機(jī)頻輸入信號(hào)，以開(kāi)度給定將導(dǎo)葉接力器行程調(diào)整到拐點(diǎn)以上，給定頻率或開(kāi)度擾動(dòng)，用調(diào)速器測(cè)試儀記錄頻率或開(kāi)度給定變化后導(dǎo)葉接力器行程、槳葉行程變化過(guò)程曲線。

1.5.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

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1.6 并網(wǎng)頻率擾動(dòng)試驗(yàn)（測(cè)量動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間）

1.6.1 試驗(yàn)條件

機(jī)組帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)速器處于自動(dòng)運(yùn)行方式。

1.6.2 試驗(yàn)方法

機(jī)組帶70%額定負(fù)荷（10MW）運(yùn)行，用調(diào)速器測(cè)試儀改變輸入調(diào)速器的頻率，模擬改變電網(wǎng)頻率。把測(cè)試儀輸出的額定頻率信號(hào)接入調(diào)速器的機(jī)頻信號(hào)輸入端，分別于額定網(wǎng)頻基礎(chǔ)上施加正負(fù)階躍偏差頻率信號(hào)（從 0.1Hz、-0.1Hz；0.2Hz、-0.2Hz；到0.3Hz、-0.3Hz，每個(gè)模擬網(wǎng)頻信號(hào)持續(xù)60s以上(以接力器穩(wěn)定時(shí)間為準(zhǔn))，頻率變化范圍49.70～50.30Hz）；用調(diào)速器測(cè)試儀分別對(duì)模擬網(wǎng)頻頻率、有功功率和導(dǎo)葉開(kāi)度、槳葉角度信號(hào)進(jìn)行錄波。

試驗(yàn)實(shí)際水頭5.4m，仿真水頭6.0m，開(kāi)度模式，bp=4%，bt=20%，Td=2s，Tn=8s。

1.6.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)建模，其中±0.2Hz的頻率擾動(dòng)試驗(yàn)示波圖見(jiàn)圖3、圖4所示

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2 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)完成以后，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理，得出了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的重要參數(shù)。分別采用最小二乘法（LS）和基因遺傳算法（GA）對(duì)原動(dòng)機(jī)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模和參數(shù)辨識(shí)，得到非線性“自定義”模型，并與電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算通用模型PSASP進(jìn)行了比較分析。

2.1 自定義調(diào)速器模型、參數(shù)及仿真

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型（自定義模型）如圖5～圖7所示。

模型中符號(hào)含義和參數(shù)見(jiàn)表6。

表6自定義調(diào)速器模型符號(hào)含義與參數(shù)控制器參數(shù)導(dǎo)葉液壓系統(tǒng)參數(shù) 槳葉液壓系統(tǒng)參數(shù)

得到模型后進(jìn)行仿真計(jì)算。調(diào)速器導(dǎo)葉開(kāi)度仿真結(jié)果見(jiàn)圖8，調(diào)速器槳葉開(kāi)度仿真結(jié)果曲線見(jiàn)圖9。

2.2 自定義機(jī)組-引水道模型、參數(shù)及仿真

水輪機(jī)機(jī)組-引水道在并網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型（自定義模型）如圖10所示。

模型中符號(hào)含義和參數(shù)見(jiàn)表7，仿真效果見(jiàn)圖11、圖12所示。

表7自定義機(jī)組-引水道模型符號(hào)含義與參數(shù)

2.3 自定義模型仿真輸出與實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)過(guò)程比較

采用LS及GA法所得自定義模型仿真輸出與實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)過(guò)程比較見(jiàn)圖13、圖14所示。

2.4 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下的自定義模型與PSASP模型的比較

PSASP模型見(jiàn)圖15所示，其模型符號(hào)含義及參數(shù)見(jiàn)表8，本次在1號(hào)機(jī)組建立的自定義模型與PSASP模型的動(dòng)態(tài)過(guò)程比較見(jiàn)圖16、圖17。

表8PSASP模型符號(hào)含義與參數(shù)

3 結(jié)論與建議

根據(jù)該電站1號(hào)機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)和數(shù)據(jù)，建立了1號(hào)機(jī)組水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。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(duì)頻率變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并與電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算通用模型PSASP進(jìn)行了比較，可以看出，自定義模型更能反映原動(dòng)機(jī)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)際情況，在電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算中采用效果顯著。

TV734.4

B

1672-5387（2010）04-0023-05

2010-05-19

彭天波（1966-），男，碩士，高級(jí)工程師，從事發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與控制工作。