直流孤岛方式下水轮发电机组调速器精确建模研究

樊丽娟，董洪魁，刘兴福

(1.南方电网科学研究院，广东 广州 510080；2.云南电力试验研究院，云南 昆明 650217)



直流孤岛方式下水轮发电机组调速器精确建模研究

樊丽娟1，董洪魁2，刘兴福2

(1.南方电网科学研究院，广东 广州 510080；2.云南电力试验研究院，云南 昆明 650217)

摘要：孤岛运行时，由于系统容量相对单台机组较小，扰动后频率波动范围较大，现有常用调速器模型无法准确模拟水轮发电机组的响应，不能对直流孤岛工况进行正确的计算分析。为此，以楚穗直流送端大型水电厂实际机组为例，建立了调速器精确模型，并将EMTDC仿真与试验结果对比，证明该模型可精确模拟调速器各环节的响应，适用于直流孤岛运行各工况的仿真计算。

关键词：楚穗直流；送端孤岛运行；水轮发电机组调速器；EMTDC建模

近年来直流输电工程大规模投产，为了减少高压大容量直流对电网安全的影响，同时有利于提高通道送电能力，直流孤岛送电系统成为新的发展方向。2010年6月，世界首个±800 kV特高压直流输电工程——云南送广东直流输电工程(以下简称“楚穗直流”)双极投产，经过7个阶段的孤岛调试试验后，于2013年9月首次进入直流输电送端系统孤岛运行。另外，在建和已投运的多个直流输电工程，如糯扎渡±800 kV特高压直流输电工程、溪洛渡±500 kV双回高压直流输电工程、哈密至郑州±800 kV特高压直流输电工程等，均采用了直流送端系统孤岛运行方式[1-4]。

对于直流孤岛系统的分析计算，鉴于电力电子器件的特性，机电暂态软件已不能满足计算的需求，需采用电磁暂态计算软件，如PSCAD/EMTDC，并建立精确的仿真模型，特别是需要重新搭建调速器模型。

水轮机调节系统是一个典型的高阶、时变、非最小相位、参数随工况点改变而变化的非线性的复杂系统，确定其精确数学模型十分困难。在目前的电力系统分析计算中，通常采用中国电力科学研究院开发的机电暂态稳定程序反向传播算法(back propagation algorithm，BPA)中提供的调速器模型。若系统容量远大于单台发电机组容量，对单台发电机进行功率调节不会影响整个电网的频率，大电网的频率偏差通常在±0.2 Hz以内，因此调速系统模型差异对系统频率的计算结果不会有根本性的影响。但该模型仅保留了调速器的部分特性，无法精确模拟水轮发电机的动态特性，特别是无法模拟调相状态。

直流送端孤岛方式交流系统一般由几台大容量发电机组构成，单台发电机组的功率调整对系统的频率影响较大，频率偏差也在更大的范围内。如楚穗直流输电工程孤岛运行时，由于各种扰动，机组频率在48～64 Hz范围内[5-6]。发电机组调速器厂家针对机组孤岛方式运行开发了新的微机调节策略，以适应更大范围内的频率调节。现有常用发电机调速器模型不再适用，特别是电液伺服系统的模型过于简单，无法准确反映水轮发电机组的动态调节过程，因此必须建立更为贴近实际和精确的调速器模型，才能准确反应孤岛系统内直流系统与发电机组的功率调整和频率变化。

本文在研究水轮发电机组调速器的结构和控制原理后，在PSCAD/EMTDC中建立了精确的调速器模型，通过试验获得了相关参数，并测试了调速器的特性，仿真结果与试验结果吻合，验证了模型的正确性。

1水轮发电机组调速器结构及传统模型

电力系统中向发电机提供机械功率和机械能的机械装置如水轮机、汽轮机等统称为原动机。为了控制原动机向发电机输出的机械功率，并保持电网的正常运行频率，以及在各并列运行的发电机之间合理分配负荷，每一台原动机都配置了调速器。调速系统一般通过控制汽轮机的汽门开度或水轮机的导叶开度来实现功率和频率调节。原动机及其调速器在电力系统中的作用及其与其他元件的关系如图1所示。

AGC—自动发电控制，automatic generation control的缩写，仅作用于选定的部分机组。图1　调速器液压系统自动控制框图

对于水轮机调速器，发电机的转速信号经测速元件测量并与给定转速值比较，其偏差值与外加的各种指令信号以及永态(硬反馈)和暂态反馈(或称软反馈)信号相综合；其后，该信号经放大通过主配压阀控制主接力器，从而推动导水机构，调节水轮机出力。

目前使用的水轮发电机组调速器主要是微机调速器，数学模型一般分为三个部分：微机调节器、电液伺服系统和水轮机。国内微机调节器基本采用并联比例积分微分(propotional integral differential，PID)结构，通过软件程序实现调速器的控制策略及调节规律；电液伺服系统将调节器输出的数字量或电气量转换为机械液压信号，进一步放大、执行，控制机械液压系统完成对导水机构即导叶的调整；水轮机是水力发电机组的原动机，通过导叶控制水流大小，从而调整水轮机转速，是实现水轮发电机组调速的载体。

目前普遍采用的水轮机调速器计算模型分为微机调节器和液压机构两部分，其中，调速器模型较为粗略，不具备空载开度、两段关闭速度设置等功能，而电液伺服系统在较大范围内调节时，无法正确反映调速器的动态响应。因此，本文根据孤岛控制策略对微机调节器重新建模，增加相应的功能，对电液伺服系统详细考虑各模块在调节系统中的作用，进行精确建模。

2直流孤岛方式下水轮发电机组调速器模型

直流输电系统送端采用孤岛方式运行时，在各种扰动下，系统的频率波动范围较大，一般机组会有特殊的控制策略，需要对调节器和电液伺服系统进行精确建模，才能准确反映孤岛系统的频率特性。本文以楚穗直流输电工程为例，进行发电机组调速器建模研究。

2.1微机调节器

孤岛运行方式下采用的水轮发电机组调速器控制策略如图2所示，输入为机组频率，输出为开度目标值，其中各参数意义见表1。

s为积分因子。图2　直流孤岛方式微机调节器控制策略

表1微机调节器参数

符号参数名符号参数名Kf反馈比例系数Bp输出反馈系数Tf反馈积分系数Lnm反馈限幅KP比例系数Lder输出限幅KI积分常数Lint根据机组状态自动调整KD微分常数Lreg根据机组状态自动调整Tn微分时间DB频率死区

2.2电液伺服系统

电液伺服控制系统多数具有良好的控制性能，并具有一定的鲁棒性，有广泛的应用性，其主要由主配压阀、集成阀块、滤油器等组成。主配压阀是实现操作接力器的功能部件；集成阀块上集成了系统中的绝大部分液压控制和操作元件，是实现液压逻辑各元件总成后的功能部件；滤油器是向系统中液压控制元件提供洁净压力油的功能部件。

电液伺服系统的动态特性是衡量一套电液伺服系统设计及调试水平的重要指标，由电信号处理装置和若干液压元件组成。元件的动态性能相互影响，相互制约及系统本身所包含的非线性致使其动态性能复杂，数学模型不可能用恒定不变的理论公式来描述，需要通过不同工况的试验来测定。此外，为了减小水锤压力，水轮发电机组调速器的接力器都设置了两段关闭。控制回路如图3所示，其数学模型框图如图4所示。

图3　调速器液压系统自动控制框图

K0、K1、K2均为比例系数；ty1、ty2分别为主配压阀时间常数和接力器时间常数。图4　调速器电液伺服系统模型框图

3仿真验证

为了验证精确模型的正确性，需要对水轮发电机组进行现场试验，分别测定各环节参数，并在EMTDC中搭建精确模型，与试验结果对比。

3.1微机调节模型验证

试验时将频率给定值设定为一条变化的曲线，如图5所示，该频率从50 Hz经过7 s升至56 Hz，再经过90 s下降到48 Hz 作连续扰动，变化率不等。该曲线可代表典型频率扰动，测量微机调节环节的PID输出。

注：试验与仿真给定频率曲线基本重合。图5　试验与仿真给定频率对比

图6　试验与仿真PID输出结果对比

利用所搭建的EMTDC模型进行相同的仿真，将二者进行对比，结果如图6所示。从对比曲线可以看出，在给定频率扰动相同的情况下，仿真结果与试验结果能够较好的吻合。在20 s左右，PID输出试验测量曲线有一个尖锐的反调，而仿真曲线没有，从时间轴上可以看出，该反调出现时频率正好达到最大值拐点处。这是因为在实际装置中，数据采样率较低，计算步长较大，在频率最大值拐点处，数据不可导，导致微分项较大，引起PID输出反调；而仿真中由于数据采样率高，计算步长较小，不会出现数据不可导的情况；而在实际运行中，由于系统惯性较大，机组频率不会出现这样的拐点，也不会出现这种情况。在75 s左右，频率下降到51 Hz，PID输出开始增加，按照8%/s的速度，从0增加到空载开度以下2%，这是因为当频率从较大值减小到51 Hz时，将积分环节和PID输出环节的最小值限制在比空载开度小2%。由于发电机组的铜损、铁损、摩擦等各种机械损耗，发电机组稳定运行时需要一定的机械功率平衡空载损耗，对应的导叶开度为空载开度。导叶开度小于空载开度时，稳定时机组实际工作在电动机状态，即调相状态。在多台机组的直流孤岛系统中，由于各发电机组的参数和性能不同，会导致甩负荷后一些机组运行在发电机状态，一些机组运行在电动机状态，即调相状态。限制PID输出下限值的逻辑是为了保证发电机组不会长时间运行在调相状态。

3.2电液伺服系统模型验证

根据图4在EMTDC中搭建电液伺服系统模型，为了验证电气两段关闭逻辑，也将其纳入到该模型中。其中输入信号为微机调节器的PID输出，经过两段关闭逻辑得到开度目标值，内环控制器的输出为主配压阀位移，模型最终输出信号为经过电液转换系统的开度实际值。对该模型进行开环测试，在PID输出值70%的基础上向下扰动20%，待系统稳定后再向上或向下扰动约30%，测量各环节信号，对比仿真与试验曲线如图7、图8所示。

图7　开度稳态值70%向上扰动26%的曲线对比

图8　开度稳态值70%时向下扰动30%的曲线对比

为了验证模型对不同稳态值基础上的扰动以及扰动量大小的适应性，在PID输出值50%的基础上进行2%的上下扰动，对比曲线如图9所示。在PID输出值50%的基础上进行20%～30%的上下扰动，对比曲线如图10所示。同时，在各扰动试验中对比所建立的精确模型与现有常用模型的导叶开度实际值。

图9　开度稳态值50%上下扰动2%的曲线对比

注：第一幅图中试验曲线和仿真模型输入曲线基本重合；第二幅图中试验曲线和实用新型计算曲线基本重合；第四幅图中试验曲线和实用新型计算曲线基本重合。图10　开度稳态值50%上下大扰动的曲线对比

此外，为了减小水锤压力，水轮发电机组调速器的接力器都设置了两段关闭。模拟两段关闭规律为：在导叶开度为55%以上时，接力器关闭速度为快关速度8%；在导叶开度为55%以下时，接力器关闭速度为慢关速度4%。

从对比曲线可以看出，在相同的给定条件下，所建立的水轮发电机组调速器电液伺服系统模型的仿真结果能与各环节试验曲线较好吻合，比现在常用模型具有更好的适应性。

4结束语

直流输电的孤岛运行方式对系统频率的仿真计算提出了更高的要求。本文以楚穗直流工程送端某大型水电站为例，在EMTDC中建立了水轮发电机组调速器的精确模型，并对模型进行了开环测试。测试结果表明，所建立的调速器模型与机组实际调速器响应一致，而现有常用调速器模型与实际响应差异较大，精确模型可以用于直流孤岛运行各工况的计算分析。

参考文献：

[1] 南方电网技术研究中心，西南电力设计院. 800 kV云广特高压直流送端孤岛运行方式研究[R]. 广州：南方电网技术研究中心，2007.

[2] 南方电网技术研究中心. 楚穗直流孤岛运行专题分析报告[R]. 广州：南方电网技术研究中心，2010.

[3] 南方电网科学研究院. 糯扎渡电站送电广东± 800 kV直流输电工程直流孤岛运行[R]. 广州：南方电网科学研究院，2011.

[4] 南方电网科学研究院有限责任公司.溪洛渡送广东直流孤岛运行专题分析报告[R]. 广州：南方电网科学研究院，2011.

[5] 吴小辰，金小明，赵勇.云广直流孤岛运行的稳定特性研究[J]. 南方电网技术，2010，4(增刊1)：7-12.

WU Xiaochen, JIN Xiaoming, ZHAO Yong.Study on Stability Characteristic of Yun-Guang DC Island Operaiton[J]. Southern Power System Technology, 2010,4(S1):7-12.

[6]南方电网科学研究院有限责任公司.直流输电孤岛运行技术研究[R]. 广州：南方电网科学研究院有限责任公司，2014.

樊丽娟(1984)，女，四川简阳人。工程师，工学硕士，研究方向为电力系统电磁暂态建模仿真、电力系统安全稳定计算、直流输电工程设计以及大电网交直流相互影响分析。

董洪魁(1963)，男，浙江新昌人。高级工程师，工学学士，从事水轮机组运行稳定性分析及调速系统性能优化研究。

刘兴福(1982)，男，四川乐至人。工程师，工学硕士，从事水轮机组一次调频及调速系统参数辨识研究。

(编辑查黎)

Research on Precise Modeling on Governor of Water-turbine Generator Unit Under DC Island Mode

FAN Lijuan1, DONG Hongkui2, LIU Xingfu2

(1. Electric Power Research Institute, CSG , Guangzhou, Guangdong 510080, China; 2.Yunnan Power Research & Test Institute(Group) Co., Kunming, Yunnan 650217, China)

Abstract：Due to system capacity being comparatively small than that of single unit at the time of island running, fluctuation range of frequency after disturbance is larger, present common governor model can not correctly simulate response of water-turbine generator unit and conduct correct calculation analysis on working condition of the DC island. Therefore, this paper takes practical unit in Chu-sui DC sending-end large water power plant as an example, establishes precise model of the governor and compares EMTDC simulation result and experimental result. It is proved that this model could accurately simulate response of each link of the governor which is applicable to simulating calculation on each working condition of DC island operation.

Key words：Chu-sui DC; sending-end island operation; governor of water-turbine generator unit; EMTDC modeling

作者简介：

中图分类号：TM312

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)02-0080-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.016

收稿日期：2015-08-17