巨型水电机组功率模式一次调频参数选优仿真研究

张 堃，黄真懿，艾远高

(中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443000)

《能源发展“十三五”规划》中指出大力发展清洁能源，加快优质调峰电源建设，水电是清洁能源，将来承担电网调峰、调频任务将越来越频繁。国家电网调度中心规定所有并网机组必须进行涉网试验并且具备一次调频投运功能。水电机组受地域、季节性，电网调度等因素影响要确定每台机组变水头下一次调频高可靠性投运参数[1]，试验工作量大、周期长、真机试验次数多，试验次数越多产生的风险越高，通过对水电站水轮发电机的PID调节系统、水轮机及引水系统、电液随动系统、发电机-负载等组成部件模型进行研究，搭建能够精确反映水电机组及控制系统的真实动静态特性的高精度仿真模型；将电力科学院试验选优参数应用于仿真模型，仿真数据与试验数据分析，确定可以用仿真模型来代替真实机组辨识功率模式下一次调频参数选优研究，并辨识相应水头的一次调频参数。

1 水轮机调速系统的结构模型

1.1 水轮机调节系统的工作原理

水轮机调节系统[2-4]的工作原理如图1所示：水轮机是水电站的原动机，它将水能转化为电能。其中水轮机调速系统主要是由微机调节控制系统和机械液压控制系统组成，微机调节器接收电信号后作用于机械液压控制系统，机械液压控制系统动作后将动作信号反馈到微机调节器，形成一个由PID结构组成的闭环系统。

水轮机调节系统的模型主要包括：调速器电气部分、水轮机及其引水系统、电液随动系统、执行机构及发电机及负载五个部分，其调节系统原理图如图1。

图1 水轮机调节系统的工作原理

1.2 水电机组调节系统的模型

1.2.1 调速器电气部分模型

该巨型水电组调速系统采用的是并联式PID结构[5]，其工作原理结构如图2。

图2 调速系统PID并联结构图

图2中：bp为永态转差系数；KP比例增益；KI为积分增益；KD为微分增益；T1v为微分衰减时间常数。在进行系统动态和静态分析时，此附加时间常数通常可视为0，控制器称为PID控制器，PID控制器的传递函数：

(1)

如果KD=0，则调节器PI可视为调节器，其传递函数可简化为

(2)

1.2.2 引水系统模型

通过参考文献[2,6,7]可以将水轮机引水系统的模型可以用流体的连续性方程和运动方程模型来建立仿真。考虑其水锤效应，忽略一些次要因素，可得到引水系统简化传递函数：

(3)

1.2.3 水轮机模型

通过参考文献[2,6,7]水轮机通过转轮叶片将水流的能量转换成主轴的旋转动能。在建立仿真模型时，采用经典理想水轮机-刚性水击模型，水轮机及引水系统的传递函数为

(4)

1.2.4 电液随动系统模型

通过参考文献[2,6,7]电液随动系统模型是电信号转化为液压系统的模型，由电液转换器模型和随动系统模型构成。

1)电液转换器模型。忽略高阶和非线性因素，电液转换器的传递函数为

(5)

2)随动系统模型。随动系统模型是液压系统跟随电信号的动作模型，传递函数可简化为

(6)

1.2.5 发电机-负载模型

通过参考文献[6]发电机-负载特性可以用机械旋转运动方程来表示，运动方程如下：

(7)

式中：J为机组转动部分转动惯量，kg*m2；ω为主轴旋转角速度，rad/s；Mg为发电机电磁力矩，N*m；Mt为水轮机的机械力矩，N*m。

其传递函数框图，如图3所示。

图3 发电机-负载特性传递函数方框图

2 一次调频仿真参数与性能要求

《DL/T 1245-2013水轮机调节系统并网运行技术导则》[5]和电网[8]对于水电机组一次调频管理规定中的相关技术指标如下：

1)一次调频的人工死区控制在±0.05 Hz内；

2)永态转差率bp≤4%(调差率ep≤3%)；

3)一次调频的功率调整幅度原则上不应加以限制，但应考虑对机组的最大和最小负荷限制和避开振动区与空化区运行；

4)水电机组的调速器转速死区ix≤0.04%；

5)当电网频率扰动超过一次调频死区时，一次调频功能动作，从水轮机负荷开始调整计算，到达理论调整计算负荷0.9ΔPmax时所用的时间应小于15 s；

6)水电机组在电网频率变化超过机组一次调频死区开始的45 s内，机组实际出力与响应目标偏差的平均值应达到理论计算的调整幅度的±5%内。

3 水轮机调节系统仿真模型建立及精度校验

3.1 水轮机调节系统仿真模型建立

此次研究功率模式下一次调频参数智能选优研究参数所用的仿真平台是基于LabWindows CVI 2013软件开发的一类在线监测软件，根据该水电机组功率模式及水轮机调节系统数学模型，建立仿真模型参数设置(见图4)和仿真结构模型(见图5)如下。

图4 仿真模型主界面图

图5 仿真结构模型图

3.2 水轮机调节系统仿真模型精度校验

3.2.1 试验水头为94 m

电力科学研究院对该水电机组进行一次调频试验，调速器控制方式在功率模下自动运行，一次调频功能投入，频率死区E=±0.05 Hz，永态转差系数(bp)Bp=4%，优选PID参数为KP=12，KI=2.8，KD=0，调频50～49.85～50 Hz，试验曲线如图6所示。

图6 功率模式一次调频下阶跃扰动0.15 Hz录波曲线

从录波曲线图6分析，功率模式一次调频上升至90%目标功率时间为7 s，稳定至100%时间为26 s，发电机扰动功率前为638 MW，扰动后功率为672 MW，满足一次调频指标要求，动态过程存在一定程度的超调量，超调量小于10%，调节过程速动性好，动态过程良好。

在仿真系统中应用相同试验条件，试验选择参数为KP=12，KI=2.8，KD=0，调频50～49.85～50 Hz，试验曲线如图7所示。

图7 功率模式一次调频下阶跃扰动0.15 Hz仿真曲线

从仿真曲线图7中分析得出该水电机组在94 m水头下应用此参数进行功率模式一次调频上升至90%目标功率的时间为7 s，稳定至100%目标功率时间为27 s，发电机扰动功率前为638 MW，扰动后功率为672 MW，动态过程存在一定程度的超调量，满足一次调频性能指标要求，与真实机组试验指标高度一致。

3.2.2 试验水头为106 m

根据电力科学研究院对机组进行一次调频试验，调速器在功率模下自动运行，一次调频功能投入，频率死区E=±0.05 Hz，永态转差系数Bp=4%，优选PID参数为KP=12，KI=2.5，KD=0，调频50～50.15～50 Hz，试验曲线如图8所示。

图8 功率模式一次调频上阶跃扰动0.15 Hz录波曲线

从录波曲线图8分析，功率模式一次调频上升至90%目标功率时间为8 s，稳定至100%时间为15.9 s，发电机扰动功率前为658 MW，扰动后功率为586 MW，满足一次调频指标要求，动态过程存在一定程度的超调量，超调量小于10%，调节过程速动性好，动态过程良好。

在仿真环境中模拟试验条件，试验选择参数为KP=12，KI=2.5，KD=0，调频50～49.85～50 Hz，试验曲线如图9所示。

图9 功率模式一次调频上阶跃扰动0.15 Hz仿真曲线

从仿真图9中分析得出该水电机组在106 m水头下应用此参数进行功率模式一次调频上升至90%目标功率的时间为8 s，稳定至100%目标功率时间为15.9 s，发电机扰动功率前为658 MW，扰动后功率为587 MW，动态过程存在一定程度的超调量，满足一次调频性能指标要求，与真实机组试验指标高度一致。

3.2.3 小 结

该水电机组调速系统功率模式一次调频中有功功率反馈与有功功率给定输入信号需通过功率-开度协联关系曲线后将功率信号转化为开度信号，再乘以bp后进入PID环节，此功率-开度曲线随水头变化而变化，因此，功率模式下调差率ep是经过功率-开度协联关系曲线和bp折算而成，且随水头变化而变化。仿真模型建立完成后，将电力科学院在机组上进行一次调频选出的最优参数在仿真模型上进行功率模式一次调频试验，经过仿真曲线数据分析，仿真数据和真实机组试验数据高度一致，可用仿真模型来代替真实机组进行功率模式下的一次调频参数选优。

4 水电机组一次调频参数仿真选优

仿真水头为85 m，调速器控制方式在功率模下自动运行，一次调频功能投入，频率死区E=±0.05 Hz，永态转差系数Bp=4%，选择PID参数为KP=12，KI=2.5，KD=0，调频50～50.15～50 Hz，仿真试验曲线如图10所示。

图10 功率模式一次调频上阶跃扰动0.15 Hz仿真曲线

从仿真曲线图10中分析可得出该水电机组在85 m水头下应用此参数进行功率模式一次调频上升至90%目标功率的时间为6 s，稳定至100%目标功率的时间为22 s，发电机扰动功率前为650 MW，扰动后功率为603.5 MW，动态过程存在一定程度的超调量，基本满足一次调频性能指标要求。

相同水头及工况下，选择PID参数为KP=12，KI=2.8，KD=0，调频50～50.15～50 Hz，其仿真试验曲线如图11所示。

图11 功率模式一次调频上阶跃扰动0.15 Hz仿真录波曲线

从仿真曲线图11中分析可得出该水电机组在85 m水头下应用此参数进行功率模式一次调频上升至90%目标功率的时间为6 s，稳定至100%目标功率的时间为9 s，发电机扰动功率前为650 MW，扰动后功率为603.5 MW，无动态过程超调量，满足一次调频性能指标要求。

从两套PID参数下仿真结果看，两套PID参数均满足一次调频性能指标要求，但从调节时间及超调量比较，85 m水头下，PID参数为KP=12，KI=2.8，KD=0时效果更优。

5 结 语

此次研究主要对水轮机功率模式一次调频仿真研究模型的建立，并对建立后的仿真模型进行了精度校验，确认可以用仿真模型来代替真实机组进行一次调频参数辨识，并通过仿真模型选出了该水电站85 m水头的最优参数，该仿真模型可为将来水轮机调节控制系统程序功能的开发提供理论依据及技术支撑。