安哥拉洛馬烏水電站引水系統(tǒng)小波動過渡過程和穩(wěn)定性分析

賴成聯(lián) 劉惠娟

摘要：為研究對不同工況下，洛馬烏（Lomaum）電站帶孤網負荷運行時的小波動過渡過程和穩(wěn)定性，采用當永態(tài)轉差系數(shù)bp為零時，調速器（PID調節(jié)器和電液隨動系統(tǒng)）傳遞函數(shù)為數(shù)學模型，采用遍歷法對調速器的參數(shù)優(yōu)化計算。結果表明所研究方案的調節(jié)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，在五臺機組同時帶大孤負荷時，調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差；在部分機組帶孤負荷和機組空載時，調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

關鍵詞：水電站；引水系統(tǒng)；小波動；穩(wěn)定性；遍歷法

中圖分類號：TK730.4文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2015）002004303

1工程概況

洛馬烏（Lomaum）水電站位于安哥拉本格拉?。˙enguela）的卡通貝拉（Catumbela）河上，引水式電站，裝機容量65 MW，電站安裝5臺臥式機組，5臺水輪發(fā)電機組均設有調壓閥。2009年對該電站進行修復設計，修復設計后電站裝機4臺，其中1號、2號機組單機容量為10 MW，3號和4號機組單機容量為15 MW，預留5號機的機坑。

電站分兩期建設，一期裝4臺立式水輪發(fā)電機組；二期裝5號水輪發(fā)電機組，5號機組的容量應根據(jù)調節(jié)保證計算的成果進行優(yōu)選，故而本次水力過渡過程的計算和研究方案為：1號、2號機組單機容量為10 MW小機，3號和4號機組單機容量為15 MW大機，5號機為15 MW大機。由于安哥拉洛馬烏水電站接入的電網容量較小，初步估算本電站裝機容量約占接入的電網容量的40%。故本文討論水電站帶孤網負荷運行時的穩(wěn)定性問題。

2數(shù)學模型和計算方法

在分析調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)特性時，必須設置調速系統(tǒng)數(shù)學模型，本文采用在Kp、Ki和Kd空間中尋優(yōu)的方法，即當永態(tài)轉差系數(shù)bp為零時，調速器（PID調節(jié)器和電液隨動系統(tǒng)）傳遞函數(shù)為：

G（s）=Kps+Ki[]s+Kds[]Tss+11[]Tys+1

式中：Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分增益；Ty、Ts分別為接力器、微分時間常數(shù)；S為拉普拉斯算子；

調速器參數(shù)優(yōu)化計算采用遍歷法，由于Kp、Ki和Kd之間交互作用明顯，一般不能使用簡單的正交法，故直接采用遍歷法求取優(yōu)化的參數(shù)組合。如能找到一組或若干組調速器參數(shù)組合，使系統(tǒng)是穩(wěn)定的并有較好的動態(tài)過程，那么該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。如果找不到這樣的調速器參數(shù)組合，那么該系統(tǒng)是不穩(wěn)定的或者是穩(wěn)定的但動態(tài)特性達不到要求。同樣如果存在一定范圍的調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定域或者調壓室斷面面積大于需要的穩(wěn)定斷面面積，那么系統(tǒng)是穩(wěn)定的，反之系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

3小波動穩(wěn)定性復核分析

3.1調速器參數(shù)優(yōu)化計算

采用遍歷法對下列工況進行調速器參數(shù)優(yōu)化計算，結果見表1-表7。

表1為優(yōu)化目標3號機參數(shù)。優(yōu)化調速器參數(shù)整定為：Kp=0.6，Ki=0.2，Kd=1.2，調速時間32.9 s，最大轉速偏差為0.069 17。

表1上游水位1 061.0 m，五臺機帶孤網額定負荷，施加10%減負荷擾動

調節(jié)時間/s[]Kp[]Ki[]Kd

55.24[]0.6[]0.2[]0

55.06[]0.6[]0.2[]0.3

41.68[]1.2[]0.3[]0.6

37.42[]1.5[]0.3[]0.9

32.9[]0.6[]0.2[]1.2

33.22[]0.6[]0.2[]1.5

表2為優(yōu)化目標3號機參數(shù)。優(yōu)化調速器參數(shù)整定為：Kp=0.6，Ki=0.2，Kd=0.0，調速時間25.14 s，最大轉速偏差為0.06960。

表2上游水位1 061.0 m，三臺大機帶孤網額定負荷，施加10%減負荷擾動

調節(jié)時間/s[]Kp[]Ki[]Kd

25.14[]0.6[]0.2[]0

26.08[]0.6[]0.2[]0.3

表3為優(yōu)化目標1號機參數(shù)。優(yōu)化調速器參數(shù)整定為：Kp=0.9，Ki=0.2，Kd=0.3。調速時間32.22 s，最大轉速偏差0.062 07

表3上游水位1 061.0 m，三臺小機帶孤網額定負荷，施加10%減負荷擾動

調節(jié)時間/s[]Kp[]Ki[]Kd

34.16[]1.8[]0.2[]0

32.22[]0.9[]0.2[]0.3

33.46[]0.9[]0.2[]0.6

表4為優(yōu)化目標3號機參數(shù)。優(yōu)化調速器參數(shù)整定為：Kp=1.2，Ki=0.3，Kd=0.3。調速時間19.74 s，最大轉速偏差0.046 02。

表4上游水位1 061.0 m，一臺大機帶孤網額定負荷，施加10%減負荷擾動

調節(jié)時間/s[]Kp[]Ki[]Kd

22.78[]0.9[]0.2[]0

19.74[]1.2[]0.3[]0.3

20.08[]1.2[]0.3[]0.6

表5為優(yōu)化目標1號機參數(shù)。優(yōu)化調速器參數(shù)整定為：Kp=1.5，Ki=0.3，Kd=0.9。調速時間21.64 s，最大轉速偏差0.046 22。

表5上游水位1 061.0 m，一臺小機帶孤網額定負荷，施加10%減負荷擾動

調節(jié)時間/s[]Kp[]Ki[]Kd

26.26[]2.1[]0.3[]0

26.16[]2.1[]0.3[]0.3

26.04[]2.1[]0.3[]0.6

21.64[]1.5[]0.3[]0.9

21.88[]1.5[]0.3[]1.2endprint

表6為優(yōu)化調速器參數(shù)。整定為：Kp=0.9，Ki=0.1，Kd=0.0。調速時間14.46 s，最大轉速偏差0.006 05

表6上游水位1 061.0 m，一臺大機空載，施加10%增頻擾動

調節(jié)時間/s[]Kp[]Ki[]Kd

14.46[]0.9[]0.1[]0

15.42[]0.9[]0.1[]0.3

表7為優(yōu)化調速器參數(shù)。整定為：Kp=2.7，Ki=0.1，Kd=1.5。調速時間11.82 s，最大轉速偏差0.009 91

表7上游水位1 061.0 m，一臺小機空載，施加10%增頻給擾動

調節(jié)時間/s[]Kp[]Ki[]Kd

15.66[]1.2[]0.1[]0

14.34[]1.5[]0.1[]0.3

13.54[]1.8[]0.1[]0.6

12.88[]2.1[]0.1[]0.9

12.28[]2.4[]0.1[]1.2

11.82[]2.7[]0.1[]1.5

11.90[]2.7[]0.1[]1.8

上述計算中，引水道糙率為平均值。由計算結果可見，在孤網運行時，在上述的各種工況中，調節(jié)系統(tǒng)原則上是穩(wěn)定的。

在帶孤網負荷運行分析中，負荷的性質有重要影響。水泵、風機等葉片式機械的自調整系數(shù)為1，對系統(tǒng)穩(wěn)定是有利的；電熱負荷的自調整系數(shù)為-1，對系統(tǒng)穩(wěn)定是不利的。計算時設定負荷自調整系數(shù)為0，若孤網中有較多的電熱負荷，則可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2線性系統(tǒng)調速器參數(shù)穩(wěn)定域計算

對7種不同工況進行線性系統(tǒng)調速器參數(shù)穩(wěn)定域計算，結果見表8。

表8線性系統(tǒng)調速器參數(shù)穩(wěn)定域計算

工況[]比例增益Kp近似最大值[]積分增益Ki近似最大值

[BHDG1*2]上游1 061.0 m，五臺機帶孤網額定負荷[]3.5[]0.9

[BHDW]上游1 061.0 m，三臺大機帶孤網額定負荷[]3.5[]0.9

[BH]上游1 061.0 m，兩臺小機帶孤網額定負荷[]5[]1.1

[BH]上游1 061.0 m，一臺大機帶孤網額定負荷[]8.7[]3.4

[BH]上游1 061.0 m，一臺小機帶孤網額定負荷[]8.7[]2.7

[BH]上游1 061.0 m，一臺大機空載[]大[]大

[BH]上游1 061.0 m，一臺小機空載[]大[]大

注：上表計算成果取平均糙率。

在調速器參數(shù)穩(wěn)定域圖上，等Kd曲線將KpKi平面分成兩部分，在曲線左側的區(qū)域為穩(wěn)定域，在曲線的右側為不穩(wěn)定域。應該說明，穩(wěn)定域只表明，當調速器參數(shù)選在該范圍內，調節(jié)系統(tǒng)的調整根具有負的實部，因此在理論上系統(tǒng)是穩(wěn)定的。若實部的絕對值太小，那么過渡過程的時間將很長，若虛部太大，過渡過程會有強烈的振蕩，在工程上是不能用的。

本電站五臺機同時帶孤網大負荷時，調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定域較小，但還是有一定的范圍。隨著同時工作的機組臺數(shù)減少，調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定域逐步擴大。因此本電站調節(jié)系統(tǒng)原則上時穩(wěn)定的。

3.3線性系統(tǒng)調壓室斷面穩(wěn)定域計算

對5種工況進行調壓室斷面穩(wěn)定域計算，結果見表9。

表9調壓室穩(wěn)定斷面計算結果

工況[]穩(wěn)定斷面/m2

[BHD]上游1 061.0 m，五臺機帶孤網額定負荷[]32

[BHDW]上游1 061.0 m，三臺大機帶孤網額定負荷[]30

[BH]上游1 061.0 m，兩臺小機帶孤網額定負荷[]22

[BH]上游1 061.0 m，一臺大機帶孤網額定負荷[]18

[BH]上游1 061.0 m，一臺小機帶孤網額定負荷[]20

注：上表計算成果引水道損失系數(shù)取最小值。

在調壓室斷面穩(wěn)定域圖上，等Kp線將SKi平面分成兩部分，在曲線的左上部為穩(wěn)定域，在曲線的右下部為不穩(wěn)定域。當調壓室實際面積大于曲線規(guī)定的面積，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。本電站調壓室在高程1 054 m以上，實際面積78.54 m2，超過所需穩(wěn)定斷面，因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

4結語

通過對方案（1號、2號機組單機容量為10 MW小機，3號和4號機組單機容量為15 MW大機，5號機為15 MW大機）的小波動過渡過程和穩(wěn)定性分析表明，該方案調節(jié)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，在五臺機組同時帶大孤負荷時，調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差；在部分機組帶孤負荷和機組空載時，調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。由于本電站設有調壓閥，一般小波動時，調壓閥不會開啟，導葉運動較慢，因此小波動過渡過程調節(jié)時間較長，頻率超調節(jié)量較大。由于增加第5臺機組會導致水力損傷加大，故建議計算和分析電站的水力損失和能量損失。[HJ1.7mm]參考文獻：

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[4]陳德亮.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，1995.endprint