抽水蓄能機組調(diào)速系統(tǒng)實測建模與仿真研究

韓文杰

（清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東清遠511853）

0 引言

南方電網(wǎng)具有遠距離、大容量輸電、交直流混合運行、系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻能力低、電源形式多樣、線路架構(gòu)復雜等特點。大型抽水蓄能機組調(diào)速器系統(tǒng)的動態(tài)特性不僅影響機組自身的安全性和經(jīng)濟性，而且對整個電網(wǎng)會產(chǎn)生一定的影響。因此，獲取準確可靠的原動機及調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)，進行相關(guān)仿真計算，了解其動態(tài)特性及對負荷變動的適應(yīng)能力，探討其動態(tài)特性對電網(wǎng)的影響是非常必要的。本文以清遠抽水蓄能電站（簡稱清蓄）2號蓄能機組為例，介紹抽水蓄能機組原動機及調(diào)速系統(tǒng)實測建模與仿真的研究。

1 調(diào)速系統(tǒng)組成及主要技術(shù)參數(shù)

清蓄2號機組原動機及調(diào)速系統(tǒng)由AGC系統(tǒng)、電子調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構(gòu)、引水和泄水系統(tǒng)、水輪發(fā)電機組和測量元件構(gòu)成，如圖1所示。電子調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成水輪機調(diào)速器，電子調(diào)節(jié)器接收機組頻率、功率和AGC系統(tǒng)的負荷給定信號并在內(nèi)部實現(xiàn)頻率和功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，執(zhí)行機構(gòu)按一定特性將電子調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)換成主接力器行程偏差，從而控制機組功率、轉(zhuǎn)速。

清蓄2號機組電子調(diào)節(jié)器為法國ALSTOM研制的TSLG型功能組合式數(shù)字調(diào)節(jié)器，為UPC+SPC的雙通道冗余結(jié)構(gòu)，與計算機監(jiān)控系統(tǒng)相配合，完成水輪發(fā)電機組的開機、停機、增減負荷、緊急停機等任務(wù)，其主要性能參數(shù)見表1。

圖1 原動機調(diào)速系統(tǒng)框圖

表1 清蓄2號機組電子調(diào)節(jié)器參數(shù)表

抽水蓄能機組有水輪機和水泵兩種工況，做水泵工況運行時，調(diào)速器根據(jù)水頭控制導葉的開度，不參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。建立抽水蓄能機組仿真模型只是針對參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的水輪機工況。

2 調(diào)速系統(tǒng)模型及仿真

水輪機及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型由3個部分組成：電子調(diào)節(jié)器模型、執(zhí)行機構(gòu)模型和原動機模型。調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型輸出YPID信號，執(zhí)行機構(gòu)模型根據(jù)YPID信號模擬導葉開度的動作情況，以此影響原動機模型的仿真功率輸出，各模型具體結(jié)構(gòu)如下。

2.1 電子調(diào)節(jié)器部分（GMGM+）

根據(jù)廠家提供的電子調(diào)節(jié)器資料。采用PSD-BPA（4.15版）暫態(tài)穩(wěn)定程序中的GMGM+卡搭建電子調(diào)節(jié)器模型仿真系統(tǒng)如圖2所示。其中，fg為機組頻率（標么值），fc為頻率給定（標么值），DELT為頻率測量的延遲時間（s），DELT2為功率或開度測量的延遲時間（s），TR1為頻率測量環(huán)節(jié)時間常數(shù)（s），TR2為功率或開度測量環(huán)節(jié)時間常數(shù)（s），bp為功率或開度調(diào)差系數(shù)，DB1為轉(zhuǎn)速死區(qū)（標么值），DB2為功率或開度死區(qū)（標么值），DB1MAX為一次調(diào)頻上限，DB1MIN為一次調(diào)頻下限，DB2MAX為功率或開度上限，DB2MIN為功率或開度下限，KP為比例增益，KI為積分增益，KD為微分增益，T1v為微分時間常數(shù)（s），INT1max為積分上限，INT1min為積分下限，YPIDmax為調(diào)節(jié)器輸出上限，YPIDmin為調(diào)節(jié)器輸出下限，ITYP為模式選擇開關(guān)（=1為功率模式，=2為開度模式），ITYP2為開度模式選擇開關(guān)（此開關(guān)在ITYP=2時有效，=0輸入信號為開度Y，=1輸入信號為Ypid），YPID為電子調(diào)節(jié)器輸出。

圖2 電子調(diào)節(jié)器計算模型

模型參數(shù)依據(jù)清蓄電站2號機組調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備資料進行設(shè)置，調(diào)速器頻率給定50Hz，階躍量為-0.15Hz，調(diào)速器自動控制，開度模式，調(diào)節(jié)參數(shù)Intd_bp＝4%、Intd_Kp＝5、Intd_Ti＝2.8s、Intd_Td＝0s、Sn_Kd=5、ef=0.05Hz。仿真利用圖2所示計算模型進行，其參數(shù)設(shè)置為：fg為實測頻率，fc=1，DELT=0s，TR1=0.001 s，DELT2=0 s，TR2=0.001 s，bp=0.040，DB1=0.001，DB1MAX=inf，DB1MIN=-inf，DB2=0，DB2MAX=inf，DB2MIN=-inf，KP=5，KI=1.7s-1，KD=0s，T1v=0.01，INT1max=inf，INT1min=-inf，ITYP=2，ITYP2=1。為方便仿真計算的進行，忽略空載開限與最大開限，將 YPID輸出限幅設(shè)置為YPIDmax=1，YPIDmin=0。

圖3 實測與仿真的調(diào)速器輸出曲線對比

由圖3可知，YPID的實測曲線和仿真曲線基本吻合，說明電子調(diào)節(jié)器部分的模型正確、合理。

2.2 導葉執(zhí)行機構(gòu)部分（GAGA+卡）

根據(jù)廠家提供的導葉執(zhí)行機構(gòu)資料。采用PSD-BPA（4.15版）暫態(tài)穩(wěn)定程序中的GMGM+卡搭建導葉執(zhí)行機構(gòu)仿真系統(tǒng)如圖4所示。其中，YPID為電子調(diào)節(jié)器輸出，Y為導葉執(zhí)行機構(gòu)輸出（接力器行程），Kp為比例增益，Ki為積分增益，Kd為微分增益，INT2max為積分上限，INT2min為積分下限，PIDmax為PID環(huán)節(jié)輸出上限，PIDmin為PID環(huán)節(jié)輸出下限，VELopen為開啟速度限幅，VELclose為關(guān)閉速度限幅，Ty為導葉主接反應(yīng)時間常數(shù)，Ymax為導葉主接最大行程，Ymin為導葉主接最小行程，T1為接力器行程測量環(huán)節(jié)時間常數(shù)（s），Ydelay為導葉執(zhí)行機構(gòu)輸出的延遲時間（s）。

圖4 導葉執(zhí)行機構(gòu)計算模型

通過內(nèi)部程序直接給定PID指令的方法實測導葉開度變化。導葉最快開啟、關(guān)閉實測曲線與仿真的對比如圖5所示。仿真數(shù)據(jù)由圖4所示模型仿真計算獲得，其中參數(shù)為：Kp=1.6，Ki=0，Kd=0，INT2max=inf，INT2min=-inf，PIDmax=inf，PIDmin=-inf，VELopen=0.0175， VELclose1=-0.145， VELclose2=-0.011，Ty=1.371，Ymax=1，Ymin=0，T1=0.001s，Ydelay=0s。

圖5 導葉最快開啟關(guān)閉實測與仿真曲線對比

由圖5可知，Y的最快開啟、關(guān)閉實測曲線和仿真曲線趨勢一致，說明執(zhí)行機構(gòu)開啟、關(guān)閉方向的速度限幅整定是正確的。

靜態(tài)模擬一次調(diào)頻動作時執(zhí)行機構(gòu)輸出實測與仿真的對比如圖6所示。實測數(shù)據(jù)和電子調(diào)節(jié)器輸出實測與仿真的對比采用的一致。仿真數(shù)據(jù)亦由圖4所示模型仿真計算獲得，參數(shù)和前面一致。

由圖6可知，Y的實測曲線和仿真曲線趨勢一致，基本吻合，說明執(zhí)行機構(gòu)部分模型正確、合理。

圖6 模擬一次調(diào)頻動作時執(zhí)行機構(gòu)輸出實測與仿真曲線對比

2.3 原動機部分（TW卡）

原動機部分給出兩種仿真模型，①為PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序中使用的考慮剛性水擊的理想水輪機模型（TW卡）；②考慮某一水頭下出力與導葉開度對應(yīng)關(guān)系的改進型剛性水擊模型。

1）BPA模型（TW卡）

PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序中使用的考慮剛性水擊的理想水輪機模型如圖7所示。

圖中，Y為接力器行程，P為原動機輸出（有功功率），Tw為水流慣性時間常數(shù)。

圖7 BPA中的原動機計算模型（TW卡）

模擬一次調(diào)頻動作時，原動機輸出實測曲線與BPA中原動機模型（TW卡）仿真結(jié)果的對比如圖8。試驗條件為：調(diào)速器頻率給定50Hz，調(diào)速器自動控制，負載功率模式，調(diào)節(jié)參數(shù)為Intd_bp=4%，Intd_Kp=5，Intd_Ti=2.8，Intd_Td=0，ef=0.05Hz，初始功率大約211MW，一次調(diào)頻投入，機頻階躍擾動-0.15Hz。設(shè)置圖7所示模型中的Tw等于1.14s。

圖8 模擬一次調(diào)頻動作時原動機輸出實測與仿真曲線對比

2）改進的剛性水擊模型

圖7所示模型其等價控制框圖如圖9所示。

圖9 考慮剛性水擊的理想水輪機模型（TW卡）框圖

忽略系統(tǒng)變化影響的簡化的混流式水輪機機組段框圖如圖10所示。

圖10 簡化的混流式水輪機機組段框圖

由對比可知，TW卡所代表的水輪機模型是將圖 10 中參數(shù)設(shè)為：eqy=1，ey=1，eh=1.5，Gh(S)=-TWS。其中，ey=1表示機組出力正比于導葉開度變化，機組空載和滿負荷分別對應(yīng)導葉的全關(guān)和全開。而實際上抽水蓄能機組水頭變化較明顯，當實際工況點偏離額定工況點較遠時，機械功率與導葉開度存在較為明顯的非線性關(guān)系，考慮某一水頭下水輪機功率與開度的非線性特性，原動機部分的計算模型采用改進的剛性水擊模型，如圖11所示。

圖11 改進的剛性水擊模型

通過對比圖11和圖9可知，改進的剛性水擊模型是通過實測機組某一水頭下出力與導葉開度對應(yīng)值，獲得對應(yīng)關(guān)系擬合方程，代替TW卡中取值為1的ey，構(gòu)成改進型原動機模型。

通過實測試驗可知清蓄2號機組在上庫水位600.39m，下庫水位129.69m時導葉開度與有功功率對應(yīng)關(guān)系見表2。

導葉開度與有功功率擬合關(guān)系式見式（1）。

實測開度-功率關(guān)系曲線對比圖如圖12所示。

圖12 開度與功率對比曲線

模擬一次調(diào)頻動作時，原動機輸出實測曲線與改進的剛性水擊模型仿真結(jié)果的對比如圖13所示。試驗條件為：調(diào)速器頻率給定50Hz，調(diào)速器自動控制，負載功率模式，調(diào)節(jié)參數(shù)為Intd_bp=4%，Intd_Kp=5，Intd_Ti=2.8，Intd_Td=0，ef=0.05Hz，初始功率大約211MW，一次調(diào)頻投入，機頻階躍擾動-0.15Hz。圖11所示改進剛性水擊模型的參數(shù)設(shè)置為：P—Y關(guān)系曲線為式(1)，Tw=1.14s。

圖13 模擬一次調(diào)頻動作時原動機輸出實測與仿真曲線對比

對比圖8和圖13可知，輸入的導葉接力器行程一致的情況下，改進的剛性水擊模型的仿真功率輸出曲線與PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序中的TW卡采用的原動機模型的仿真功率輸出曲線相比，前者更加接近實測結(jié)果。

2.4 調(diào)速系統(tǒng)模型及參數(shù)

（1）原動機采用改進的剛性水擊模型的調(diào)速器系統(tǒng)

調(diào)速系統(tǒng)的計算模型如圖14所示。

圖14 采用改進的剛性水擊模型的調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型

將動態(tài)下頻率擾動試驗的頻率信號作為圖14中的fg，即可對動態(tài)模擬一次調(diào)頻動作時的調(diào)速系統(tǒng)工作情況進行仿真。模型參數(shù)依據(jù)清蓄2號機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備資料進行設(shè)置，其中調(diào)速器頻率給定50 Hz，調(diào)速器自動控制，負載功率模式，調(diào)節(jié)參數(shù)為Intd_bp=4%，Intd_kp=5，Intd_Ti=2.8，Intd_Td=0，Sn_Kd=5、ef=0.05Hz，初始功率大約 210MW，一次調(diào)頻投入。實際輸出與仿真曲線的對比見下頁圖15。

由圖15可知，電子調(diào)節(jié)器Ypid輸出值、導葉接力器行程、有功功率的實測曲線與仿真曲線趨勢一致，調(diào)節(jié)過程基本吻合，最終穩(wěn)定值基本一致。仿真結(jié)果與實測結(jié)果偏差對比見表3，符合《導則》要求。

圖15 動態(tài)下頻率階躍0.15Hz時調(diào)速系統(tǒng)各部分實測輸出與仿真曲線對比

表3 動態(tài)下頻率階躍0.15Hz時仿真與實測偏差對比

（2）原動機采用BPA模型（TW卡）的調(diào)速器系統(tǒng)

將原動機模型更換為圖9所示的TW卡模型再次進行仿真計算，參數(shù)設(shè)置與圖14相同各部分實際輸出與仿真曲線的對比見圖16。

圖16 動態(tài)下頻率階躍0.15Hz時調(diào)速系統(tǒng)各部分實測輸出與仿真曲線對比

由圖16可知，有功功率的實測曲線與仿真曲線趨勢基本一致仿真結(jié)果與實測結(jié)果偏差對比見表4，符合《導則》要求。

與采用改進的剛性水擊模型的仿真結(jié)果相比，電子調(diào)節(jié)器與執(zhí)行機構(gòu)的輸出在調(diào)節(jié)過程和最終穩(wěn)定值上與實測數(shù)據(jù)存在一定誤差。

表4 動態(tài)下頻率階躍0.15Hz時仿真與實測偏差對比

實際機組與仿真模型均采用功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置合理的情況下，實測與仿真功率的調(diào)節(jié)過程與最終穩(wěn)定值是一致的。由于原動機部分采用不同的模型，表達功率與開度關(guān)系的傳遞函數(shù)不同，導致相同功率所對應(yīng)的開度值不同，從而使電子調(diào)節(jié)器與執(zhí)行機構(gòu)輸出的實測與仿真值存在誤差。

3 結(jié)論和建議

（1）對比BPA模型（TW卡），相同導葉開度變化下，改進的剛性水擊模型仿真的功率響應(yīng)過程更貼近實際；相同功率閉環(huán)階躍擾動下，改進的剛性水擊模型仿真的電子調(diào)節(jié)器與執(zhí)行機構(gòu)的輸出亦更接近實際。

（2）BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序中提供的水輪機調(diào)速器和原動機模型（TW卡）的傳遞函數(shù)直接將功率與開度關(guān)系線性化，導致開度的響應(yīng)曲線與實測曲線在部分時段存在差別。隨著電力系統(tǒng)對仿真計算精度要求的提高以及電力系統(tǒng)控制逐步趨于復雜化，BPA模型（TW卡）已經(jīng)很難準確仿真目前新型微機調(diào)速器的工作情況，建議在BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序中完善模型結(jié)構(gòu)、改進建模方法，從而為電力系統(tǒng)仿真研究提供與實際系統(tǒng)狀況相吻合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算的要求。

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