水電站水機(jī)電系統(tǒng)仿真建模及動(dòng)態(tài)特性分析

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(中國(guó)電建集團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 310014)

1 研究背景

水電站水機(jī)電系統(tǒng)(Hydraulic-Mechanical-Electrical System，HMES)為一類非線性耦合系統(tǒng)，主要包括水力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性取決于各子系統(tǒng)的共同作用。其中，水力系統(tǒng)主要包含有壓引水系統(tǒng)、調(diào)壓井、蝸殼及尾水管等；機(jī)械系統(tǒng)主要包含水輪機(jī)、調(diào)速器等；電氣系統(tǒng)主要包括水輪發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器及負(fù)荷等[1]。在電力系統(tǒng)環(huán)境中，水電站HMES動(dòng)態(tài)模型的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水電站HMES動(dòng)態(tài)模型的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of dynamic model of HMES in hydropower station

由圖1可知，水電站HMES具有2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng):一個(gè)是水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以機(jī)組轉(zhuǎn)速或機(jī)組頻率為控制目標(biāo)，通過調(diào)整水輪機(jī)機(jī)械力矩保持水電站HMES的負(fù)荷平衡，以實(shí)現(xiàn)調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)速及有功功率、保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的目的；另一個(gè)為水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為控制目標(biāo)，通過調(diào)整發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，以實(shí)現(xiàn)調(diào)整發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓及無功功率、保證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的目的。

隨著水電機(jī)組裝機(jī)容量逐漸增大，調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)愈發(fā)繁重，水電站水機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響日益顯現(xiàn)[2]。大型水電機(jī)組的切機(jī)或者突然甩負(fù)荷將導(dǎo)致電力系統(tǒng)失去較大功率，對(duì)系統(tǒng)的功角、頻率及電壓穩(wěn)定性都會(huì)造成嚴(yán)重影響。同時(shí)，水電站水機(jī)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)頻率及電壓波動(dòng)異常敏感，電網(wǎng)故障擾動(dòng)亦會(huì)對(duì)機(jī)組安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致機(jī)組切機(jī)，致使電網(wǎng)故障進(jìn)一步惡化。因此，如何準(zhǔn)確模擬出大小擾動(dòng)下水電站水機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性,并采取相關(guān)措施抑制其對(duì)電力系統(tǒng)造成的不良影響已成為水電站建設(shè)的主要問題。

作為對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬的重要手段之一，數(shù)字仿真憑借成本低、不受外部環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為電力系統(tǒng)研究、規(guī)劃、運(yùn)行、設(shè)計(jì)等各個(gè)方面不可或缺的工具。鑒此，本文以MatLab/Simulink軟件為仿真平臺(tái)，利用其提供的用戶自定義建模功能，以統(tǒng)一模塊化的思想建立了整體的水電站HMES動(dòng)態(tài)仿真模型，并且基于上述仿真模型，詳細(xì)分析了多種擾動(dòng)對(duì)孤網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式下水電站HMES動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律，以期為水電站的水機(jī)電耦合作用機(jī)理及控制器的參數(shù)整定提供參考依據(jù)。

2 水電站水機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述

2.1 混流式水輪機(jī)綜合特性的非線性數(shù)學(xué)模型

單機(jī)單管、無調(diào)壓室下，基于模型綜合特性曲線的混流式水輪機(jī)非線性模型可歸納表示為[3]

(1)

式中：M11r,Q11r與n11r分別為水輪機(jī)額定單位力矩、額定單位流量與額定單位轉(zhuǎn)速；G為導(dǎo)葉開度；Ym,Y0分別為接力器行程最大值、初始工況值；n11為單位轉(zhuǎn)速；fM,fQ分別為水輪機(jī)單位力矩、單位流量特性函數(shù)；y,mt,q,x與h分別為導(dǎo)葉開度、主動(dòng)力矩、流量、轉(zhuǎn)速及水輪機(jī)水頭偏差相對(duì)值；m0,q0,x0與h0分別為主動(dòng)力矩、流量、轉(zhuǎn)速及水輪機(jī)水頭初始工況相對(duì)值;Gh(s)為有壓引水系統(tǒng)傳遞函數(shù)。若考慮管壁及水體的彈性，忽略水力摩阻，Gh(s)可簡(jiǎn)化表示為

(2)

式中:Tw為水流慣性時(shí)間常數(shù);Tr為水擊相長(zhǎng)。

由式(1)可知，該模型存在2個(gè)嚴(yán)重非線性環(huán)節(jié)，即水輪機(jī)單位力矩特性函數(shù)fM與單位流量特性函數(shù)fQ。由于該環(huán)節(jié)處理的好壞將直接影響到上述水輪機(jī)非線性模型的計(jì)算精度，故本文采用AdaBoost_LMBP集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)該非線性環(huán)節(jié)進(jìn)行表示，由此形成混流式水輪機(jī)綜合特性的AdaBoost_LMBP集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[4]。

2.2 微機(jī)型調(diào)速器的數(shù)學(xué)模型

微機(jī)型調(diào)速器主要由微機(jī)調(diào)節(jié)器與電液隨動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的微機(jī)型調(diào)節(jié)器主要采用并聯(lián)PID的控制結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式[5]如圖2所示。

圖2 微機(jī)調(diào)節(jié)器并聯(lián)PID控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure of microcomputer regulator using parallel PID controller

電液隨動(dòng)系統(tǒng)具有若干不同種類的結(jié)構(gòu)形式[6]，其中常見的交流伺服電機(jī)型電液隨動(dòng)系統(tǒng)模型，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 交流伺服電機(jī)型電液隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure of AC electro-hydraulic servo motor

2.3 水輪發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

水輪發(fā)電機(jī)模型采用MatLab/Simpower System工具箱中的Synchronous Machine Fundamental 凸極式同步發(fā)電機(jī)模型，其電氣部分因采用忽略零軸的五繞組Park方程，考慮了定子繞組暫態(tài)和轉(zhuǎn)速變化對(duì)定子電壓方程的影響，故具有較高的計(jì)算精度，具體的數(shù)學(xué)模型詳見文獻(xiàn)[7]。

2.4 勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

IEEE Standard 421.5—2005[8]與文獻(xiàn)[9]給出了多種適合電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算用的靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)電站實(shí)際情況，本文采用帶有并聯(lián)PID控制結(jié)構(gòu)的自并勵(lì)靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)模型[9]，其傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 帶有并聯(lián)PID控制結(jié)構(gòu)的自并勵(lì)靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)模型Fig.4 Self-shunt static excitation system model with parallel PID controller

2.5 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的數(shù)學(xué)模型

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器作為同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的附加輔助環(huán)節(jié)，其功能是通過附加穩(wěn)定信號(hào)控制勵(lì)磁系統(tǒng)以增加系統(tǒng)阻尼，從而抑制電力系統(tǒng)的低頻振蕩。目前，我國(guó)水電機(jī)組廣泛采用IEEE PSS1A型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器[10]，其傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 IEEE PSS1A型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器模型Fig.5 Model of IEEE PSS1A power system stabilizer

2.6 負(fù)荷模型

負(fù)荷模型采用在電力系統(tǒng)分析程序中應(yīng)用廣泛的經(jīng)典恒阻抗-恒電流-恒功率(ZIP)靜態(tài)負(fù)荷模型[10]，其數(shù)學(xué)模型如式(3)所示。

(3)

圖7 基于MatLab/Simulink的水電站HMES動(dòng)態(tài)仿真模型Fig.7 Dynamic simulation model for the HMES in hydropower station based on MatLab/Simulink

式中：U為實(shí)際電壓；U0為額定電壓；P,Q分別為實(shí)際有功功率、無功功率；P0,Q0分別為電壓與頻率均為額定值時(shí)的有功功率、無功功率；Ap,Bp,Cp分別表示各類負(fù)荷占總有功功率的百分比;Aq,Bq,Cq分別表示各類負(fù)荷占總無功功率的百分比，且滿足Ap+Bp+Cp=1，Aq+Bq+Cq=1。

3 水電站水機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型的建立

為便于研究孤網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式下水電站HMES受擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，本文采用如圖6所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)水電站HMES進(jìn)行水機(jī)電一體化建模。由圖6可見，單機(jī)單管、無調(diào)壓室的水電機(jī)組由變壓器升壓，經(jīng)過雙回輸電線路向地區(qū)負(fù)荷及無窮大系統(tǒng)輸送有功功率Pe與無功功率Qe，并且通過靜態(tài)開關(guān)BR以實(shí)現(xiàn)水電站HMES孤網(wǎng)運(yùn)行與聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的切換。

圖6 水電站HMES與電力系統(tǒng)的接線圖Fig.6 Wiring diagram of HMES and power system

在MatLab/Simulink仿真環(huán)境下，根據(jù)水電站HMES動(dòng)態(tài)模型的基本結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)接線圖，利用創(chuàng)建的各關(guān)鍵環(huán)節(jié)Simulink自定義仿真模塊及SimpowerSystem工具箱提供的電氣元件模塊，如雙繞組三相變壓器、三相斷路器、分布參數(shù)線路等，最終搭建出了如圖7所示的水電站HMES動(dòng)態(tài)仿真模型。

4 孤網(wǎng)運(yùn)行下的HMES動(dòng)態(tài)特性仿真分析

假設(shè)仿真初始階段，水電站HMES處于某個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，當(dāng)t=200，250 s時(shí)，突增負(fù)荷P=10 MW，Q=5 MVar，當(dāng)t=300，350 s時(shí)突減負(fù)荷P=10 MW，Q=5 MVar。圖8給出了系統(tǒng)機(jī)組頻率f、機(jī)端電壓Ut、功角δ、機(jī)械功率Pm、導(dǎo)葉開度y、機(jī)組流量q、水輪機(jī)水頭h、有功功率Peo、無功功率Qeo等狀態(tài)變量的響應(yīng)情況。

圖8 負(fù)荷擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.8 Curves of dynamic responses under load disturbance

由圖8(h)與圖8(i)可以看出，孤網(wǎng)運(yùn)行方式下的水電站HMES表現(xiàn)出較好的負(fù)荷跟蹤特性，水輪發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功、無功功率可快速、精準(zhǔn)地跟隨負(fù)荷功率的變化，其超調(diào)量及調(diào)節(jié)時(shí)間均在允許的范圍之內(nèi)。當(dāng)負(fù)荷有功、無功功率分別上升至120 MW,55 MVar時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功、無功功率分別為120.61 MW,55.46 MVar；當(dāng)負(fù)荷有功、無功功率分別上升至130 MW,60 MVar時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功、無功功率分別為131.31 MW,61.35 MVar，可見系統(tǒng)與負(fù)荷功率之間存在一定偏差，該偏差則主要被長(zhǎng)距離輸電線路所消耗，與實(shí)際情況相符。

分析圖8(a)與圖8(b)可知，在水輪機(jī)調(diào)速器及勵(lì)磁系統(tǒng)的恒頻、恒壓控制下，機(jī)組頻率及機(jī)端電壓均在額定值附近略為波動(dòng)，且很快處于穩(wěn)定狀態(tài)，在此過程中，機(jī)組頻率及機(jī)端電壓的最大偏差值分別僅為0.021 7 p.u.與0.036 4 p.u.，滿足孤網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求，表明調(diào)速器及勵(lì)磁系統(tǒng)的控制參數(shù)設(shè)置合理。圖8(d)至圖8(f)反映出水輪機(jī)的原動(dòng)機(jī)特性，其導(dǎo)葉開度、流量及機(jī)械功率的變化均與負(fù)荷變化相一致，且上述變量在整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中表現(xiàn)出響應(yīng)速度較快、超調(diào)量較小及平穩(wěn)的特性，變化過程基本符合水電站HMES實(shí)際運(yùn)行情況。此外，分析圖8(d)與圖8(g)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線可知，水輪機(jī)機(jī)械功率出現(xiàn)了較為明顯的功率反調(diào)現(xiàn)象，這是由于活動(dòng)導(dǎo)葉突然開啟(關(guān)閉)將引起水錘效應(yīng)，致使水輪機(jī)水頭迅速降低(升高)，其綜合效應(yīng)使得機(jī)械功率在短時(shí)間內(nèi)得到明顯降低(升高)，這也是水輪機(jī)與汽輪機(jī)最根本的區(qū)別。綜上可知，本文建立的動(dòng)態(tài)仿真模型能合理反映出水電站HMES負(fù)荷擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并為其控制器的參數(shù)整定提供可靠的仿真平臺(tái)。

5 聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行下的HMES動(dòng)態(tài)特性仿真分析

5.1 調(diào)功擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

為探究功率調(diào)節(jié)擾動(dòng)下水電站HMES動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，假設(shè)在仿真初始階段，系統(tǒng)處于某穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，當(dāng)t=100 s時(shí)，水輪機(jī)調(diào)速器的有功功率給定值以0.05 p.u./s的速率下降至0.3 p.u.，維持26 s后再以相同的速率升至0.8 p.u.。系統(tǒng)機(jī)組頻率f、機(jī)端電壓Ut、功角δ、機(jī)械功率Pm、導(dǎo)葉開度y、機(jī)組流量q、水輪機(jī)水頭h、有功功率Peo、無功功率Qeo等狀態(tài)變量的響應(yīng)情況如圖9所示。

圖9 功率調(diào)節(jié)擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.9 Curves of dynamic responses under power regulation disturbance

分析圖9可知，當(dāng)有功功率給定值下降至一定值后，水輪機(jī)調(diào)速器的輸入信號(hào)將越過功率死區(qū)(本文設(shè)定±0.000 6 p.u.)，此時(shí)微機(jī)調(diào)節(jié)器發(fā)出控制信號(hào)，因電液隨動(dòng)系統(tǒng)存在死區(qū)等非線性環(huán)節(jié)，故延遲約0.5 s后水輪機(jī)導(dǎo)葉開度逐漸減少，發(fā)電機(jī)有功功率降低，直至水輪機(jī)調(diào)速器的輸入信號(hào)進(jìn)入功率死區(qū)為止。在此過程中，各狀態(tài)變量均受到不同程度的影響，主要表現(xiàn)在：機(jī)組頻率幾乎不變；機(jī)端電壓略有波動(dòng)；發(fā)電機(jī)功角、機(jī)組流量及機(jī)械功率均明顯降低；水輪機(jī)水頭先增后減，最大變化量為0.091 p.u.，這些動(dòng)態(tài)變化與理論分析一致?？v觀整個(gè)斜坡減功率過程，發(fā)電機(jī)有功功率能平滑跟隨指令信號(hào)的變化，且負(fù)荷跟蹤過程中近乎無超調(diào)，并能在22 s內(nèi)降至0.3 p.u.，基本上實(shí)現(xiàn)恒功率控制目標(biāo)。此外，還可看出斜坡增功率時(shí)水電站水機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的變化趨勢(shì)與斜坡減功率正好相反，發(fā)電機(jī)有功功率也能平滑跟隨指令信號(hào)的變化，并能在20 s內(nèi)由0.3 p.u.升至0.8 p.u.。綜上可知，功率調(diào)節(jié)擾動(dòng)對(duì)水力、機(jī)械及電氣子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性存在較大影響，并且模型中的水輪機(jī)調(diào)速器控制參數(shù)設(shè)置合理，能夠滿足水電站功率調(diào)節(jié)要求。

5.2 調(diào)壓擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

為探究電壓調(diào)節(jié)擾動(dòng)下水電站HMES動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，假設(shè)在仿真初始階段，系統(tǒng)處于某穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，當(dāng)t=100 s時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)的機(jī)端電壓給定值階躍升至1.1 p.u.，圖10給出了系統(tǒng)主要狀態(tài)變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

圖10 電壓調(diào)節(jié)擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.10 Curves of dynamic responses under voltage regulation disturbance

由圖10可知，當(dāng)電壓給定值發(fā)生階躍擾動(dòng)之后，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓在勵(lì)磁系統(tǒng)作用下能快速、精準(zhǔn)地跟蹤指令信號(hào)，調(diào)節(jié)時(shí)間僅為1.731 s，超調(diào)量近乎為0，表明本文勵(lì)磁系統(tǒng)的控制參數(shù)設(shè)置合理。在上述動(dòng)態(tài)過程中，發(fā)電機(jī)功角由24.52°迅速降至16.24°，無功功率則由50 MVar一直增至128.6 MVar，而有功功率則因受水輪機(jī)調(diào)速器的恒功率控制，故經(jīng)短時(shí)間小幅振蕩之后便恢復(fù)至初始穩(wěn)態(tài)值。此外可見，調(diào)壓擾動(dòng)對(duì)水力、機(jī)械子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響均較小，其內(nèi)部狀態(tài)變量如機(jī)械功率、導(dǎo)葉開度、流量、蝸殼末端水頭的最大變化量分別僅為0.010 3，0.006 6,0.002 3,0.005 9 p.u.，故在整定勵(lì)磁系統(tǒng)PID控制器參數(shù)時(shí)，可將水機(jī)系統(tǒng)近似看成一恒功率模型。

5.3 短路故障擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

短路故障是電力系統(tǒng)最為常見的暫時(shí)性故障，其中以三相接地短路對(duì)電網(wǎng)沖擊最大，為探究該擾動(dòng)下水電站HMES的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，假設(shè)在仿真初始階段，系統(tǒng)處于某穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，當(dāng)t=100 s時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端附近發(fā)生三相短路接地故障，持續(xù)0.15 s后故障清除。分別考慮投入PSS與不投入PSS這2種情況，仿真結(jié)果如圖11所示，其中實(shí)線表示投入PSS時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；虛線表示不投入PSS時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖11 短路故障擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.11 Curves of dynamic responses under short-circuit fault disturbance

由圖11可知，當(dāng)發(fā)生三相短路接地故障時(shí)，無論投入PSS與否，電氣子系統(tǒng)各狀態(tài)變量均受到較大程度的擾動(dòng)，主要表現(xiàn)為：機(jī)組頻率突然上升，機(jī)端電壓及有功功率急劇下降，發(fā)電機(jī)功角及無功功率急劇升高；當(dāng)故障被迅速清除時(shí)，上述狀態(tài)變量經(jīng)短時(shí)間減幅波動(dòng)后均能恢復(fù)至初始穩(wěn)態(tài)值。在上述動(dòng)態(tài)過程中，對(duì)于投入PSS的水電站水機(jī)電系統(tǒng)而言，其機(jī)組頻率最高增至1.020 3 p.u.，最低為0.982 3 p.u.；機(jī)端電壓最高為1.007 7 p.u.，最低僅為0.009 7 p.u.；發(fā)電機(jī)功角則能由24.52°一直增加至111.63°。與此同時(shí)，機(jī)組頻率及發(fā)電機(jī)有功功率發(fā)生波動(dòng)，致使水輪機(jī)調(diào)速器動(dòng)作，水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度短時(shí)間內(nèi)降低，并引起機(jī)械功率、機(jī)組流量及蝸殼末端水頭發(fā)生小幅變化，最大變化量分別僅為0.067,0.018 4,0.043 3 p.u.，最終上述狀態(tài)變量經(jīng)20 s左右均恢復(fù)至初始穩(wěn)態(tài)值。此外，通過對(duì)比投入與不投入PSS的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線可知，PSS能有效提高系統(tǒng)阻尼、維持系統(tǒng)穩(wěn)定，并對(duì)機(jī)組頻率、發(fā)電機(jī)功角、有功功率等狀態(tài)變量的振蕩具有明顯的抑制作用，其振蕩次數(shù)、持續(xù)時(shí)間均得到明顯降低，由此可體現(xiàn)出水電站配置PSS的必要性。

綜上可知，三相短路故障對(duì)電氣子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響較大，但對(duì)水力、機(jī)械子系統(tǒng)而言，因其內(nèi)部環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)較大、響應(yīng)較慢，故影響相對(duì)較?。磺姨热羯鲜龉收夏芗皶r(shí)清除，水電站HMES則可承受該擾動(dòng)并能保持聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，這也間接驗(yàn)證了本文所建仿真模型的正確性及控制器參數(shù)設(shè)置的合理性。

5.4 緊急事故停機(jī)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

緊急事故停機(jī)是指水電站HMES因自身事故而引起機(jī)組解列，丟棄全部負(fù)荷后，水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉開度按預(yù)先設(shè)定的規(guī)律迅速關(guān)閉至0，且水輪機(jī)調(diào)速器全程不參與調(diào)節(jié)，最終導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)的過程。為探究緊急事故停機(jī)下水電站HMES的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，假設(shè)在仿真初始階段，系統(tǒng)處于某穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，當(dāng)t=100 s時(shí)，活動(dòng)導(dǎo)葉開度以0.05 p.u./s的速率直線關(guān)閉至0。圖12給出了系統(tǒng)機(jī)組轉(zhuǎn)速ω、機(jī)端電壓Ut、功角δ、機(jī)械力矩Mt、導(dǎo)葉開度y、機(jī)組流量q、水輪機(jī)水頭h、有功功率Peo、無功功率Qeo等狀態(tài)變量的響應(yīng)情況。

圖12 緊急事故停機(jī)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.12 Curves of dynamic responses under emergency shutdown

由圖12的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線可知，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)從大電網(wǎng)脫離時(shí)，其電磁力矩、功角、有功及無功功率瞬間降至為0，此時(shí)因水輪機(jī)力矩大于電磁力矩，致使機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速升高，導(dǎo)葉開始變小。隨著導(dǎo)葉開度逐漸關(guān)閉，機(jī)組流量及水輪機(jī)力矩均降低，此時(shí)因有壓引水系統(tǒng)內(nèi)部形成了正水錘，致使蝸殼末端水頭逐漸增加。當(dāng)水輪機(jī)力矩降至為0時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到最高值(1.460 5 p.u.)，隨著導(dǎo)葉繼續(xù)關(guān)閉，水輪機(jī)力矩變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)水輪機(jī)運(yùn)行于制動(dòng)工況區(qū)，機(jī)組轉(zhuǎn)速開始逐漸降低，直至水輪機(jī)力矩升為0。綜上可知，緊急事故停機(jī)對(duì)水力、機(jī)械及電氣子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響均較大，且系統(tǒng)主要狀態(tài)變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與實(shí)際情況一致。

6 結(jié) 語

本文利用MatLab/Simulink軟件提供的用戶自定義建模功能，建立了水電站水機(jī)電系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的Simulink仿真模塊，包括有壓引水系統(tǒng)、混流式水輪機(jī)、水輪機(jī)調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)等，其中水輪機(jī)模塊采用混流式水輪機(jī)綜合特性的AdaBoost _LMBP集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行構(gòu)建，以此為基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行特性，最終搭建出完整的水電站水機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型。利用該模型對(duì)孤網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式下水電站水機(jī)電系統(tǒng)受擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析，所涉及的擾動(dòng)形式包括負(fù)荷擾動(dòng)、功率調(diào)節(jié)擾動(dòng)、短路故障擾動(dòng)等。仿真結(jié)果表明，所建立的仿真模型能準(zhǔn)確描述系統(tǒng)受擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為探討水電站水機(jī)電耦合作用機(jī)理及控制器的參數(shù)整定提供了可靠的仿真平臺(tái)。