韓文杰

（清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東清遠(yuǎn)511853）

0 引言

南方電網(wǎng)具有遠(yuǎn)距離、大容量輸電、交直流混合運(yùn)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(fù)雜等特點(diǎn)。大型抽水蓄能機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性不僅影響機(jī)組自身的安全性和經(jīng)濟(jì)性，而且對(duì)整個(gè)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此，獲取準(zhǔn)確可靠的原動(dòng)機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)，進(jìn)行相關(guān)仿真計(jì)算，了解其動(dòng)態(tài)特性及對(duì)負(fù)荷變動(dòng)的適應(yīng)能力，探討其動(dòng)態(tài)特性對(duì)電網(wǎng)的影響是非常必要的。本文以清遠(yuǎn)抽水蓄能電站（簡(jiǎn)稱清蓄）2號(hào)蓄能機(jī)組為例，介紹抽水蓄能機(jī)組原動(dòng)機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)實(shí)測(cè)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(hào)機(jī)組原動(dòng)機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)由AGC系統(tǒng)、電子調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、引水和泄水系統(tǒng)、水輪發(fā)電機(jī)組和測(cè)量元件構(gòu)成，如圖1所示。電子調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成水輪機(jī)調(diào)速器，電子調(diào)節(jié)器接收機(jī)組頻率、功率和AGC系統(tǒng)的負(fù)荷給定信號(hào)并在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)頻率和功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，執(zhí)行機(jī)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(jī)組功率、轉(zhuǎn)速。

清蓄2號(hào)機(jī)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相配合，完成水輪發(fā)電機(jī)組的開機(jī)、停機(jī)、增減負(fù)荷、緊急停機(jī)等任務(wù)，其主要性能參數(shù)見表1。

圖1 原動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖

表1 清蓄2號(hào)機(jī)組電子調(diào)節(jié)器參數(shù)表

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

2 調(diào)速系統(tǒng)模型及仿真

水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型由3個(gè)部分組成：電子調(diào)節(jié)器模型、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型和原動(dòng)機(jī)模型。調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型輸出YPID信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型根據(jù)YPID信號(hào)模擬導(dǎo)葉開度的動(dòng)作情況，以此影響原動(dòng)機(jī)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(jī)組頻率（標(biāo)么值），fc為頻率給定（標(biāo)么值），DELT為頻率測(cè)量的延遲時(shí)間（s），DELT2為功率或開度測(cè)量的延遲時(shí)間（s），TR1為頻率測(cè)量環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)（s），TR2為功率或開度測(cè)量環(huán)節(jié)時(shí)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(biāo)么值），DB2為功率或開度死區(qū)（標(biāo)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(shí)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(shí)有效，=0輸入信號(hào)為開度Y，=1輸入信號(hào)為Ypid），YPID為電子調(diào)節(jié)器輸出。

圖2 電子調(diào)節(jié)器計(jì)算模型

模型參數(shù)依據(jù)清蓄電站2號(hào)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備資料進(jìn)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(dòng)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(jì)算模型進(jìn)行，其參數(shù)設(shè)置為：fg為實(shí)測(cè)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(jì)算的進(jìn)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(shí)測(cè)與仿真的調(diào)速器輸出曲線對(duì)比

由圖3可知，YPID的實(shí)測(cè)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(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分（GAGA+卡）

根據(jù)廠家提供的導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)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(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)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(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)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(dǎo)葉主接反應(yīng)時(shí)間常數(shù)，Ymax為導(dǎo)葉主接最大行程，Ymin為導(dǎo)葉主接最小行程，T1為接力器行程測(cè)量環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)（s），Ydelay為導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的延遲時(shí)間（s）。

圖4 導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)計(jì)算模型

通過內(nèi)部程序直接給定PID指令的方法實(shí)測(cè)導(dǎo)葉開度變化。導(dǎo)葉最快開啟、關(guān)閉實(shí)測(cè)曲線與仿真的對(duì)比如圖5所示。仿真數(shù)據(jù)由圖4所示模型仿真計(jì)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(dǎo)葉最快開啟關(guān)閉實(shí)測(cè)與仿真曲線對(duì)比

由圖5可知，Y的最快開啟、關(guān)閉實(shí)測(cè)曲線和仿真曲線趨勢(shì)一致，說明執(zhí)行機(jī)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(dòng)作時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出實(shí)測(cè)與仿真的對(duì)比如圖6所示。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和電子調(diào)節(jié)器輸出實(shí)測(cè)與仿真的對(duì)比采用的一致。仿真數(shù)據(jù)亦由圖4所示模型仿真計(jì)算獲得，參數(shù)和前面一致。

由圖6可知，Y的實(shí)測(cè)曲線和仿真曲線趨勢(shì)一致，基本吻合，說明執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分模型正確、合理。

圖6 模擬一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出實(shí)測(cè)與仿真曲線對(duì)比

2.3 原動(dòng)機(jī)部分（TW卡）

原動(dòng)機(jī)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(jī)模型（TW卡）；②考慮某一水頭下出力與導(dǎo)葉開度對(duì)應(yīng)關(guān)系的改進(jìn)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(jī)模型如圖7所示。

圖中，Y為接力器行程，P為原動(dòng)機(jī)輸出（有功功率），Tw為水流慣性時(shí)間常數(shù)。

圖7 BPA中的原動(dòng)機(jī)計(jì)算模型（TW卡）

模擬一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，原動(dòng)機(jī)輸出實(shí)測(cè)曲線與BPA中原動(dòng)機(jī)模型（TW卡）仿真結(jié)果的對(duì)比如圖8。試驗(yàn)條件為：調(diào)速器頻率給定50Hz，調(diào)速器自動(dòng)控制，負(fù)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(jī)頻階躍擾動(dòng)-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(dòng)作時(shí)原動(dòng)機(jī)輸出實(shí)測(cè)與仿真曲線對(duì)比

2）改進(jìn)的剛性水擊模型

圖7所示模型其等價(jià)控制框圖如圖9所示。

圖9 考慮剛性水擊的理想水輪機(jī)模型（TW卡）框圖

忽略系統(tǒng)變化影響的簡(jiǎn)化的混流式水輪機(jī)機(jī)組段框圖如圖10所示。

圖10 簡(jiǎn)化的混流式水輪機(jī)機(jī)組段框圖

由對(duì)比可知，TW卡所代表的水輪機(jī)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(jī)組出力正比于導(dǎo)葉開度變化，機(jī)組空載和滿負(fù)荷分別對(duì)應(yīng)導(dǎo)葉的全關(guān)和全開。而實(shí)際上抽水蓄能機(jī)組水頭變化較明顯，當(dāng)實(shí)際工況點(diǎn)偏離額定工況點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，機(jī)械功率與導(dǎo)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(jī)功率與開度的非線性特性，原動(dòng)機(jī)部分的計(jì)算模型采用改進(jìn)的剛性水擊模型，如圖11所示。

圖11 改進(jìn)的剛性水擊模型

通過對(duì)比圖11和圖9可知，改進(jìn)的剛性水擊模型是通過實(shí)測(cè)機(jī)組某一水頭下出力與導(dǎo)葉開度對(duì)應(yīng)值，獲得對(duì)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(jìn)型原動(dòng)機(jī)模型。

通過實(shí)測(cè)試驗(yàn)可知清蓄2號(hào)機(jī)組在上庫水位600.39m，下庫水位129.69m時(shí)導(dǎo)葉開度與有功功率對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

導(dǎo)葉開度與有功功率擬合關(guān)系式見式（1）。

實(shí)測(cè)開度-功率關(guān)系曲線對(duì)比圖如圖12所示。

圖12 開度與功率對(duì)比曲線

模擬一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，原動(dòng)機(jī)輸出實(shí)測(cè)曲線與改進(jìn)的剛性水擊模型仿真結(jié)果的對(duì)比如圖13所示。試驗(yàn)條件為：調(diào)速器頻率給定50Hz，調(diào)速器自動(dòng)控制，負(fù)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(jī)頻階躍擾動(dòng)-0.15Hz。圖11所示改進(jìn)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(dòng)作時(shí)原動(dòng)機(jī)輸出實(shí)測(cè)與仿真曲線對(duì)比

對(duì)比圖8和圖13可知，輸入的導(dǎo)葉接力器行程一致的情況下，改進(jìn)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(dòng)機(jī)模型的仿真功率輸出曲線相比，前者更加接近實(shí)測(cè)結(jié)果。

2.4 調(diào)速系統(tǒng)模型及參數(shù)

（1）原動(dòng)機(jī)采用改進(jìn)的剛性水擊模型的調(diào)速器系統(tǒng)

調(diào)速系統(tǒng)的計(jì)算模型如圖14所示。

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

將動(dòng)態(tài)下頻率擾動(dòng)試驗(yàn)的頻率信號(hào)作為圖14中的fg，即可對(duì)動(dòng)態(tài)模擬一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)的調(diào)速系統(tǒng)工作情況進(jìn)行仿真。模型參數(shù)依據(jù)清蓄2號(hào)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備資料進(jìn)行設(shè)置，其中調(diào)速器頻率給定50 Hz，調(diào)速器自動(dòng)控制，負(fù)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(shí)際輸出與仿真曲線的對(duì)比見下頁圖15。

由圖15可知，電子調(diào)節(jié)器Ypid輸出值、導(dǎo)葉接力器行程、有功功率的實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線趨勢(shì)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(shí)測(cè)結(jié)果偏差對(duì)比見表3，符合《導(dǎo)則》要求。

圖15 動(dòng)態(tài)下頻率階躍0.15Hz時(shí)調(diào)速系統(tǒng)各部分實(shí)測(cè)輸出與仿真曲線對(duì)比

表3 動(dòng)態(tài)下頻率階躍0.15Hz時(shí)仿真與實(shí)測(cè)偏差對(duì)比

（2）原動(dòng)機(jī)采用BPA模型（TW卡）的調(diào)速器系統(tǒng)

將原動(dòng)機(jī)模型更換為圖9所示的TW卡模型再次進(jìn)行仿真計(jì)算，參數(shù)設(shè)置與圖14相同各部分實(shí)際輸出與仿真曲線的對(duì)比見圖16。

圖16 動(dòng)態(tài)下頻率階躍0.15Hz時(shí)調(diào)速系統(tǒng)各部分實(shí)測(cè)輸出與仿真曲線對(duì)比

由圖16可知，有功功率的實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線趨勢(shì)基本一致仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差對(duì)比見表4，符合《導(dǎo)則》要求。

與采用改進(jìn)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(jī)構(gòu)的輸出在調(diào)節(jié)過程和最終穩(wěn)定值上與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定誤差。

表4 動(dòng)態(tài)下頻率階躍0.15Hz時(shí)仿真與實(shí)測(cè)偏差對(duì)比

實(shí)際機(jī)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(shí)測(cè)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(dòng)機(jī)部分采用不同的模型，表達(dá)功率與開度關(guān)系的傳遞函數(shù)不同，導(dǎo)致相同功率所對(duì)應(yīng)的開度值不同，從而使電子調(diào)節(jié)器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的實(shí)測(cè)與仿真值存在誤差。

3 結(jié)論和建議

（1）對(duì)比BPA模型（TW卡），相同導(dǎo)葉開度變化下，改進(jìn)的剛性水擊模型仿真的功率響應(yīng)過程更貼近實(shí)際；相同功率閉環(huán)階躍擾動(dòng)下，改進(jìn)的剛性水擊模型仿真的電子調(diào)節(jié)器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出亦更接近實(shí)際。

（2）BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序中提供的水輪機(jī)調(diào)速器和原動(dòng)機(jī)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(dǎo)致開度的響應(yīng)曲線與實(shí)測(cè)曲線在部分時(shí)段存在差別。隨著電力系統(tǒng)對(duì)仿真計(jì)算精度要求的提高以及電力系統(tǒng)控制逐步趨于復(fù)雜化，BPA模型（TW卡）已經(jīng)很難準(zhǔn)確仿真目前新型微機(jī)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(jìn)建模方法，從而為電力系統(tǒng)仿真研究提供與實(shí)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(jì)算的要求。

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