抽水蓄能機組調速系統實測建模與仿真研究

韓文杰

（清遠蓄能發電有限公司，廣東清遠511853）

0 引言

南方電網具有遠距離、大容量輸電、交直流混合運行、系統調峰調頻能力低、電源形式多樣、線路架構復雜等特點。大型抽水蓄能機組調速器系統的動態特性不僅影響機組自身的安全性和經濟性，而且對整個電網會產生一定的影響。因此，獲取準確可靠的原動機及調速系統模型參數，進行相關仿真計算，了解其動態特性及對負荷變動的適應能力，探討其動態特性對電網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速系統實測建模與仿真的研究。

1 調速系統組成及主要技術參數

清蓄2號機組原動機及調速系統由AGC系統、電子調節器、執行機構、引水和泄水系統、水輪發電機組和測量元件構成，如圖1所示。電子調節器和執行機構構成水輪機調速器，電子調節器接收機組頻率、功率和AGC系統的負荷給定信號并在內部實現頻率和功率閉環調節，執行機構按一定特性將電子調節器的輸出轉換成主接力器行程偏差，從而控制機組功率、轉速。

清蓄2號機組電子調節器為法國ALSTOM研制的TSLG型功能組合式數字調節器，為UPC+SPC的雙通道冗余結構，與計算機監控系統相配合，完成水輪發電機組的開機、停機、增減負荷、緊急停機等任務，其主要性能參數見表1。

圖1 原動機調速系統框圖

表1 清蓄2號機組電子調節器參數表

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，調速器根據水頭控制導葉的開度，不參與電網調節。建立抽水蓄能機組仿真模型只是針對參與電網調節的水輪機工況。

2 調速系統模型及仿真

水輪機及其調節系統模型由3個部分組成：電子調節器模型、執行機構模型和原動機模型。調節系統模型輸出YPID信號，執行機構模型根據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，各模型具體結構如下。

2.1 電子調節器部分（GMGM+）

根據廠家提供的電子調節器資料。采用PSD-BPA（4.15版）暫態穩定程序中的GMGM+卡搭建電子調節器模型仿真系統如圖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為頻率測量環節時間常數（s），TR2為功率或開度測量環節時間常數（s），bp為功率或開度調差系數，DB1為轉速死區（標么值），DB2為功率或開度死區（標么值），DB1MAX為一次調頻上限，DB1MIN為一次調頻下限，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（s），INT1max為積分上限，INT1min為積分下限，YPIDmax為調節器輸出上限，YPIDmin為調節器輸出下限，ITYP為模式選擇開關（=1為功率模式，=2為開度模式），ITYP2為開度模式選擇開關（此開關在ITYP=2時有效，=0輸入信號為開度Y，=1輸入信號為Ypid），YPID為電子調節器輸出。

圖2 電子調節器計算模型

模型參數依據清蓄電站2號機組調速系統設備資料進行設置，調速器頻率給定50Hz，階躍量為-0.15Hz，調速器自動控制，開度模式，調節參數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，其參數設置為：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輸出限幅設置為YPIDmax=1，YPIDmin=0。

圖3 實測與仿真的調速器輸出曲線對比

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

2.2 導葉執行機構部分（GAGA+卡）

根據廠家提供的導葉執行機構資料。采用PSD-BPA（4.15版）暫態穩定程序中的GMGM+卡搭建導葉執行機構仿真系統如圖4所示。其中，YPID為電子調節器輸出，Y為導葉執行機構輸出（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環節輸出上限，PIDmin為PID環節輸出下限，VELopen為開啟速度限幅，VELclose為關閉速度限幅，Ty為導葉主接反應時間常數，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節時間常數（s），Ydelay為導葉執行機構輸出的延遲時間（s）。

圖4 導葉執行機構計算模型

通過內部程序直接給定PID指令的方法實測導葉開度變化。導葉最快開啟、關閉實測曲線與仿真的對比如圖5所示。仿真數據由圖4所示模型仿真計算獲得，其中參數為：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 導葉最快開啟關閉實測與仿真曲線對比

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

靜態模擬一次調頻動作時執行機構輸出實測與仿真的對比如圖6所示。實測數據和電子調節器輸出實測與仿真的對比采用的一致。仿真數據亦由圖4所示模型仿真計算獲得，參數和前面一致。

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

圖6 模擬一次調頻動作時執行機構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暫態穩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關系的改進型剛性水擊模型。

1）BPA模型（TW卡）

PSD-BPA暫態穩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。

圖7 BPA中的原動機計算模型（TW卡）

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

圖8 模擬一次調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 中參數設為：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導葉的全關和全開。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值，獲得對應關系擬合方程，代替TW卡中取值為1的ey，構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關系見表2。

導葉開度與有功功率擬合關系式見式（1）。

實測開度-功率關系曲線對比圖如圖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果的對比如圖13所示。試驗條件為：調速器頻率給定50Hz，調速器自動控制，負載功率模式，調節參數為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設置為：P—Y關系曲線為式(1)，Tw=1.14s。

圖13 模擬一次調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暫態穩定程序中的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果。

2.4 調速系統模型及參數

（1）原動機采用改進的剛性水擊模型的調速器系統

調速系統的計算模型如圖14所示。

圖14 采用改進的剛性水擊模型的調節系統模型

將動態下頻率擾動試驗的頻率信號作為圖14中的fg，即可對動態模擬一次調頻動作時的調速系統工作情況進行仿真。模型參數依據清蓄2號機調速系統設備資料進行設置，其中調速器頻率給定50 Hz，調速器自動控制，負載功率模式，調節參數為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，電子調節器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，調節過程基本吻合，最終穩定值基本一致。仿真結果與實測結果偏差對比見表3，符合《導則》要求。

圖15 動態下頻率階躍0.15Hz時調速系統各部分實測輸出與仿真曲線對比

表3 動態下頻率階躍0.15Hz時仿真與實測偏差對比

（2）原動機采用BPA模型（TW卡）的調速器系統

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，參數設置與圖14相同各部分實際輸出與仿真曲線的對比見圖16。

圖16 動態下頻率階躍0.15Hz時調速系統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果與實測結果偏差對比見表4，符合《導則》要求。

與采用改進的剛性水擊模型的仿真結果相比，電子調節器與執行機構的輸出在調節過程和最終穩定值上與實測數據存在一定誤差。

表4 動態下頻率階躍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調節，在調節參數設置合理的情況下，實測與仿真功率的調節過程與最終穩定值是一致的。由于原動機部分采用不同的模型，表達功率與開度關系的傳遞函數不同，導致相同功率所對應的開度值不同，從而使電子調節器與執行機構輸出的實測與仿真值存在誤差。

3 結論和建議

（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過程更貼近實際；相同功率閉環階躍擾動下，改進的剛性水擊模型仿真的電子調節器與執行機構的輸出亦更接近實際。

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

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