水电站本体仿真建模分析

水电站本体仿真建模分析张绍勇1,周建旭2(1.河海大学电气工程学院,江苏　南京　210098;2.河海大学水电学院,江苏　南京　210098)摘要:水电站仿真机是利用计算机模拟技术模拟实际水电系统的运行环境,相应的内容包括水、机、电系统稳态仿真和动态全过程仿真。

包括水轮发电机组、调速器、励磁机以及输水系统在内的本体部分是水电站的核心,是水电站仿真的关键环节。

本文结合水电站的实际控制环节和事故现象,分析水电站本体仿真的基本模块,以及实现这些模块所需建立的仿真程序及相应的数学模型,为水电站本体仿真提供可靠的建模平台。

关键词:计算机应用;水电站本体,仿真建模;分析中图分类号:TP39119 文献标识码:B 文章编号:100720133(2006)0120067204 水电站仿真机是利用计算机模拟技术模拟实际水电系统的运行环境,帮助调度人员获得系统在正常状态、紧急状态下运行的操作经验,了解事故发生的全过程和事故发生的原因,减少调度员在事故处理时的心理压力,增强调度员事故处理时的自信心,提高调度员对水电系统进行正常控制的能力及突出事故的应变能力。

因此,为了实现操作人员的全过程培训以保证水电站安全稳定的运行控制,水电站仿真机的开发和应用也越来越重要,并且要求仿真机提供与实际发电厂尽可能一致的运行环境,展现各种正常、异常和事故的现场情况,保证仿真的真实性特别是动态仿真的实时性,有全面完整的仿真范围。

仿真机主要内容包括水、机、电系统稳态仿真和动态全过程仿真,而水轮机系统(包括:引水、水轮机、尾水)、发电机和励磁机系统(包括机械部分和电气部分)、调速系统(包括调速器和油压部分)等本体部分的仿真是其中的关键环节。

对于坝后式和引水式水电站而言,则引水系统、水轮机和尾水系统在内的水力系统部分的仿真显得尤为重要。

因此,在简要分析调速器、发电机和励磁机仿真建模的基础上,需进一步探讨水电站本体的仿真建模。

1　调速器仿真的数学模型和基本模块111　调速器仿真的数学模型调速器通常采用并联P I D型模型,考虑其中关键的非线性环节,其相应的状态方程[1,2]为d y1 d t=k pT y1φ-1+kpb pT y1y1+1T y1x1+1T y1x D+k pT y1c(1)dμdt=1T yy1-1T yμ(2)d xId t=-kIφ-kIb p y1+k1c(3)d xDd t-k DT ndφd t-K D b pT n T y1[-kpφ+x1+x D-(1+k p b p)y1+k p c]-1T nx D(4)式中:φ,y1,x I,x D,μ均为相对值,其中φ和μ分别为转速和开度的偏差相对值;Tn为微分环节时间常数;kP,k I,k D分别为比例常数、积分常数和微分常数;Ty,T y1为随动系统常数;b p为残留不平衡度;c为指令信号。

112　基本模块依据调速器在水力机组运行中的实际作用,在水电站仿真中,调速器需实现的主要模块包括:(1)开度调节模块。

在水力机组增荷、减荷或开停机等过程中,导叶的开度均依一定的规律发生变化(图1所示),该机组导叶启闭规律由优化计算确定,并通过调速器设定,进而控制导叶的启闭过程。

(2)P I D调节模块。

当调速器采用频率调节模式或小扰动等情况下,需要调速器进行P I D闭环调节,以使机组的转速维持在一定的范围内,从而保证机组运行的稳定性,或调节机组转速到某一给定转速。

其中调速器的调节参数可在一定的范围内整定,以提高机组的调节品质或实现一定的调节目标。

113　仿真程序的构成基于调速器描述方程式(1)～(4),编制相应的程序模块,则可实现调速器的各项调节功能,组成调速器仿真程序的主要处理程序有:・76・第20卷第1期 贵州水力发电G U I ZHOU WATER P OW ER 2006年2月收稿日期:2005207227作者简介:张绍勇(19722),男,四川省达州市人,工程师,硕士研究生,主要从事机械电子工程研究工作。

图1　水力机组导叶关闭规律示意图 (1)初始化程序。

用于实现调速器参数和与调速器有关的参量的初始化。

(2)P I D 调节程序。

用于实现调速器的P I D 闭环调节,包括非线性环节。

(3)开度调节程序。

用于给定导叶开度的开启规律和关闭规律,并且计算瞬时开度。

(4)数学处理程序。

主要包括线性插值程序和龙格—库塔法求解状态方程组的程序。

2　发电机和励磁机仿真的数学模型和基本模块211　发电机和励磁机的数学模型对于水轮发电机组,拟采用I EEE 推荐的五阶系统模型[2,3],则:标么值增量方程可表示为dE ′q d t =1T ′d 0[E fd -E ′q -(x d -x ′d )I d ](5)d E ′q d t =1T ″d 0-1T ′d 0E ′q -1T ″d 0E ″q -x d -x ′d T ′d 0+x ′d -x ″d T ″d 0I d +1T ′d 0-E fd (6)d E ″d d t =1T ″q 0-E ″d +(x q -x ″q )I q(7)dωd t =1M[P m -P e -Dω](8)dδd t=ωω0(9)电压方程为　V q =E ″q -x ″d I dV d =E ″d +x ″q I qV 2t =V 2q +V 2d 。

式中:T d0′,T d0″为d 轴暂态开路时间常数和次暂态开路时间常数;T q0″为q 轴次暂态开路时间常数;M 为机组惯性时间常数;ω,δ为转子角速度和转子角;D 为机组阻尼系数;E q ′,E q ″,E fd 为q 轴暂态电势、次暂态电势和励磁电势;E d ″为d 轴次暂态电势;x d ,x d ′,x d ″为d 轴电抗、暂态电抗和次暂态电抗;x q ,x q ″为q 轴电抗和次暂态电抗;I d ,I q 为d 轴和q 轴电流,可视具体情况由E q ″’,E d ″和δ线性表示;P m ,P e 为机械功率和电磁功率,可用转子角等线性表示。

励磁机相应的常微分方程[3]表示为d U a d t =-1T a U a -K a T a U f +K a T a (-V t +V s )(10)d U f d t =K f T e T f U a -1T f U f -K f (K e +S e )T e T fE fd (11)d E fd d t =1T e U a -K e +S eT eE fd(12)式中:U a ,U f 为电压调节器输出电压和励磁反馈电压;K a ,T a 为分别为电压调节器的放大倍数和时间常数;S e ,K e ,T e 为为励磁机饱和系数、自励系数和时间常数;K f ,T f 为分别为转子电压软反馈的放大倍数和时间常数;V t ,V s 为分别为机端电压和励磁附加控制信号。

212　仿真程序的基本模块在水电站仿真中,发电机和励磁机的主要模块包括:(1)机组的顺序控制模块。

在机组的顺控过程中,包括开机、停机和零升等,均要求励磁机的电压按照要求升高或降低,在本控制模块,励磁机接受指令后,完成规定的电压操作。

(2)无功调节模块。

在部分水电站运行中,无功调节是一个比较重要的环节。

若考虑采用扩大单元接线模式,在无功调节过程中,会出现多台机组的无功再分配的情况。

(3)事故或故障模块。

实现再发生故障或事故情况下的电压调节。

213　仿真程序的构成基于发电机和励磁机描述方程式(5)～(12),编制相应的程序模块,则可实现发电机和励磁机的各项调节功能,组成发电机和励磁机仿真程序的主要处理程序有:(1)初始化程序。

用于实现发电机和励磁机参数和相关参量的初始化。

(2)模块处理程序。

该程序是发电机和励磁机仿真程序的核心,其中包括了上述所有模块,并且解决了各模块之间的连贯性以及程序的通用性。

(3)其他数学处理程序。

主要包括龙格—库塔法求解状态方程组的程序。

3　水电站本体仿真的数学模型和基本模块 基于已经建立的调速器、发电机和励磁机的仿真模块,则可进一步深入探讨包括水轮机系统(引・86・第20卷第1期 贵州水力发电 2006年2月水、水轮机、尾水)、发电机和励磁机系统(机械部分和电气部分)、调速系统(调速器和油压部分)等本体部分的整体仿真建模。

311　水力系统部分的数学模型和仿真程序流程31111　有压输水系统内水体的数学模型依据水电站水锤计算的基本方程可建立特征线方程[4]C+∶H pi=C p-B p Q pi(13)C-∶H pi=C M+B M Q pi(14)式中:CP,B P,C M,B M为时刻t-Δt的已知量, H pi、Q pi为时刻t的未知量。

C p=H i-1+BQ i-1 B p=B+R|Q i-1|C M=H i+1-BQ i+1 B M=B+R|Q i-1|式中:B=agA ,R =fΔx2gDA2为常数;Hi-1,Q i-1,H i,Q i为时刻t-Δt的已知量;i-1,i,i+1为计算断面位置;a,D,A,f分别为水锤波速、管道直径、管道面积和摩阻系数;Δx为管道分段长度,满足库朗条件Δt=Δx/a。

在机组模型特性曲线中,给出了大开度区的机组特性,包括流量特性、效率特性和飞逸特性,但是,在过渡过程中水轮机将通过非常宽阔的工况区域,这些区域超出了模型特性曲线给出的范围,因此要结合飞逸特性曲线适当的补充特性曲线,尤其是小开度区的特性曲线。

31112　水力系统部分的仿真程序流程水力系统部分的仿真程序流程见图2。

图2　水力系统部分的仿真程序基本流程312　仿真程序的基本模块依据水电站的实际运行情况和可能出现的运行工况,将仿真程序的基本模块分述如后。

31211　初始工况设置模块为使培训工作按机组的不同起始条件开始运行,学员应能方便、迅速地选择、设置初始工况点。

为此,仿真系统应对3台机组提供如下初始工况:备用机组的启动;机组带满负荷运行;机组带部分负荷运行;机组空载运行(发电机无励磁);机组空载运行(发电机有励磁);机组调相压水运行;机组调相不压水运行;快速闸门关闭时机组启动;快速闸门全开时机组启动,等等。

31212　机组的顺序控制模块在机组的顺控过程中,均会对本体部分发出相应的指令,本程序块实现:接受从顺控模块传递的指令,辨实指令的具体要求,主要是对导叶开度的控制目标,并立即作出准确的反应,该模块主要包括:(1)机组开机流程。

机组导叶开度从零开度至空载开度,转速从零转速在水流的冲击下上升到90%的转速,然后通过P I D调速器的闭环调节达到额定转速,若机组马上并网,则可迅速带上所需的负荷。

(2)机组停机流程。

机组导叶开度从大开度至空载开度,这期间机组仍处于并网状态,机组转速维持额定转速,当开度达到空载开度后,机组脱网,开度继续较小至零,转速有一上升过程,达到最大转速后,进入水轮机制动区,转速下降,当转速降至15%额定转速后,投入机械制动,直至转速降至零为止。