一种并网水电机组精确化功率反调仿真方法

技术领域

本发明属于机网协调技术领域，具体涉及一种并网水电机组精确化功率反调仿真方法。

背景技术

大型水电占比可观的电网系统中，超低频振荡现象时有发生，大型水电机组开度调节过程中的水锤效应是主要根源之一。水锤效应造成的有功反调引入负阻尼，系统出现超低频振荡威胁电网安全稳定运行。故此，对功率反调的准确仿真成为超低频振荡抑制方法中所亟待解决的问题。在云南异步联网系统性整体验证试验中，曾试图通过减小主力水电机组调速系统PID参数，增大一次调频死区的方式减小功率反调，抑制超低频振荡发生，结果，因并网水电机组水轮机及引水系统模型参数的偏差，模型适应性较差，在工况变化时，对功率反调的仿真不够准确，初期参数调整并未理想。因而，构建可准确仿真功率反调的并网水电机组水轮机及引水系统模型，对超低频振荡的研究和抑制具有重要意义。

现有的并网水电机组水轮机及引水系统模型使用现状为：

1、混流式水轮机模型如图1(其中Δy为开度增量，Δp

2、现有模型零反调状态应用不当：大量实测和运行实例表明，并网机组在某水头和负荷、某大小扰动量下，反调为零，为仿真零反调状态，现有模型图1在应用时往往采用将模型T

3、现有模型的构建方式有待精确：现有并网水电机组水轮机及引水系统模型的构建均基于开度阶跃作为输入量，如图1模型亦基于功率反调过程导叶启闭速度为无穷大，而实际功率反调过程，开度按近似斜坡变化。故现有模型无法体现：导叶启闭速度因素对功率反调大小的影响。

因此如何克服现有技术的不足是目前机网协调技术领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种并网水电机组精确化功率反调仿真方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种并网水电机组精确化功率反调仿真方法，对某待测机组某水头下任意负荷时，开度增量为Δy的功率反调仿真，包括如下步骤：

在当前水头下，以10％～20％额定负荷为步长，选取3～5个负荷点，进行开度阶跃扰动，其扰动量为Δy，并记录各组扰动时导叶开度、有功功率的输出曲线；

记录并网零负荷点和额定负荷点的导叶开度，其中并网零负荷点的导叶开度数值等于当前水头下的空载开度；

读取各组扰动下的导叶开度与有功功率的初始值和稳态值，连同并网零负荷点和额定负荷点的导叶开度及对应的功率，得到导叶开度与功率的关系曲线p(y)；

使用当前水头下的空载开度与当前水头下各组扰动的开度初始值y

基于最小二乘参数辨识法，利用并网水电机组水轮机及引水系统模型，对待测机组各组扰动下记录的导叶开度、有功功率进行仿真辨识，得到与每个负荷点开度初始值y

其中，所述的并网水电机组水轮机及引水系统模型为：

其中，Δm

通过对曲线K

计算待测机组的水流惯性时间常数T

式中，g为重力加速度，Q

基于获得的p(y)、β、K

进一步，优选的是，进行开度阶跃扰动的具体方法为：在调速器电气柜直接设定导叶开度给定或通过调速器仿真测试仪施加仿真机组频率阶跃进行扰动，其扰动量为Δy；采用调速器仿真测试仪记录各组扰动时导叶开度、有功功率的输出曲线，其包含导叶开度与有功功率暂态至稳态的调节全过程。

进一步，优选的是，各组扰动均包括量值大小为Δy的上扰和下扰。

进一步，优选的是，负荷修正系数β的计算方法如下：

其中，y

进一步，优选的是，当需要仿真零反调状态时，置β＝1。

水轮机及引水系统模型的导叶开度与功率关系曲线p(y)，以实测水轮机空载开度对应并网零负荷，以实测水轮机额定负荷开度对应额定负荷；同时在水轮机及引水系统模型中考虑实测水轮机空载开度。

本发明同时提供上述并网水电机组水轮机及引水系统模型，模型的输入量Δy均基于待测机组的实测导叶开度。

本发明构建得出的水轮机及引水系统模型结构清晰、使用便捷，相对现有模型可大大提高工况改变时功率反调仿真的精确度。其包括：

1)从水轮机模型一般结构出发导出开度线性修正，使非线性变化的功率反调大小与当前工况导叶开度参数实现关联，同时在水轮机及引水系统模型中考虑实测水轮机空载开度，体现了水轮机空载能量对功率反调的影响；相对水头、流量等工况参数，水轮机导叶开度极易于获得且与实际偏差微小，本发明仅需测定导叶开度和有功功率即可完成仿真、建模，且可准确模拟实际反调过程，建模和仿真的方法简便，耗费低，具有较强实用性。

2)模型应用通过完成当前水头3～5个负荷下开度扰动实测，便仅需调整待仿真工况开度以及水流修正系数，而无需改变水流惯性时间常数即可完成并网全负荷段的功率反调过程仿真；

3)模型应用可以不用将水流惯性时间常数置零即可仿真零反调过程，避免了模型应用时水流惯性时间常数的物理意义不清；

4)本发明的水轮机及引水系统模型的导叶开度与功率关系曲线p(y)，以实测水轮机空载开度对应并网零负荷，以实测水轮机额定负荷开度对应额定负荷，区别于现有技术以零开度对应并网零负荷，与机组运行实际更加吻合，对反调的仿真更有利。

5)本发明建模方法体现了导叶启闭速度因素对功率反调大小的影响，与实际符合度更高。很好解决了超低频振荡问题研究中水轮机及引水系统模型变工况时功率反调仿真精度差的难题。

并网全负荷段是指包含了当前水头下，自并网零负荷至额定负荷的任意负荷点。

功率反调大小用反调峰值功率P

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

1、本发明的模型结构简单，且可操作性高，很好的解决了现有水轮机及引水系统模型的应用困境：将非线性变化的功率反调大小与当前工况参数实现了对应，使用人员可依据待仿真机组负荷变化调整对应的导叶开度和水流修正系数，从而完成并网全负荷段功率反调仿真，而无需面对现有技术固化参数或双变量a、b无所依从的困境。

2、本发明无需将水流惯性时间常数T

3、本发明模型的功率反调仿真结果与实测高程度的吻合，显著提高了工况改变时并网水电机组功率反调的仿真精度，与实测结果进行校核，反调峰值时间偏差在±0.2s以内，反调峰值功率偏差在±10％功率阶跃量以内，此一偏差完全符合GB/T 40593-2021《同步发电机调速系统参数实测及建模导则》和DL/T1235-2019《同步发电机原动机及其调节系统参数实测与建模导则》的要求，满足仿真和建模的需要，对电网超低频振荡的研究和抑制大有裨益。

4、本发明的建模方法使用P.Kundur提出的简化解析非线性水轮机模型，将水轮机空载开度引入模型，体现了水轮机空载能量对功率反调的影响，具备理论和工程价值。

5、本发明的建模方法采用斜坡函数作为水轮机及引水系统模型输入量，体现了导叶启闭速度因素对功率反调的影响，相对现有技术与实际吻合度更高。

附图说明

图1是现有技术的水轮机及引水系统模型(简称现有模型)；

图2是开度增量为Δy的实际功率反调过程；

图3是实际反调过程不同负荷和不同导叶启闭速度的比对图；其中，a、b是不同负荷下反调过程的比对，a为开度比对，b为功率比对；c、d是不同导叶启闭速度下反调过程的比对，c为开度比对，d为功率比对；

图4是调速器环节典型框图；

图5是本发明并网水电机组水轮机及引水系统模型(简称优化模型)；

图6是700MW负荷±10％开度给定阶跃有功录波曲线；

图7是560MW负荷±10％开度给定阶跃有功录波曲线；

图8是420MW负荷±10％开度给定阶跃有功录波曲线；

图9是210MW负荷±10％开度给定阶跃有功录波曲线；

图10是194.3m水头开度和功率关系曲线；

图11是700MW时K

图12是560MW时K

图13是560MW时K

图14是420MW时K

图15是420MW时K

图16是194.3m水头K

图17是520MW时－10％开度扰动有功功率校核结果；

图18是520MW时+10％开度扰动有功功率校核结果；

图19是210MW时－10％开度扰动有功功率校核结果(实测与仿真比较)；

图20是210MW时+10％开度扰动有功功率校核结果(实测与仿真比较)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

实施例1

一种并网水电机组精确化功率反调仿真方法，对某待测机组某水头下任意负荷时，开度增量为Δy的功率反调仿真，包括如下步骤：

在当前水头下，以10％～20％额定负荷为步长，选取3～5个负荷点，进行开度阶跃扰动，其扰动量为Δy，并记录各组扰动时导叶开度、有功功率的输出曲线；

记录并网零负荷点和额定负荷点的导叶开度，其中并网零负荷点的导叶开度数值等于当前水头下的空载开度；

读取各组扰动下的导叶开度与有功功率的初始值和稳态值，连同并网零负荷点和额定负荷点的导叶开度及对应的功率，得到导叶开度与功率的关系曲线p(y)；

使用当前水头下的空载开度与当前水头下各组扰动的开度初始值y

基于最小二乘参数辨识法，利用并网水电机组水轮机及引水系统模型，对待测机组各组扰动下记录的导叶开度、有功功率进行仿真辨识，得到与每个负荷点开度初始值y

其中，所述的并网水电机组水轮机及引水系统模型为：

其中，Δm

通过对曲线K

计算待测机组的水流惯性时间常数T

式中，g为重力加速度，Q

基于获得的p(y)、β、K

实施例2

一种并网水电机组精确化功率反调仿真方法，对某待测机组某水头下任意负荷时，开度增量为Δy的功率反调仿真，包括如下步骤：

在当前水头下，以10％～20％额定负荷为步长，选取3～5个负荷点，进行开度阶跃扰动，其扰动量为Δy，并记录各组扰动时导叶开度、有功功率的输出曲线；

记录并网零负荷点和额定负荷点的导叶开度，其中并网零负荷点的导叶开度数值等于当前水头下的空载开度；

读取各组扰动下的导叶开度与有功功率的初始值和稳态值，连同并网零负荷点和额定负荷点的导叶开度及对应的功率，得到导叶开度与功率的关系曲线p(y)；

使用当前水头下的空载开度与当前水头下各组扰动的开度初始值y

基于最小二乘参数辨识法，利用并网水电机组水轮机及引水系统模型，对待测机组各组扰动下记录的导叶开度、有功功率进行仿真辨识，得到与每个负荷点开度初始值y

其中，所述的并网水电机组水轮机及引水系统模型为：

其中，Δm

通过对曲线K

计算待测机组的水流惯性时间常数T

式中，g为重力加速度，Q

基于获得的p(y)、β、K

进行开度阶跃扰动的具体方法为：在调速器电气柜直接设定导叶开度给定或通过调速器仿真测试仪施加仿真机组频率阶跃进行扰动，其扰动量为Δy；采用调速器仿真测试仪记录各组扰动时导叶开度、有功功率的输出曲线，其包含导叶开度与有功功率暂态至稳态的调节全过程。

各组扰动均包括量值大小为Δy的上扰和下扰。

负荷修正系数β的计算方法如下：

其中，y

当需要仿真零反调状态时，置β＝1。

水轮机及引水系统模型的导叶开度与功率关系曲线p(y)，以实测水轮机空载开度对应并网零负荷，以实测水轮机额定负荷开度对应额定负荷

实施例3

一种并网水电机组精确化功率反调的仿真方法，包括如下步骤：

以混流式水轮机为例，引水系统使用一阶刚性模型，根据某工作点处线性化水轮机模型的一般形式，得到并网水电机组水轮机及引水系统模型的传递函数：

式中：

根据P.Kundur提出的简化解析非线性水轮机模型，得到包含y、h的简化解析式：

式中：y为开度，h为水头，q为流量，p

认为并网机组发电机效率恒定，则存在机组功率、水轮机出力、水轮机力矩三者标幺相同，p为机组功率，即p＝p

式(3)意义即：并网水电机组水轮机及引水系统在某初始工况发生开度增量为Δy，力矩增量为Δm

基于传递函数中各参数的物理本质，将式(4)写作：

其中：p(y)表示水头h

所述的水头h

该式(5)即为用于精确化功率反调仿真的并网水电机组水轮机及引水系统模型。

根据P.Kundur提出的简化解析非线性水轮机模型适用条件，所建立的模型式(5)在50％～100％额定负荷区段有更好的效果。

模型式(5)用于功率反调仿真的精确性可证明如下：

众所周知，功率反调发生在调节起始段0＜t≤t

定义Δy(t)＝V

其中，Δm

式中：t

当水头h

应用于某待测机组某水头下任意负荷时，开度增量为Δy的功率反调仿真，步骤如下：

考虑仿真操作的便捷性及p(y)曲线的完整性，在当前水头下，以10％～20％额定负荷为步长选取3～5个负荷点，进行开度阶跃扰动，具体为：在调速器电气柜直接设定导叶开度给定或通过调速器仿真测试仪施加仿真机组频率阶跃进行扰动，其扰动量为Δy。采用调速器仿真测试仪记录各组扰动时导叶开度、有功功率的输出曲线，其包含导叶开度与有功功率暂态至稳态的调节全过程。

同时记录并网零负荷点和额定负荷点的导叶开度；

所述的各组扰动均包括量值大小为Δy的上扰(开度增)和下扰(开度减)。

读取各组扰动下的导叶开度与有功功率的初始值和稳态值，连同并网零负荷点和额定负荷点的导叶开度及对应的功率，得到导叶开度与功率的关系曲线p(y)；

记取当前水头下的空载开度，与当前水头下各组扰动的开度初始值y

基于式(5)模型和最小二乘参数辨识法，对待测机组各组扰动下记录的导叶开度、有功功率进行仿真辨识，得到每个负荷点各组扰动下的水流修正系数即K

通过对曲线K

通过水流惯性时间常数的定义式

基于以上步骤获得的p(y)、β、K

特殊地，当需要仿真零反调状态时，置β＝1即可，以此表达零反调状态而无需将T

本发明的建模方法基于对并网水电机组水轮机及引水系统模型基本结构的分析和简化，以及实测和仿真验证。技术解决方案的形成过程如下：

1)变量和标幺值定义体系说明：本发明统一取机组额定值为基准值的标幺值定义体系，即导叶开度y取100％接力器行程，水头H、水轮机流量Q、水轮机力矩M

2)构建引水系统模型：引水系统使用一阶刚性模型，即为：

其中Δh为水头增量，q为流量，t为时间，T

3)构建水轮机模型：以混流式水轮机为例，使用某工作点处线性化水轮机模型的一般形式：

式中：

4)构建并网水电机组水轮机及引水系统模型：对式(9)和(10)取拉氏变换，得到并网水电机组水轮机及引水系统模型的传递函数：

5)具体化模型：根据P.Kundur提出的简化解析非线性水轮机模型，得到以开度和水头表达的简化解析式：

式中：y为开度，h为水头，q为流量，p

认为并网机组发电机效率恒定，则存在机组功率、水轮机出力、水轮机力矩三者标幺相同，p为机组功率，即p＝p

式(13)意义即：并网水电机组水轮机及引水系统在某初始工况发生开度增量为Δy，力矩增量为Δm

模型式(14)即为用于精确化功率反调仿真的水轮机及引水系统模型基本形式。

6)进一步地，模型式(14)用于功率反调仿真的精确性可证明如下：

众所周知，功率反调发生在调节起始段0＜t≤t

定义Δy(t)＝V

/>

其中，Δm

式中：t

当水头h

7)进一步地，模型(14)输入量为开度斜坡假设的依据如下：

由调速器环节典型框图如图4所示。其中，Δω为频差，Δf为净频差，b

式中：t为时间，Δy(t)开度增量时域曲线，负号表示开度增量与阶跃扰动反向变化。在t＞0时，得导叶启闭速度：

当t→0

式(14)为简化解析模型，无法直接用于仿真，基于K

/>

式中：p(y)表示水头h

为负荷修正系数，为线性参量，由当前开度、当前水头下的空载开度计算获得，显然，令β＝1即对应零反调状态；/>

所述的水头h

式(21)即为用于精确化功率反调仿真的并网水电机组水轮机及引水系统模型。至此，从水轮机模型一般结构出发，导出了开度线性修正，使非线性变化的功率反调大小与当前工况导叶开度参数实现了关联。

用传递函数框图表达的用于精确化功率反调仿真的水轮机及引水系统模型式(21)如图5所示。图中：非线性插值环节的O点(y

所述的下扰和上扰是指阶跃(开度或频率，下同)试验的下扰动、上扰动。

图5应用于某待测机组某水头下任意负荷时，开度增量为Δy的功率反调仿真，步骤如下：

在当前水头下，等步长选取3～5个负荷点，进行开度阶跃扰动，具体为在调速器电气柜直接设定导叶开度给定或通过调速器仿真测试仪施加仿真机组频率阶跃进行扰动，其扰动量为Δy。使用调速器仿真测试仪记录各组扰动时导叶开度、有功功率的输出曲线，其包含导叶开度与有功功率暂态至稳态的调节全过程。

所述的各组扰动均包括量值大小为Δy的上扰(开度增)和下扰(开度减)。如在额定负荷则只进行下扰。

同时记录并网零负荷点和额定负荷点的导叶开度；

读取各组扰动下的导叶开度与有功功率的初始值和稳态值，连同并网零负荷点和额定负荷点的导叶开度及对应的功率，得到导叶开度与功率的关系曲线p(y)；即图5左框非线性插值环节。

记取当前水头下的空载开度，与当前水头下各组扰动的开度初始值y

基于式(21)模型和最小二乘参数辨识法，对待测机组各组扰动下记录的导叶开度、有功功率进行仿真辨识，得到每个负荷点各组扰动下的K

所述的仿真辨识不包含功率反调为零的负荷点。

通过线性插值，得出与待仿真负荷下开度y

通过水流惯性时间常数的定义式

基于以上步骤获得的e

特殊地，当需要仿真功率反调为零的状态时，置β＝1即可，以此表达零反调状态而无需将参数T

基于P.Kundur提出的简化解析非线性水轮机模型的应用条件：本发明建模所得的模型式(21)、图5于50％至100％额定负荷区段有更好的应用效果。此负荷段涵盖了水电机组并网运行的绝大多数情形。

应用实例

某大型水电厂#14机组额定水头186m，额定负荷700MW，坝后式厂房，单管单机布置。现场实测选取水头h

1、分别在额定负荷30％(210MW)、60％(420MW)、80％(560MW)、100％(700MW)四个点进行±10％开度给定阶跃扰动。结果如图6～图9所示；

2、读取各负荷点扰动初始和上扰、下扰3个稳态下的开度和功率；

3、记取当前水头下水轮机空载开度y

4、基于式(21)模型和最小二乘参数辨识法，对各组扰动下记录的导叶开度、有功功率进行仿真辨识，得到每个负荷点各组扰动下的K

5、根据4结果得到当前水头下各组扰动的开度初始值y

6、对图16曲线使用线性插值获得520MW开度y

7、查询机组和管道参数，计算得该机组的水流惯性时间常数T

8、根据2、3，得到待仿真负荷下开度y

9、根据1～8结果和

所述现有模型图1中a＝1，b＝0.5，T

特殊地，在零反调状态210MW，重复上述1～8，并令β＝1，利用优化模型得到210MW(36.5％开度)时±10％开度给定扰动功率校核结果，仿真与实测对比如图19、图20所示。

从上述实例可见，对比实测，现有模型在任意给定负荷520MW下的反调峰值时间和反调峰值功率均明显偏小，仿真偏差较大。而优化模型与实测较高程度地吻合，反调峰值时间偏差在±0.2s以内，反调峰值功率偏差在±10％功率阶跃量以内，此一偏差完全符合GB/T 40593-2021《同步发电机调速系统参数实测及建模导则》和DL/T 1235-2019《同步发电机原动机及其调节系统参数实测与建模导则》的要求，满足仿真和建模的需要，校核了图5模型的合理性。所述建模方法所建模型可依据待仿真机组负荷变化调整对应的导叶开度和水流修正系数，从而完成并网任意负荷下功率反调仿真，而无需面对现有技术固化参数或双变量a，b无所依从的困境。所建模型无需将水流惯性时间常数T

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。