樊麗娟，董洪魁，劉興福

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.云南電力試驗(yàn)研究院，云南 昆明 650217)

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直流孤島方式下水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器精確建模研究

樊麗娟1，董洪魁2，劉興福2

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.云南電力試驗(yàn)研究院，云南 昆明 650217)

摘要：孤島運(yùn)行時，由于系統(tǒng)容量相對單臺機(jī)組較小，擾動后頻率波動范圍較大，現(xiàn)有常用調(diào)速器模型無法準(zhǔn)確模擬水輪發(fā)電機(jī)組的響應(yīng)，不能對直流孤島工況進(jìn)行正確的計(jì)算分析。為此，以楚穗直流送端大型水電廠實(shí)際機(jī)組為例，建立了調(diào)速器精確模型，并將EMTDC仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比，證明該模型可精確模擬調(diào)速器各環(huán)節(jié)的響應(yīng)，適用于直流孤島運(yùn)行各工況的仿真計(jì)算。

關(guān)鍵詞：楚穗直流；送端孤島運(yùn)行；水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器；EMTDC建模

近年來直流輸電工程大規(guī)模投產(chǎn)，為了減少高壓大容量直流對電網(wǎng)安全的影響，同時有利于提高通道送電能力，直流孤島送電系統(tǒng)成為新的發(fā)展方向。2010年6月，世界首個±800 kV特高壓直流輸電工程——云南送廣東直流輸電工程(以下簡稱“楚穗直流”)雙極投產(chǎn)，經(jīng)過7個階段的孤島調(diào)試試驗(yàn)后，于2013年9月首次進(jìn)入直流輸電送端系統(tǒng)孤島運(yùn)行。另外，在建和已投運(yùn)的多個直流輸電工程，如糯扎渡±800 kV特高壓直流輸電工程、溪洛渡±500 kV雙回高壓直流輸電工程、哈密至鄭州±800 kV特高壓直流輸電工程等，均采用了直流送端系統(tǒng)孤島運(yùn)行方式[1-4]。

對于直流孤島系統(tǒng)的分析計(jì)算，鑒于電力電子器件的特性，機(jī)電暫態(tài)軟件已不能滿足計(jì)算的需求，需采用電磁暫態(tài)計(jì)算軟件，如PSCAD/EMTDC，并建立精確的仿真模型，特別是需要重新搭建調(diào)速器模型。

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個典型的高階、時變、非最小相位、參數(shù)隨工況點(diǎn)改變而變化的非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，確定其精確數(shù)學(xué)模型十分困難。在目前的電力系統(tǒng)分析計(jì)算中，通常采用中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的機(jī)電暫態(tài)穩(wěn)定程序反向傳播算法(back propagation algorithm，BPA)中提供的調(diào)速器模型。若系統(tǒng)容量遠(yuǎn)大于單臺發(fā)電機(jī)組容量，對單臺發(fā)電機(jī)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)不會影響整個電網(wǎng)的頻率，大電網(wǎng)的頻率偏差通常在±0.2 Hz以內(nèi)，因此調(diào)速系統(tǒng)模型差異對系統(tǒng)頻率的計(jì)算結(jié)果不會有根本性的影響。但該模型僅保留了調(diào)速器的部分特性，無法精確模擬水輪發(fā)電機(jī)的動態(tài)特性，特別是無法模擬調(diào)相狀態(tài)。

直流送端孤島方式交流系統(tǒng)一般由幾臺大容量發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，單臺發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)整對系統(tǒng)的頻率影響較大，頻率偏差也在更大的范圍內(nèi)。如楚穗直流輸電工程孤島運(yùn)行時，由于各種擾動，機(jī)組頻率在48～64 Hz范圍內(nèi)[5-6]。發(fā)電機(jī)組調(diào)速器廠家針對機(jī)組孤島方式運(yùn)行開發(fā)了新的微機(jī)調(diào)節(jié)策略，以適應(yīng)更大范圍內(nèi)的頻率調(diào)節(jié)?，F(xiàn)有常用發(fā)電機(jī)調(diào)速器模型不再適用，特別是電液伺服系統(tǒng)的模型過于簡單，無法準(zhǔn)確反映水輪發(fā)電機(jī)組的動態(tài)調(diào)節(jié)過程，因此必須建立更為貼近實(shí)際和精確的調(diào)速器模型，才能準(zhǔn)確反應(yīng)孤島系統(tǒng)內(nèi)直流系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)整和頻率變化。

本文在研究水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的結(jié)構(gòu)和控制原理后，在PSCAD/EMTDC中建立了精確的調(diào)速器模型，通過試驗(yàn)獲得了相關(guān)參數(shù)，并測試了調(diào)速器的特性，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，驗(yàn)證了模型的正確性。

1水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器結(jié)構(gòu)及傳統(tǒng)模型

電力系統(tǒng)中向發(fā)電機(jī)提供機(jī)械功率和機(jī)械能的機(jī)械裝置如水輪機(jī)、汽輪機(jī)等統(tǒng)稱為原動機(jī)。為了控制原動機(jī)向發(fā)電機(jī)輸出的機(jī)械功率，并保持電網(wǎng)的正常運(yùn)行頻率，以及在各并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)之間合理分配負(fù)荷，每一臺原動機(jī)都配置了調(diào)速器。調(diào)速系統(tǒng)一般通過控制汽輪機(jī)的汽門開度或水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度來實(shí)現(xiàn)功率和頻率調(diào)節(jié)。原動機(jī)及其調(diào)速器在電力系統(tǒng)中的作用及其與其他元件的關(guān)系如圖1所示。

AGC—自動發(fā)電控制，automatic generation control的縮寫，僅作用于選定的部分機(jī)組。圖1　調(diào)速器液壓系統(tǒng)自動控制框圖

對于水輪機(jī)調(diào)速器，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號經(jīng)測速元件測量并與給定轉(zhuǎn)速值比較，其偏差值與外加的各種指令信號以及永態(tài)(硬反饋)和暫態(tài)反饋(或稱軟反饋)信號相綜合；其后，該信號經(jīng)放大通過主配壓閥控制主接力器，從而推動導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)水輪機(jī)出力。

目前使用的水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器主要是微機(jī)調(diào)速器，數(shù)學(xué)模型一般分為三個部分：微機(jī)調(diào)節(jié)器、電液伺服系統(tǒng)和水輪機(jī)。國內(nèi)微機(jī)調(diào)節(jié)器基本采用并聯(lián)比例積分微分(propotional integral differential，PID)結(jié)構(gòu)，通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)速器的控制策略及調(diào)節(jié)規(guī)律；電液伺服系統(tǒng)將調(diào)節(jié)器輸出的數(shù)字量或電氣量轉(zhuǎn)換為機(jī)械液壓信號，進(jìn)一步放大、執(zhí)行，控制機(jī)械液壓系統(tǒng)完成對導(dǎo)水機(jī)構(gòu)即導(dǎo)葉的調(diào)整；水輪機(jī)是水力發(fā)電機(jī)組的原動機(jī)，通過導(dǎo)葉控制水流大小，從而調(diào)整水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，是實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速的載體。

目前普遍采用的水輪機(jī)調(diào)速器計(jì)算模型分為微機(jī)調(diào)節(jié)器和液壓機(jī)構(gòu)兩部分，其中，調(diào)速器模型較為粗略，不具備空載開度、兩段關(guān)閉速度設(shè)置等功能，而電液伺服系統(tǒng)在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時，無法正確反映調(diào)速器的動態(tài)響應(yīng)。因此，本文根據(jù)孤島控制策略對微機(jī)調(diào)節(jié)器重新建模，增加相應(yīng)的功能，對電液伺服系統(tǒng)詳細(xì)考慮各模塊在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的作用，進(jìn)行精確建模。

2直流孤島方式下水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器模型

直流輸電系統(tǒng)送端采用孤島方式運(yùn)行時，在各種擾動下，系統(tǒng)的頻率波動范圍較大，一般機(jī)組會有特殊的控制策略，需要對調(diào)節(jié)器和電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行精確建模，才能準(zhǔn)確反映孤島系統(tǒng)的頻率特性。本文以楚穗直流輸電工程為例，進(jìn)行發(fā)電機(jī)組調(diào)速器建模研究。

2.1微機(jī)調(diào)節(jié)器

孤島運(yùn)行方式下采用的水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器控制策略如圖2所示，輸入為機(jī)組頻率，輸出為開度目標(biāo)值，其中各參數(shù)意義見表1。

s為積分因子。圖2　直流孤島方式微機(jī)調(diào)節(jié)器控制策略

表1微機(jī)調(diào)節(jié)器參數(shù)

符號參數(shù)名符號參數(shù)名Kf反饋比例系數(shù)Bp輸出反饋系數(shù)Tf反饋積分系數(shù)Lnm反饋限幅KP比例系數(shù)Lder輸出限幅KI積分常數(shù)Lint根據(jù)機(jī)組狀態(tài)自動調(diào)整KD微分常數(shù)Lreg根據(jù)機(jī)組狀態(tài)自動調(diào)整Tn微分時間DB頻率死區(qū)

2.2電液伺服系統(tǒng)

電液伺服控制系統(tǒng)多數(shù)具有良好的控制性能，并具有一定的魯棒性，有廣泛的應(yīng)用性，其主要由主配壓閥、集成閥塊、濾油器等組成。主配壓閥是實(shí)現(xiàn)操作接力器的功能部件；集成閥塊上集成了系統(tǒng)中的絕大部分液壓控制和操作元件，是實(shí)現(xiàn)液壓邏輯各元件總成后的功能部件；濾油器是向系統(tǒng)中液壓控制元件提供潔凈壓力油的功能部件。

電液伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性是衡量一套電液伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試水平的重要指標(biāo)，由電信號處理裝置和若干液壓元件組成。元件的動態(tài)性能相互影響，相互制約及系統(tǒng)本身所包含的非線性致使其動態(tài)性能復(fù)雜，數(shù)學(xué)模型不可能用恒定不變的理論公式來描述，需要通過不同工況的試驗(yàn)來測定。此外，為了減小水錘壓力，水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的接力器都設(shè)置了兩段關(guān)閉?？刂苹芈啡鐖D3所示，其數(shù)學(xué)模型框圖如圖4所示。

圖3　調(diào)速器液壓系統(tǒng)自動控制框圖

K0、K1、K2均為比例系數(shù)；ty1、ty2分別為主配壓閥時間常數(shù)和接力器時間常數(shù)。圖4　調(diào)速器電液伺服系統(tǒng)模型框圖

3仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證精確模型的正確性，需要對水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，分別測定各環(huán)節(jié)參數(shù)，并在EMTDC中搭建精確模型，與試驗(yàn)結(jié)果對比。

3.1微機(jī)調(diào)節(jié)模型驗(yàn)證

試驗(yàn)時將頻率給定值設(shè)定為一條變化的曲線，如圖5所示，該頻率從50 Hz經(jīng)過7 s升至56 Hz，再經(jīng)過90 s下降到48 Hz 作連續(xù)擾動，變化率不等。該曲線可代表典型頻率擾動，測量微機(jī)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的PID輸出。

注：試驗(yàn)與仿真給定頻率曲線基本重合。圖5　試驗(yàn)與仿真給定頻率對比

圖6　試驗(yàn)與仿真PID輸出結(jié)果對比

利用所搭建的EMTDC模型進(jìn)行相同的仿真，將二者進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6所示。從對比曲線可以看出，在給定頻率擾動相同的情況下，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能夠較好的吻合。在20 s左右，PID輸出試驗(yàn)測量曲線有一個尖銳的反調(diào)，而仿真曲線沒有，從時間軸上可以看出，該反調(diào)出現(xiàn)時頻率正好達(dá)到最大值拐點(diǎn)處。這是因?yàn)樵趯?shí)際裝置中，數(shù)據(jù)采樣率較低，計(jì)算步長較大，在頻率最大值拐點(diǎn)處，數(shù)據(jù)不可導(dǎo)，導(dǎo)致微分項(xiàng)較大，引起PID輸出反調(diào)；而仿真中由于數(shù)據(jù)采樣率高，計(jì)算步長較小，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不可導(dǎo)的情況；而在實(shí)際運(yùn)行中，由于系統(tǒng)慣性較大，機(jī)組頻率不會出現(xiàn)這樣的拐點(diǎn)，也不會出現(xiàn)這種情況。在75 s左右，頻率下降到51 Hz，PID輸出開始增加，按照8%/s的速度，從0增加到空載開度以下2%，這是因?yàn)楫?dāng)頻率從較大值減小到51 Hz時，將積分環(huán)節(jié)和PID輸出環(huán)節(jié)的最小值限制在比空載開度小2%。由于發(fā)電機(jī)組的銅損、鐵損、摩擦等各種機(jī)械損耗，發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時需要一定的機(jī)械功率平衡空載損耗，對應(yīng)的導(dǎo)葉開度為空載開度。導(dǎo)葉開度小于空載開度時，穩(wěn)定時機(jī)組實(shí)際工作在電動機(jī)狀態(tài)，即調(diào)相狀態(tài)。在多臺機(jī)組的直流孤島系統(tǒng)中，由于各發(fā)電機(jī)組的參數(shù)和性能不同，會導(dǎo)致甩負(fù)荷后一些機(jī)組運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，一些機(jī)組運(yùn)行在電動機(jī)狀態(tài)，即調(diào)相狀態(tài)。限制PID輸出下限值的邏輯是為了保證發(fā)電機(jī)組不會長時間運(yùn)行在調(diào)相狀態(tài)。

3.2電液伺服系統(tǒng)模型驗(yàn)證

根據(jù)圖4在EMTDC中搭建電液伺服系統(tǒng)模型，為了驗(yàn)證電氣兩段關(guān)閉邏輯，也將其納入到該模型中。其中輸入信號為微機(jī)調(diào)節(jié)器的PID輸出，經(jīng)過兩段關(guān)閉邏輯得到開度目標(biāo)值，內(nèi)環(huán)控制器的輸出為主配壓閥位移，模型最終輸出信號為經(jīng)過電液轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的開度實(shí)際值。對該模型進(jìn)行開環(huán)測試，在PID輸出值70%的基礎(chǔ)上向下擾動20%，待系統(tǒng)穩(wěn)定后再向上或向下擾動約30%，測量各環(huán)節(jié)信號，對比仿真與試驗(yàn)曲線如圖7、圖8所示。

圖7　開度穩(wěn)態(tài)值70%向上擾動26%的曲線對比

圖8　開度穩(wěn)態(tài)值70%時向下擾動30%的曲線對比

為了驗(yàn)證模型對不同穩(wěn)態(tài)值基礎(chǔ)上的擾動以及擾動量大小的適應(yīng)性，在PID輸出值50%的基礎(chǔ)上進(jìn)行2%的上下擾動，對比曲線如圖9所示。在PID輸出值50%的基礎(chǔ)上進(jìn)行20%～30%的上下擾動，對比曲線如圖10所示。同時，在各擾動試驗(yàn)中對比所建立的精確模型與現(xiàn)有常用模型的導(dǎo)葉開度實(shí)際值。

圖9　開度穩(wěn)態(tài)值50%上下擾動2%的曲線對比

注：第一幅圖中試驗(yàn)曲線和仿真模型輸入曲線基本重合；第二幅圖中試驗(yàn)曲線和實(shí)用新型計(jì)算曲線基本重合；第四幅圖中試驗(yàn)曲線和實(shí)用新型計(jì)算曲線基本重合。圖10　開度穩(wěn)態(tài)值50%上下大擾動的曲線對比

此外，為了減小水錘壓力，水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的接力器都設(shè)置了兩段關(guān)閉。模擬兩段關(guān)閉規(guī)律為：在導(dǎo)葉開度為55%以上時，接力器關(guān)閉速度為快關(guān)速度8%；在導(dǎo)葉開度為55%以下時，接力器關(guān)閉速度為慢關(guān)速度4%。

從對比曲線可以看出，在相同的給定條件下，所建立的水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器電液伺服系統(tǒng)模型的仿真結(jié)果能與各環(huán)節(jié)試驗(yàn)曲線較好吻合，比現(xiàn)在常用模型具有更好的適應(yīng)性。

4結(jié)束語

直流輸電的孤島運(yùn)行方式對系統(tǒng)頻率的仿真計(jì)算提出了更高的要求。本文以楚穗直流工程送端某大型水電站為例，在EMTDC中建立了水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的精確模型，并對模型進(jìn)行了開環(huán)測試。測試結(jié)果表明，所建立的調(diào)速器模型與機(jī)組實(shí)際調(diào)速器響應(yīng)一致，而現(xiàn)有常用調(diào)速器模型與實(shí)際響應(yīng)差異較大，精確模型可以用于直流孤島運(yùn)行各工況的計(jì)算分析。

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樊麗娟(1984)，女，四川簡陽人。工程師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)電磁暫態(tài)建模仿真、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計(jì)算、直流輸電工程設(shè)計(jì)以及大電網(wǎng)交直流相互影響分析。

董洪魁(1963)，男，浙江新昌人。高級工程師，工學(xué)學(xué)士，從事水輪機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性分析及調(diào)速系統(tǒng)性能優(yōu)化研究。

劉興福(1982)，男，四川樂至人。工程師，工學(xué)碩士，從事水輪機(jī)組一次調(diào)頻及調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)辨識研究。

(編輯查黎)

Research on Precise Modeling on Governor of Water-turbine Generator Unit Under DC Island Mode

FAN Lijuan1, DONG Hongkui2, LIU Xingfu2

(1. Electric Power Research Institute, CSG , Guangzhou, Guangdong 510080, China; 2.Yunnan Power Research & Test Institute(Group) Co., Kunming, Yunnan 650217, China)

Abstract：Due to system capacity being comparatively small than that of single unit at the time of island running, fluctuation range of frequency after disturbance is larger, present common governor model can not correctly simulate response of water-turbine generator unit and conduct correct calculation analysis on working condition of the DC island. Therefore, this paper takes practical unit in Chu-sui DC sending-end large water power plant as an example, establishes precise model of the governor and compares EMTDC simulation result and experimental result. It is proved that this model could accurately simulate response of each link of the governor which is applicable to simulating calculation on each working condition of DC island operation.

Key words：Chu-sui DC; sending-end island operation; governor of water-turbine generator unit; EMTDC modeling

作者簡介：

中圖分類號：TM312

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)02-0080-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.016

收稿日期：2015-08-17