蘇杭，何常勝，高玲

（1. 云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司，昆明 650217，2. 長(zhǎng)江電力股份有限公司溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 永善 657300）

0 前言

水電裝機(jī)占70%以上的云網(wǎng)異步運(yùn)行后，系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)問(wèn)題主要表現(xiàn)為功率不平衡引發(fā)的頻率波動(dòng)[1]，直流FLC和一次調(diào)頻成為調(diào)節(jié)功率的主要手段[2]。在頻率恢復(fù)過(guò)程中，穿越調(diào)頻死區(qū)（±0.05 Hz）時(shí)易出現(xiàn)超低頻振蕩現(xiàn)象，主要由于大型水電機(jī)組一次調(diào)頻過(guò)程中的水錘效應(yīng)所致。水錘效應(yīng)造成的有功反調(diào)引入相位滯后和負(fù)阻尼，令系統(tǒng)發(fā)散失穩(wěn)[3-4]。2016年開(kāi)始的異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體驗(yàn)證試驗(yàn)中，試圖通過(guò)減小主力水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)Kp、Ki、Kd參數(shù)，增大一次調(diào)頻死區(qū)的方式減小反調(diào)，抑制低頻振蕩發(fā)生。結(jié)果，因模型參數(shù)Tw的偏差，模型適應(yīng)性較差，對(duì)反調(diào)的模擬不夠準(zhǔn)確，初期參數(shù)調(diào)整并未使人滿意[5]。

據(jù)以往的超低頻振蕩頻率大?。ā?.1 Hz），采用剛性水錘模型能夠滿足與調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)的低頻振蕩問(wèn)題分析[6]，而B(niǎo)PA水輪機(jī)-引水系統(tǒng)模型仍以線性化模型為主。本文圍繞這一現(xiàn)狀展開(kāi)討論。

1 模型應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，水輪機(jī)及引水系統(tǒng)剛性水錘線性化模型符合如下形式，即BPA平臺(tái)TW卡和TV卡，如圖1-圖2所示。

圖1 TW卡（理想模型）

圖2 混流式模型TV卡

其中Tw為水流慣性時(shí)間常數(shù)，a，b為系數(shù)，y為開(kāi)度，PM為水輪機(jī)出力。仿真表明：剛性水錘條件下，Tw的存在使得水輪機(jī)力矩有一反向調(diào)節(jié)，隨著Tw的增大，反調(diào)峰值功率PRP和反調(diào)峰值時(shí)間TRP（圖3）增大[7]。現(xiàn)階段，模型應(yīng)用存在的困境為：

1）按Tw定義Qr為額定流量，Hr為額定水頭，L、S為引水系統(tǒng)參數(shù)，g為重力加速度），同機(jī)組Tw為定值，TW卡成為固化參數(shù)模型，僅在額定水頭、額定流量時(shí)效果較好。因而，多數(shù)情況下TW卡已較少使用。

2）TV卡符合線性化水輪機(jī)-引水系統(tǒng)模型的一般形式，且南網(wǎng)BPA系統(tǒng)平臺(tái)均依TV卡構(gòu)建。然而，在應(yīng)用層面，因TV卡未給出修正系數(shù)a、b的取值方式，在電網(wǎng)計(jì)算中，多數(shù)仍依某單一工況測(cè)辨結(jié)果固化單機(jī)a、b；同時(shí)，TV卡固化了零功率對(duì)應(yīng)零開(kāi)度，對(duì)功率穩(wěn)態(tài)值的影響顯著[8]。往往，在水頭或負(fù)荷改變時(shí)，反調(diào)仿真的效果差異巨大，如圖3所示。

圖3 小灣#5機(jī)組190m水頭變負(fù)荷BPA仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖（TV卡，Tw=1.3）

針對(duì)變工況的反調(diào)仿真偏差，目前業(yè)界有不同的處理方式。

1）在不同工況使用不同的Tw[9-10]。如此做的問(wèn)題在于：依經(jīng)典水輪機(jī)調(diào)節(jié)理論[11]，Tw值不依工況而變化，改動(dòng)Tw缺乏足夠的理論支撐，存在定義與物理意義上的模糊。

2）通過(guò)修改PID調(diào)節(jié)器GM卡（圖4）中的KW參數(shù)，以修正功率偏差。但從圖4可以看出：KW位于模型始端，如此做相當(dāng)于倍乘了各環(huán)節(jié)參數(shù)，改變了中間量輸出，因而僅可作權(quán)宜之計(jì)。

圖4 BPA水輪機(jī)PID調(diào)節(jié)器模型GM卡

2 改進(jìn)方案

文獻(xiàn)[7]指出：對(duì)理想模型引入水流修正系數(shù)Ky（圖5），并針對(duì)工況加以調(diào)整。但著作僅給出了Ky與水頭、功率的定性關(guān)系。基于此，兼顧與現(xiàn)有仿真平臺(tái)的接合性及使用便捷性，提出如下思路：依Ky模型和TV卡結(jié)構(gòu)改進(jìn)模型（圖6），加入改進(jìn)的導(dǎo)葉-功率關(guān)系環(huán)節(jié)（使用零功率對(duì)應(yīng)空載開(kāi)度；在待求工作點(diǎn)附近增加插值點(diǎn)）以優(yōu)化功率穩(wěn)態(tài)值。進(jìn)行變工況下的實(shí)測(cè)，用辨識(shí)手段獲取與工況相適應(yīng)的Ky，并找出Ky相對(duì)工況參數(shù)（y、H、P等）的變化規(guī)律。如此，可建立經(jīng)典理論與模型應(yīng)用之間的橋梁。

圖5 加入Ky修正的水輪機(jī)模型

圖6 Ky辨識(shí)求解模型結(jié)構(gòu)框圖

圖中：mt為水輪機(jī)力矩，并網(wǎng)態(tài)轉(zhuǎn)速改變不 大， 故p=mt。（yi，pi）、（y1，p1）、（y2，p2）、（y3，p3）、（y4，p4）分別為待求工況i及其相鄰1、2、3、4工況的開(kāi)度、功率。顯然，線性部分等價(jià)于Ky=a=2b，改進(jìn)模型可與TV卡很好接合。

過(guò)渡過(guò)程實(shí)際表明：同一水頭、負(fù)荷下，開(kāi)度階躍量越大，則反調(diào)越明顯[12-13]。據(jù)此，給出Ky辨識(shí)方案如下：

1）選定測(cè)試機(jī)組，某水頭Hi工況，在不同負(fù)荷Pi下，進(jìn)行開(kāi)度給定大階躍（±10%）試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)較為顯著的有功反調(diào)，同時(shí)進(jìn)行Pi下的一次調(diào)頻試驗(yàn)用于驗(yàn)證；進(jìn)行變負(fù)荷試驗(yàn)，測(cè)取Hi水頭下的y-p關(guān)系。

2）使用仿真工具，通過(guò)開(kāi)度大階躍辨識(shí)得到Ky；將所得Ky導(dǎo)入南網(wǎng)BPA平臺(tái)TV卡，以各負(fù)荷下一次調(diào)頻過(guò)程驗(yàn)證辨識(shí)結(jié)果。

3 算例

3.1 Ky辨識(shí)

以實(shí)測(cè)溪洛渡#10、#14、#18機(jī)組197m水頭舉例，使用MATLAB-simulink工具，分別在 100%Pr（Pr為額定負(fù)荷）、80%Pr、60%Pr、40%Pr時(shí)辨識(shí)得到Ky，結(jié)果如表1、圖7（560 MW）所示：

表1 #14機(jī)組Ky辨識(shí)結(jié)果

圖7 #14機(jī)組560 MW開(kāi)度±10%階躍辨識(shí)結(jié)果（Ky=0.62）

由圖7可見(jiàn)，實(shí)測(cè)與仿真吻合很好，反調(diào)峰值功率PRP和反調(diào)峰值時(shí)間TRP偏差均在±5%以內(nèi)，說(shuō)明模型構(gòu)建合理，參數(shù)辨識(shí)準(zhǔn)確。

3.2 BPA驗(yàn)證

在溪洛渡#14機(jī)南網(wǎng)BPA平臺(tái)中，發(fā)電機(jī)模型使用M卡和MF卡；勵(lì)磁系統(tǒng)模型使用FV和F+卡；PSS模型使用SI和SI+卡；調(diào)速器模型使用GN卡與GN+卡；執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型使用GA卡；水輪機(jī)及引水系統(tǒng)模型使用TV卡；各環(huán)節(jié)參數(shù)均基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和仿真辨識(shí)獲得，Tw=1.03由機(jī)組和管道參數(shù)計(jì)算獲得。將各工況Ky=a=2b導(dǎo)入BPA，單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)頻差Δf=±0.2 Hz時(shí)，一次調(diào)頻過(guò)程比對(duì)如圖8所示（560 MW）。

圖8 560 MW頻擾BPA仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖（頻差±0.2 Hz）

可見(jiàn)：無(wú)論反調(diào)還是整體動(dòng)態(tài)過(guò)程，改進(jìn)模型均與實(shí)測(cè)較高程度的吻合，總體仿真結(jié)果優(yōu)于TV卡。這說(shuō)明：模型改進(jìn)準(zhǔn)確、足夠精度；同時(shí)，模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方案操作簡(jiǎn)便，具備工程價(jià)值。

4 結(jié)果分析

同法完成溪洛渡#10、#18機(jī)組測(cè)辨，分工況Ky值如下表：

表2 #10、#18機(jī)組Ky辨識(shí)結(jié)果

700 MW時(shí)，三機(jī)組±10%擾動(dòng)開(kāi)度與有功對(duì)比如下圖9～圖10所示（縱坐標(biāo)已歸一化）。Ky與開(kāi)度y、有功P的關(guān)系曲線如圖10所示。

圖9 700 MW下階躍開(kāi)度、功率比對(duì)圖

圖10 Ky與開(kāi)度、功率關(guān)系圖

從圖10可以看出：

1）Ky數(shù)值在不同負(fù)荷有明顯差異：40%Pr時(shí)降為0；隨負(fù)荷升高，Ky與開(kāi)度、有功近似呈線性變化，與開(kāi)度的線性關(guān)系更顯著，因此在確定如圖10的y-Ky曲線后，可插值求取任意負(fù)荷的Ky，進(jìn)而獲得某一水頭下全負(fù)荷段的Ky。

2）60%Pr以上負(fù)荷時(shí)，Ky同y線性關(guān)系較強(qiáng)。三機(jī)曲線均在420 MW出現(xiàn)拐點(diǎn)，可能原因是：首先，280 MW～420 MW之間未有測(cè)點(diǎn)，雖測(cè)得280 MW時(shí)Ky=0（無(wú)反調(diào)），實(shí)際Ky首降至0的負(fù)荷點(diǎn)很可能在280 MW以上。故在低負(fù)荷區(qū)增加測(cè)試點(diǎn)（如每5%Pr進(jìn)行測(cè)試），可找出Ky首降至0的第一負(fù)荷點(diǎn)，提高y-Ky關(guān)系的精度。

3）#18機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉速度顯著低于其他機(jī)組（圖9），測(cè)辨所得Ky值也較小，且與y的正比關(guān)系較弱?？赏浦?/p>

a.Ky與y的關(guān)系受導(dǎo)葉啟閉速度影響較大；

b.受導(dǎo)葉速度因素影響，相比其他機(jī)組，#18機(jī)組Ky也隨負(fù)荷的降低更快向0值衰減，即同一電廠的不同機(jī)組，導(dǎo)葉啟閉速度過(guò)低者，y-Ky曲線末端將呈現(xiàn)明顯非線性；

c.溪洛渡機(jī)組導(dǎo)葉為分段關(guān)閉（拐點(diǎn)41%），中低負(fù)荷導(dǎo)葉可能處于慢關(guān)段，更慢的關(guān)閉速度強(qiáng)化了導(dǎo)葉速度因素對(duì)反調(diào)的抑制，令Ky更快的減小至零。

目前，已測(cè)辨得到主力機(jī)組分水頭、分負(fù)荷Ky值如下表（部分列出）：

表3 主力機(jī)組Ky值（部分）

容易驗(yàn)證：Ky與P均符合上述近似線性的關(guān)系，其精確表達(dá)可進(jìn)一步理論論證。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）本文討論建立了經(jīng)典理論與模型應(yīng)用的橋梁。改進(jìn)模型反調(diào)的仿真效果優(yōu)于TV卡，為精細(xì)化建模和全工況仿真打下基礎(chǔ)。同時(shí)，其同TV卡很好的接合，測(cè)辨所得Ky可用于方式計(jì)算及參數(shù)優(yōu)化。

2）測(cè)辨表明某水頭H下Ky與y符合較好的線性關(guān)系。得到y(tǒng)-Ky曲線后，可插值求取全負(fù)荷段的Ky。在中低開(kāi)度增加測(cè)試點(diǎn)，可提高y-Ky曲線精度。

3）導(dǎo)葉啟閉速度對(duì)反調(diào)的影響較大，速度較慢者辨識(shí)所得Ky較小。對(duì)導(dǎo)葉啟閉速度過(guò)低者，y-Ky曲線呈現(xiàn)明顯非線性。

4）下一步工作將圍繞變水頭測(cè)辨展開(kāi)，探尋適應(yīng)水頭變化的模型改進(jìn)方案。