一種加快高水頭水電機組減負荷后系統穩定的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及水輪機調節技術，具體涉及一種加快高水頭水電機組減負荷后系統穩 定的方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電力行業高新技術的發展，對電力系統的穩定性要求也越來越高。水電機組 作為電力系統容量的重要組成部分，其穩定性成為保證電力系統安全、經濟、高效運行的關 鍵。對于具有長壓力引水系統的機組，特別是帶有調壓井的水力系統，在突然減滿負荷的過 程中，不能滿足電網的調節要求。而且，這種工況下對于調速器的參數需要采取自適應控制 的措施，甚至為了保證可靠性，還必須經過仿真計算及現場試驗確定。
[0003]目前，國內主要從兩方面考慮改善系統穩定性：一方面，在勵磁系統中引入附加控 制可改善系統減負荷的穩定性；另一方面，考慮導葉最佳控制。但是選取的調速器PID(比 例積分微分）模型，如圖1所示，圖中Fg、&是機組給定頻率和給定出力與額定值的相對 值，Ft、P是機組當前時刻頻率和出力與額定值的相對值，eP是永態差值系數，K 分別 是調速器的比例、積分、微分系數，Ty為主接力器響應時間常數，Tv為微分濾波時間常數，調 速器PID模型輸入由機組頻率與電網給定頻率偏差相對值構成，閉環調節中將被控水輪機 組的功率匕作為反饋值，構成調速器靜特性，其中積分項的輸入如圖1所示，PID輸出后經 過不靈敏區環節、導葉開限以及液壓系統后，輸出調速器計算開度。由于長引水系統水流慣 性時間系數較大，機組減負荷至零時，導葉迅速關閉，引起水力系統產生水錘壓力上升，使 機組輸出力矩不能立即響應負荷的變化，不能很好的滿足電網的要求。
[0004] 也有學者考慮通過水纏效應的動態補償，以達到提尚系統動態穩定性的目的。基 于上述假設，研究設計了水電機組調速器的非線性最優控制器，通過仿真機組減負荷試驗 得出其有效性的結論。但是所提的方法在目前的調速器上很難實現。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是，通過對帶有調壓井的高水頭機組復雜非線性模型 的仿真中引入調壓井的涌浪反饋，加快高水頭水電機組減滿負荷后系統的穩定。
[0006] 本發明通過以下技術方案實現上述目的。一種加快高水頭水電機組減負荷后系統 穩定的方法，其特征在于：在傳統調速器PID模型的基礎上，將調壓室的涌浪反饋信號分別 引入所述傳統調速器PID模型系統中的微分環節、比例環節和積分環節，再進行機組減負 荷的過渡過程仿真，最后選取機組減負荷后出力波動較其他方案穩定且超調量小的方案， 其步驟如下：
[0007] 1)在機組減負荷過渡過程仿真中，設定當前時刻為t，則上一時刻為t_At，At為 仿真計算時間步長，已知上一時刻的機組轉速為Nf、水頭為Hf;
[0008] 2)設定所述當前時刻t機組的轉速為+A*，其中Ax為上一時刻為t-At 時機組轉速增加量；
[0009] 3)設定所述當前時刻t機組的水頭為其中Ah為上一時刻為t-At 時機組水頭增加量；
[0010] 4)將所述當前時刻t機組的水頭、轉速帶入所述傳統調速器PID模型進行計算，得 到對應的機組導葉開度y和機組單位轉速n11;
[0011] 5)通過機組綜合特性曲線流量表，在導葉開度為y和單位轉速為nn的情況下，利 用線性插值計算所述當前時刻t的機組單位流量Qn=fi(nn，y)，將機組單位流量Qn轉換 為機組實際流量Qt;
[0012] 6)由機組上、下游連接管道節點特征線方程，計算得到機組水頭H=成-私，其中成 為上游管道連接點處水頭，HD為下游管道連接點處水頭；
[0013] 7)比較計算得到的所述當前時刻t機組水頭H與開始設定的機組水頭H〖差值，當 滿足精度要求時，進行下一步驟8);否則調整水頭增加量Ah，回到步驟3)重新 計算；
[0014] 8)通過機組綜合特性曲線力矩表，在導葉開度為y和單位轉速為nn的情況下，利 用線性插值計算所述當前時刻t的機組單位力矩Mn=f2(nn,y)，將機組單位力矩轉Mn換 算為機組實際力矩MT及機組力矩相對偏差值m; ,/r
[0015] 9)通過機組運動方程：Tu -ey),求解機組轉速N;
[0016] 式中：1；為機組慣性時間常數，m為機組出力的相對偏差值，mg。為負載力矩，e 機組自調節系數，x為機組轉速偏差值，t是時間系數；
[0017] 10)比較計算得到的所述當前時刻t機組轉速N與開始設定的機組轉速N丨差值， 當滿足精度要求|N-NtI，|<f時，進行下一步驟11);否則調整轉速增加量AX，回到步驟2)重 新計算；
[0018] 11)得到所述當前時刻t機組的轉速N和機組水頭H，結束。
[0019] 所述涌浪反饋信號為減負荷時調壓井的涌浪與機組穩定時調壓井的涌浪的相對 偏差值，經過反饋權重eh引入調速器系統的PID環節。
[0020] 本發明的有益效果在于通過對高水頭水電機組非線性模型的仿真，對比分析傳統 調速器PID模型中加入涌浪反饋對減負荷過程的影響，從而在傳統調速器PID模型中引入 調壓井涌浪的微分反饋，可加快機組減負荷后振蕩過程的衰減，有效改善系統的穩定性。
【附圖說明】
[0021] 圖1是現有技術中傳統調速器PID模型示意圖；
[0022] 圖2是本發明在傳統調速器PID模型中引入涌浪反饋信號至微分環節的示意圖；
[0023] 圖3是本發明在傳統調速器PID模型中引入涌浪反饋信號至比例環節的示意圖；
[0024] 圖4是本發明在傳統調速器PID模型中引入涌浪反饋信號至積分環節的示意圖；
[0025] 圖5是本發明的流程圖；
[0026] 圖6是未加入涌浪反饋的減負荷后1000s內機組涌浪值變化過程仿真圖；
[0027] 圖7是未加入涌浪反饋的減負荷后100s內機組涌浪值變化過程仿真圖；
[0028] 圖8是微分環節引入涌浪反饋的減負荷后1000s內機組涌浪值變化過程仿真圖；
[0029] 圖9是微分環節引入涌浪反饋的減負荷后100s內機組涌浪值變化過程仿真圖；
[0030] 圖6至9中："一"實線表示7#機組減負荷至0的過程中，機組的開度和出力；"…" 虛線表示機組的蝸殼壓力變化情況；"++"表示調壓井的涌浪變化情況。
【具體實施方式】
[0031] 現結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0032] 水電機組減負荷后，導葉突然關閉，機組力矩會先增大再減小，這個增大的力矩就 是反調功率。而反調功率是由于引水系統水錘效應引起的，如果可以合理的調整導葉開度 的關閉速度，就能夠將水錘不利影響降至最理想的狀況。
[0033] 參見圖2至圖5,本發明首先設定當前時刻機組轉速和水頭，將調壓室的涌浪反饋 信號分別引入傳統調速器PID模型中的微分環節、比例環節和積分環節，再進行機組減負 荷的過渡過程仿真，計算得到導葉開度和單位轉速，然后利用綜合特性曲線插值計算得到 流量和力矩，通過特征線方程以及機組運動方程分別求得計算水頭和轉速，通過雙重迭代 算法不斷循環計算，最后得到機組的轉速和水頭。
[0034] 具體步驟如下：
[0035] 1)在機組減負荷過渡過程仿真中，設定當前時刻為t，則上一時刻為t_At，At為 仿真計算時間步長，已知上一時刻的機組轉速為NP、水頭為Hf;
[0036] 2)設定所述當前時刻t機組的轉速為+勤，其中Ax為上一時刻為t-At 時機組轉速增加量；
[0037] 3)設定所述當前時刻t機組的水頭為其中Ah為上一時刻為t-At 時機組水頭增加量；
[0038] 4)將所述當前時刻t機組的水頭、轉速帶入所述傳統調速器PID模型進行計算，得 到對應的機組導葉開度y和機組單位轉速n11;
[0039] 5)通過機組綜合特性曲線流量表，在導葉開度為y和單位轉速為nn的情況下，利 用線性插值計算所述當前時刻t的機組單位流量Qn=fi(nn，y)，將機組單位流量Qn轉換 為機組實際流量Qt;
[0040] 6)由機組上、下游連接管道節點特征線方程，計算得到機組水頭H=成-私，其中成 為上游管道連接點處水頭，HD為下游管道連接點處水頭；
[0041] 7)比較計算得到的所述當前時刻t機組水頭H與開始設定的機組水頭差值，當 滿足精度要求iH-hjce時，進行下一步驟8);否則調整水頭增加量Ah，回到步驟3)重新 計算；
[0042] 8)通過機組綜合特性曲線力矩表，在導葉開度