PSD-BPA程序內(nèi)水輪機(jī)仿真模型的改進(jìn)

陳琳，李璽，徐廣文，孫建平，田豐

(1.華北電力大學(xué) 控制與計算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

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PSD-BPA程序內(nèi)水輪機(jī)仿真模型的改進(jìn)

陳琳1，李璽2，徐廣文2，孫建平1，田豐2

(1.華北電力大學(xué) 控制與計算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

為提高PSD-BPA暫態(tài)程序中水輪機(jī)仿真模型的仿真精度，給電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算提供更加精確的機(jī)組仿真模型，以水輪機(jī)線性化模型為基準(zhǔn)，分析水輪機(jī)仿真模型仿真結(jié)果與實(shí)際相差較大的原因，并對模型進(jìn)行改進(jìn)，在水輪機(jī)力矩對開度傳遞系數(shù)處添加機(jī)組出力P與導(dǎo)葉開度Y的關(guān)系曲線模塊(簡稱出力-開度模塊)，并在模型中添加偏差求取模塊，形成改進(jìn)的水輪機(jī)模型。對模型進(jìn)行驗證，仿真結(jié)果與實(shí)測曲線吻合度高，實(shí)時驗證模型仿真結(jié)果是否符合標(biāo)準(zhǔn)，可大大提高水輪機(jī)仿真模型的仿真精度。

PSD-BPA暫態(tài)程序；水輪機(jī)模型；出力-開度模塊；電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算

目前，電力系統(tǒng)仿真重要研究課題有勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、負(fù)荷特性辨識和調(diào)速系統(tǒng)建模，其中，調(diào)速系統(tǒng)建模發(fā)展相對滯后，種類繁多[1]。國內(nèi)常用的電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算分析軟件PSD-BPA暫態(tài)程序水輪機(jī)仿真模型采用的是理想水輪機(jī)經(jīng)典模型，假設(shè)水輪機(jī)在理想無損狀態(tài)下、在額定工況點(diǎn)附近運(yùn)行，并且忽略水輪機(jī)轉(zhuǎn)速影響等因素[2-3]，只是對水輪機(jī)特定工況進(jìn)行模擬，當(dāng)工況變化時，其仿真結(jié)果與實(shí)測曲線的吻合度并不高。文獻(xiàn)[1]針對原動機(jī)的強(qiáng)非線性，對非線性模型進(jìn)行改進(jìn)，建立了適用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算的水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原動機(jī)模型；文獻(xiàn)[2]介紹了PSD-BPA暫態(tài)程序中適用于水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器的模型及其應(yīng)用；文獻(xiàn)[3]分別對水輪機(jī)非線性模型、線性模型和經(jīng)典模型進(jìn)行了動態(tài)仿真，比較研究了不同模型的適用范圍。本文主要針對PSD-BPA中仿真精度不高的水輪機(jī)仿真模型進(jìn)行改進(jìn)，提高模型仿真精度，實(shí)時計算仿真曲線與實(shí)測曲線在反調(diào)峰值功率、反調(diào)峰時間以及調(diào)節(jié)時間上的偏差，可直接依據(jù)導(dǎo)則標(biāo)準(zhǔn)驗證模型的仿真效果。

1 水輪機(jī)經(jīng)典模型

初始工況為額定值時的小波動過程可考慮使用水輪機(jī)經(jīng)典模型。水輪機(jī)經(jīng)典仿真模型屬于線性化模型的特例，線性化模型傳遞函數(shù)為[4]

(1)

式中：G(s)為線性化模型傳遞函數(shù)；Tw為水流慣性時間常數(shù)；e=(eheqy/ey)-eqh，eh為水輪機(jī)力矩對水頭的傳遞系數(shù)，eqy為水輪機(jī)流量對開度傳遞系數(shù)，eqh為水輪機(jī)流量對水頭傳遞系數(shù)，ey為水輪機(jī)力矩對開度的傳遞系數(shù)。

經(jīng)典模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，是線性化模型系數(shù)eqy=1,eqh=0.5,eh=1.5,ey=1條件下的結(jié)果，將引水系統(tǒng)設(shè)為剛性水擊模型而得到，描述了水輪機(jī)輸出功率P隨導(dǎo)葉開度Y的變化規(guī)律。式(1)中的ey能較好地反映不同運(yùn)行工況下水輪機(jī)一次調(diào)頻的響應(yīng)特性，ey=1，忽略了各種損耗以及轉(zhuǎn)速的影響。

圖1 水輪機(jī)經(jīng)典模型結(jié)構(gòu)

對某水電廠1號機(jī)組一次調(diào)頻試驗及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模型驗證。圖2為頻率階躍擾動+0.2 Hz時，水輪機(jī)的仿真響應(yīng)與實(shí)測曲線的對比[5-6]。

1—現(xiàn)場實(shí)測曲線；2—模型仿真曲線。圖2 水輪機(jī)模型仿真結(jié)果與實(shí)測曲線對比

由圖2可以看出，水輪機(jī)模型仿真曲線與實(shí)測曲線雖然整體變化趨勢相近，但吻合度不高，最后達(dá)到穩(wěn)定時的穩(wěn)定值也相差很大。

2 改進(jìn)水輪機(jī)模型

水輪機(jī)線性化模型中的傳遞系數(shù)ey可以通過現(xiàn)場試驗進(jìn)行修正與驗證，即在ey處添加機(jī)組出力與導(dǎo)葉開度關(guān)系曲線模塊(簡稱出力-開度模塊)、在模型中添加偏差求取模塊，便可提高模型仿真響應(yīng)曲線的吻合度并實(shí)時校驗系統(tǒng)暫態(tài)運(yùn)行結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2.1 出力-開度模塊

在PSD-BPA暫態(tài)程序的水輪機(jī)模型中，用機(jī)組導(dǎo)葉開度與出力關(guān)系曲線來修正傳遞系數(shù)ey，用最小二乘法對機(jī)組出力與對應(yīng)導(dǎo)葉開度的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合[7]，擬合得到兩者之間的關(guān)系式形式為

P=AY3+BY2+CY+D.

(2)

圖3 加入出力-開度模塊的水輪機(jī)模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)某水電廠1號機(jī)組一次調(diào)頻試驗及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)擬合得到的參數(shù)：A=-0.223，B=-0.067，C=1.201，D=-0.240。利用此改進(jìn)模型作頻率階躍擾動+0.2 Hz時的仿真響應(yīng)，實(shí)測曲線與仿真響應(yīng)曲線對比如圖4所示。

1—現(xiàn)場實(shí)測曲線；2—模型仿真曲線。圖4 水輪機(jī)模型仿真結(jié)果與實(shí)測曲線對比

由圖4可以看出，加入出力-開度模塊的仿真曲線與實(shí)測曲線的變化趨勢以及最后的穩(wěn)定值都高度近似，兩條曲線的吻合度很高，說明加入出力-開度模塊后的水輪機(jī)模型能比較準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)暫態(tài)運(yùn)行過程中水輪機(jī)的實(shí)際工作狀況。

2.2 偏差求取模塊

根據(jù)文獻(xiàn)[9]的導(dǎo)則可知，仿真建模得到的機(jī)組電功率與實(shí)測電功率誤差標(biāo)準(zhǔn)滿足表1的要求[9]。

表1 水輪機(jī)模型仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)的偏差允許值

品質(zhì)參數(shù)偏差允許值(實(shí)測值與仿真值的差)反調(diào)峰值功率PRP/MW±10%的功率實(shí)測變化量反調(diào)峰值時間TRP/s±0.2調(diào)節(jié)時間ts/s±2.0

表1的參數(shù)均針對水輪機(jī)頻率階躍試驗，反調(diào)峰值功率PRP是指起始功率與反調(diào)功率最大值的差值；反調(diào)峰值時間TRP是指從階躍量加入起到反調(diào)功率達(dá)到最大值時所需要的時間間隔；調(diào)節(jié)時間ts是指從起始時間開始，到被控量達(dá)到與最終穩(wěn)態(tài)值之差的絕對值始終不超過5%階躍量穩(wěn)態(tài)值的最短時間，其中，將反調(diào)峰功率偏差為±10%的功率實(shí)測變化量代入可得試驗實(shí)測數(shù)據(jù)是±0.24 MW。

在出力-開度模塊模型中加入偏差求取模塊，最終的模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 加入偏差求取模塊的水輪機(jī)模型結(jié)構(gòu)

圖5的偏差求取模塊中，包含一個內(nèi)部輸入，輸入對應(yīng)時間下的實(shí)測數(shù)據(jù)；外部輸入即為仿真所得數(shù)據(jù)，根據(jù)表1的3個品質(zhì)參數(shù)，利用仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)，用隨機(jī)搜索法在偏差求取模塊中編寫相應(yīng)程序，找出起始功率與反調(diào)功率最大差值所對應(yīng)的點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)，繼而求得仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的反調(diào)峰值功率偏差、反調(diào)峰值時間偏差，再利用混沌搜索法搜出滿足被控量與最終穩(wěn)態(tài)值之差等于5%階躍量的穩(wěn)態(tài)值條件點(diǎn)，確定這些點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)，通過對比得出調(diào)節(jié)時間的大小，繼而求得仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)時間偏差，并將結(jié)果Perr輸出到MATLAB的工作空間模塊Workspace中，在Workspace中可以直接讀取3個偏差值的大小[10-11]。

利用此模型可以求出圖2和圖4所示仿真曲線與實(shí)測曲線的各個偏差指標(biāo)值，統(tǒng)計結(jié)果見表2。根據(jù)偏差的大小可以判斷改進(jìn)前后的模型仿真與實(shí)測結(jié)果的對比情況。

表2 改進(jìn)前后仿真曲線與實(shí)測曲線的偏差統(tǒng)計

品質(zhì)參數(shù)改進(jìn)前模型仿真與實(shí)測偏差改進(jìn)后模型仿真與實(shí)測偏差反調(diào)峰值功率PRP/MW-0.57-0.2反調(diào)峰值時間TRP/s-0.52-0.19調(diào)節(jié)時間ts/s2.651.85

將表2中改進(jìn)前后的模型仿真與實(shí)測的偏差結(jié)果與表1中的標(biāo)準(zhǔn)對比，可以看出，改進(jìn)前模型的仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)的偏差和標(biāo)準(zhǔn)有一定的差距，反調(diào)峰值功率、反調(diào)峰值時間以及調(diào)節(jié)時間均超出規(guī)定值；改進(jìn)后的模型，其仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)的反調(diào)峰值功率與反調(diào)峰值時間均在規(guī)定范圍以內(nèi)，且調(diào)節(jié)時間也滿足規(guī)定要求。由此可得，改進(jìn)后的模型確實(shí)可提高仿真曲線與實(shí)測曲線的吻合度以及水輪機(jī)模型的仿真精度。

3 結(jié)束語

由以上仿真及分析可知，電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算分析軟件PSD-BPA中的水輪機(jī)仿真模型的仿真響應(yīng)曲線與實(shí)測曲線雖然整體變化趨勢相近，但吻合度不高，最后達(dá)到穩(wěn)定時的穩(wěn)定值也相差較大。水輪機(jī)自身的非線性特征對仿真的結(jié)果有一定的影響。

在原水輪機(jī)模型中添加出力-開度模塊，用機(jī)組導(dǎo)葉開度與出力關(guān)系實(shí)測曲線的關(guān)系式來修正取值為1的水輪機(jī)力矩對導(dǎo)葉開度傳遞系數(shù)ey，可大大提高仿真曲線與實(shí)測曲線的吻合度以及水輪機(jī)模型的仿真精度。

根據(jù)偏差模塊求取的反調(diào)峰值功率偏差、反調(diào)峰值時間偏差以及調(diào)節(jié)時間偏差，可實(shí)時對模型仿真結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，判斷仿真模型是否滿足導(dǎo)則要求。

本文在PSD-BPA程序中水輪機(jī)模型的基礎(chǔ)上，利用試驗數(shù)據(jù)，通過仿真比較，對模型進(jìn)行改進(jìn)驗證，說明改進(jìn)后的模型能較好仿真出水輪機(jī)在暫態(tài)運(yùn)行過程中的響應(yīng)過程，為電力系統(tǒng)暫態(tài)運(yùn)行分析以及電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算提供更加精確的機(jī)組仿真響應(yīng)模型。

[1] 鄧?yán)?，周喜軍，張文輝.電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析計算用的水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原動機(jī)模型[J].電力系統(tǒng)自動化，2008, 31(5)：5-9.

DENG Lei, ZHOU Xijun, ZHANG Wenhui.Hydro-turbine Governor Prime Mover Models for Power System Stability Studies[J].Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station, 2008, 31(5)：5-9.

[2] 徐廣文.水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器PSD-BPA模型及應(yīng)用[J].廣東電力，2014, 27(5)：34-38.

XU Guangwen.PSD-BPA Model of Governor of Water Turbine Microcomputer and Its Application[J].Guangdong Electric Power, 2014, 27(5)：34-38.

[3] 黃莉，李咸善.基于Simulink的水輪機(jī)動態(tài)仿真模型研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007, 29(1)：25-28.

HUANG Li, LI Xianshan.Research on Dynamic Simulation Model for Hydraulic Turbines Based on Simulink[J].Journal of China Three Gorges University(Natural Sciences Edition), 2007, 29(1)：25-28.

[4] 李廣凱，李庚銀.電力系統(tǒng)仿真軟件綜述[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2005, 27(3)：61-65.

LI Guangkai, LI Gengyin, The Summary of Power System Simulation Software[J].Journal of Electrical & Electronic Engineering Education, 2005, 27(3)：61-65.

[5] 徐廣文.PSD-BPA暫態(tài)程序內(nèi)水輪機(jī)模型的缺陷及改進(jìn)[J].水電能源科學(xué)，2014, 32(8)：142-144.

XU Guangwen.Defect and Improvement of Hydro-turbine Model in PSD-BPA[J].Water Resources and Power, 2014, 32(8)：142-144.

[6] 曹程杰，莫岳平，劉潔.基于Matlab模塊化模型的水輪發(fā)電機(jī)組仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010, 38(2)：68-71.

CAO Chengjie, MO Yueping, LIU Jie.A Study of Water-turbine Generator Set Simulation based on Matlab Modularization Model[J].Power System Protection and Control, 2010, 38(2)：68-71.

[7] 薛長奎.基于MATLAB的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)辨識與參數(shù)優(yōu)化[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[8] ULLAH N R, THIRNGER T, KARLSSON D.Temporary Primary Frequency Control Support by Variable Speed Wind Turbine-potential and Applications[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2008, 23(2)：601-612.

[9] Q/CSG 1206002—2015，南方電網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)原動機(jī)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)測試與建模導(dǎo)則[S].

[10] 王林莽.原動機(jī)與調(diào)速器建模在云南電網(wǎng)穩(wěn)定分析中應(yīng)用研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2012.

[11] 盧勇，劉友寬，孫鵬，等.用于系統(tǒng)分析的機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)及其原動機(jī)建模問題研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007,31(增刊2)：123-126.

LU Yong, LIU Youkuan, SUN Peng, et al.A Study on the Modeling of Governor and Prime Mover of Power Unit for Power System Analysis[J].Power System Technology, 2007, 31(S2)：123-126.

(編輯 王夏慧)

Improvement of Hydroturbine Simulation Model in PSD-BPA Program

CHEN Lin1, LI Xi2, XU Guangwen2, SUN Jianping1, TIAN Feng2

(1.School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China; 2.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

In order to improve simulation precision of hydroturbine simulation model in PSD-BPA transient program and provide more precise simulation model for stability calculation for the power system, this paper takes linear model for hydroturbine as the standard for analyzes reasons for large differences between simulation result and actual situation.It has improved the model by adding relationship curve module called output-opening module of turbine output and guide vane opening, and adding deviation calculating module in the model.It carries out verification for the model and obtains simulation result which is highly identical to actual measured curve.It is able to greatly improve simulation precision of the model by real-timely verifying whether the simulation result is satisfied for standard.

PSD-BPA transient program; hydroturbine model; output-opening module; stability calculation for power system

2016-04-18

2016-06-21

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.11.005

TK730.2

A

1007-290X(2016)11-0023-03

陳琳(1992)，女，河北石家莊人。在讀碩士研究生，主要從事水電機(jī)組一次調(diào)頻輔助服務(wù)領(lǐng)域的研究。

李璽(1984)，男，河南新鄉(xiāng)人。工程師，工學(xué)碩士，主要研究方向為水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)檢修與故障診斷。

徐廣文(1980)，男，江蘇鹽城人。高級工程師，工學(xué)碩士，主要研究方向為水電機(jī)組原動機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)與建模。