蔡衛(wèi)江，陳逸鳴，初云鵬

[南瑞集團（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106]

0 引言

隨著國內(nèi)新建水電市場的飽和，我國水電設(shè)備已向國外大力拓展。國外水電項目特別重視調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析試驗，在相應(yīng)的招標文件及參考標準中均有明確規(guī)定，并要求進行相應(yīng)的仿真建模及穩(wěn)定性分析研究。而國內(nèi)的項目一般沒有此項規(guī)定，對此開展的試驗研究也不多。

卡里巴南岸水電站位于津巴布韋和贊比亞交界的贊比西河上，原來裝機6臺，總?cè)萘?50MW，2015年起，擴建2臺單機150MW的機組，由中國電建集團總包，其水輪機調(diào)速系統(tǒng)采用南瑞集團公司的產(chǎn)品。按照外方的技術(shù)要求，在機組調(diào)試前，需要進行調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究及仿真試驗，即采用近似法建立卡里巴擴機電站的引水管、水輪機、發(fā)電機、負載、調(diào)速器的模型，通過階躍擾動等方法進行機組穩(wěn)定性研究，最終獲得調(diào)速器的合適控制規(guī)律。特別是調(diào)速器孤網(wǎng)試驗，由于現(xiàn)場無法測試，只能采用仿真方法來研究，可見，仿真試驗是調(diào)速器投產(chǎn)前必不可少的一個重要環(huán)節(jié)[1]。為了實現(xiàn)上述目標，南瑞集團公司專門設(shè)計了調(diào)速器仿真方案，搭建了試驗測試平臺，進行了現(xiàn)場模擬試驗，最終取得了較理想的控制效果。

1 仿真方案

仿真的基本思想是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來類比模擬現(xiàn)實過程，以尋求過程和規(guī)律。一般可分三類：實物仿真主要是通過構(gòu)造縮小的物理模型來進行仿真研究，其優(yōu)點是直觀、形象，缺點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)改變困難，不太靈活。數(shù)學(xué)仿真是用數(shù)學(xué)的語言、方法近似刻畫實際問題（如MATLAB軟件），既建立數(shù)學(xué)模型來進行研究，這種方法比較靈活，但有些現(xiàn)實問題可能無法用數(shù)學(xué)模型來描述，也可能模型太復(fù)雜而無法求解?；旌戏抡嬗址Q數(shù)學(xué)—物理仿真，就是把物理模型、數(shù)學(xué)模型及實物聯(lián)合在一起進行實驗的方法，這樣往往可以取得較好的結(jié)果[1]。因此這里采用了混合仿真方案。

參見圖1，實物部分主要包括水輪機調(diào)速器電氣柜、液壓執(zhí)行機構(gòu)，物理模型包括油壓裝置、模擬接力器等，數(shù)學(xué)模型包括水輪機、發(fā)電機、單機無窮大電力系統(tǒng)、孤立電網(wǎng)部分。為了追求仿真的真實性，本次模擬試驗在卡里巴現(xiàn)場進行，即調(diào)速器電氣柜、機械液壓裝置、油壓裝置、導(dǎo)葉接力器全部采用現(xiàn)場設(shè)備，僅水輪機及引水系統(tǒng)、發(fā)電機、電網(wǎng)負荷采用專用仿真設(shè)備來進行模擬。

從圖1可以看出，通過開關(guān)量（開機、停機、增減等）指令，頻率、開度等階躍擾動，再通過仿真模型輸出的功率、頻率等信號反饋，可實現(xiàn)機組的開機、并網(wǎng)、甩負荷、一次調(diào)頻等試驗?zāi)M。

圖1 卡里巴調(diào)速系統(tǒng)仿真試驗示意圖Fig.1 Governor simulation test for Kariba South Extension Station

2 仿真模型的建立

2.1 水輪機及引水系統(tǒng)模型

對于混流式水輪機模型，一般采用equ、eqh、eqx、eu、eh、ex六個傳遞函數(shù)來表征，分別表示開度、水頭、轉(zhuǎn)速偏差相對流量及力矩的傳遞函數(shù)，各參數(shù)含義見參考文獻[2][3]?？紤]在額定工作點附近，轉(zhuǎn)速變化很小，可不考慮轉(zhuǎn)速變化對水輪機力矩和流量的影響，即eqx、ex等于零，其中引水系統(tǒng)的模型主要考慮水流慣性時間常數(shù)Tw的影響。可得到水輪機導(dǎo)葉開度變化對力矩影響的傳遞函數(shù)框圖如圖2所示。

圖2 水輪機及引水系統(tǒng)模型Fig.2 Model of turbine and water diversion system

2.2 發(fā)電機模型

見參考文獻[2][3]，采用較為方便的兩階發(fā)電機模型，如圖3所示。

圖3 發(fā)電機模型Fig.3 Model of generator

其中：Ta為發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量時間常數(shù)；eg為發(fā)電機阻力矩對轉(zhuǎn)速變化的傳遞系數(shù)，也稱負荷自調(diào)節(jié)系數(shù)。

2.3 電網(wǎng)及負荷模型

見參考文獻[2][4]，主要考慮兩種情況，一是大電網(wǎng)模型，機組并網(wǎng)運行時，開度變化對電網(wǎng)頻率變化影響很小，主要產(chǎn)生功率輸出。此時即轉(zhuǎn)速輸出為額定，頻率等于50Hz，Pe=Pm-P0，其中Pe為發(fā)電機功率，Pm為水輪發(fā)電機出力，P0為維持水輪發(fā)電機空載所需要的功率。

其次是單機帶孤立負荷情況，需要考慮負荷特性，一類為沒有旋轉(zhuǎn)慣量的，可以采用負荷自調(diào)節(jié)系數(shù)eg來表示，一類為具有機械慣性的，可以采用機械慣性時間常數(shù)Tb來表示，其傳遞函數(shù)可以用下式表示：

在額定轉(zhuǎn)速附近，ω變化很小，可近似認為：Mt=Pm，Mt=Pe，M0=P0。

負荷自調(diào)節(jié)系數(shù)eg一般在0.5～1.5范圍。Tb和電網(wǎng)容量有關(guān)，一般電網(wǎng)容量越大，Tb越大，通過調(diào)整eg和Tb，可以模擬不同的電網(wǎng)特性。

3 現(xiàn)場參數(shù)計算

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)計算和收集，可得水輪機仿真參數(shù)（見表1），電網(wǎng)及負荷模型參數(shù)（見表2），其中equ、eqh、eu、eh可以通過水輪機的模型綜合特性曲線來求得[2]，Tw、Ta、設(shè)計水頭等參數(shù)可以在電站設(shè)計資料里獲得；調(diào)速器的相關(guān)參數(shù)，如導(dǎo)葉開啟時間、關(guān)閉時間、分段關(guān)閉點，第二段關(guān)閉速度均按照機組調(diào)節(jié)保證要求整定。即仿真試驗在調(diào)速器安裝完成，且調(diào)速器已經(jīng)完成靜態(tài)調(diào)試后進行。這樣可以保證調(diào)速器及接力器的相關(guān)特性與實際設(shè)備一致，可保證仿真試驗的真實性。

表1 水輪機參數(shù)Tab.1 Parameter of turbine

表2 發(fā)電機及電網(wǎng)參數(shù)Tab.2 Parameter of generator and power grid

4 仿真器設(shè)備選擇及參數(shù)設(shè)置

目前，水輪發(fā)電機組仿真模型主要采用兩種方式構(gòu)建，一是采用工業(yè)PC機及I/O板卡為硬件構(gòu)造出水輪發(fā)電機組實時仿真模型[5]，一般采用MATLAB軟件編寫模型，WINDOWS環(huán)境下運行。這種方式優(yōu)點是模型升級方便，仿真靈活，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較低。還有一種方式是采用嵌入式DSP（數(shù)字信號處理器）和集成陣列器件（FPGV）構(gòu)建仿真模型，使用C語言來編寫模型程序，采用硬件電路來形成輸入輸出信號，這種方式簡潔方便，實時性好，可靠性高[6]。本方案選擇第二種仿真方式，設(shè)備采用華中科技大學(xué)開發(fā)的GOHT07型調(diào)速系統(tǒng)仿真測試儀，儀器具備仿真水輪機、發(fā)電機及電網(wǎng)模塊，可按照國標要求對水輪機調(diào)速器的性能進行測試評定。采用仿真儀的仿真測試功能模塊，可模擬真實機組對調(diào)速器進行國標要求的各種測試試驗，并自動生成試驗結(jié)果，以檢驗調(diào)速器的各種性能指標，實現(xiàn)對調(diào)速器的相關(guān)性能鑒定。

測試儀硬件接線界面見圖4，測試儀參數(shù)設(shè)置界面如圖5，可按照計算和獲得的水輪機、發(fā)電機、電網(wǎng)、調(diào)速器參數(shù)進行輸入。

圖4 測試儀硬件接線界面Fig.4 Connection interface of tester hardware

圖5 測試儀模型參數(shù)設(shè)置界面Fig.5 Configure interface of tester model parameter

5 仿真試驗?zāi)M及測試

通過開關(guān)量（開機、停機、一次調(diào)頻、增減等指令）控制調(diào)速器電柜，調(diào)速器電柜輸出電信號，通過比例伺服閥控制導(dǎo)葉接力器，接力器位移信號分別反饋到調(diào)速器電柜和水輪發(fā)電機組仿真裝置，仿真裝置模擬輸出機組轉(zhuǎn)速和有功功率到調(diào)速器電柜，當斷路器位置分開時，仿真裝置將導(dǎo)葉開度信號轉(zhuǎn)換成機組頻率輸出到電調(diào)，電調(diào)進行空載調(diào)節(jié)。當斷路器合上時，仿真裝置模擬發(fā)電，仿真輸出機組有功功率到調(diào)速器電柜，電調(diào)將進行發(fā)電調(diào)節(jié)，當一次調(diào)頻投入時，調(diào)速器進行一次調(diào)頻試驗，當有功閉環(huán)指令投入時，調(diào)速器可進行功率閉環(huán)試驗。調(diào)試電腦可以對仿真裝置參數(shù)進行設(shè)置，可以進行錄波和試驗記錄。可實現(xiàn)機組的開機、并網(wǎng)、甩負荷、一次調(diào)頻、孤網(wǎng)調(diào)節(jié)等試驗測試。

5.1 自動開機模擬及測試

仿真儀設(shè)置在機組仿真模式，自動開機模擬試驗結(jié)果見圖6，根據(jù)最新電力行業(yè)標準要求，自機組啟動至空載頻率達到99.5%～101%額定頻率，所經(jīng)歷的時間tsr不得大于從機組啟動開始至機組轉(zhuǎn)速達到80%額定頻率fr的升速時間t0.8的5倍。本次試驗在額定水頭下測試，t0.8為62s，tsr為92s，兩種比值為1.5，遠優(yōu)于標準5倍的要求。

三分鐘轉(zhuǎn)速擺動試驗見圖7，標準要求擺動值不超過49.75～50.075Hz，模擬試驗顯示頻率波動范圍在49.98～50.02Hz，也優(yōu)于標準要求。

5.2 空載擾動模擬及測試

圖6 自動開機模擬試驗Fig.6 Test of unit startup

圖7 三分鐘頻率擺動測試模擬Fig.7 Test of unit frequency regulation in 3 mins

圖8 +4Hz頻率階躍擾動試驗Fig.8 Test of 4Hz up-step disturbance

圖9 -4Hz頻率階躍擾動試驗Fig.9 Test of 4Hz down-step disturbance

圖10 一次調(diào)頻-0.2Hz擾動試驗Fig.10 Test of -0.2Hz primary frequency disturbance

圖11 一次調(diào)頻+0.2Hz擾動試驗Fig.11 Test of +0.2Hz primary frequency disturbance

仿真儀設(shè)置為空載模式，啟動機組到空載，空載擾動模擬試驗結(jié)果見圖8和圖9，根據(jù)標準要求，施加最大4%以上頻率階躍，本次試驗最大頻率階躍為±4Hz（8%階躍），響應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)與標準對比如下：

（1）衰減度ψ：試驗測得為1.5%，（標準規(guī)定不大于25%）；

（2）超調(diào)量Δfmax：分別為0.57Hz和0.39Hz；[規(guī)定不超過擾動量的35%（1.4Hz）]；

（3）調(diào)節(jié)時間TP:分別為24s和18s，（規(guī)定不超過 25s）；

（4）頻差超過±0.35Hz的超調(diào)次數(shù)Z：試驗測得均是1次（規(guī)定不超過2次）。

可見，各項指標均滿足最新標準要求。

5.3 一次調(diào)頻試驗?zāi)M及測試

模擬機組并網(wǎng)，仿真儀進入發(fā)電并大網(wǎng)模式。一次調(diào)頻模擬試驗見圖10和圖11，其中頻率死區(qū)設(shè)置為0.05Hz，調(diào)差系數(shù)bp為4%，擾動量分別為±0.2Hz，水頭設(shè)置為額定水頭89m，圖中還增加了機組有功功率模擬。根據(jù)電力行業(yè)標準要求，一次調(diào)頻動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)與標準對比如下（根據(jù)電站運行方式，以導(dǎo)葉開度模式進行考核）：

（1）頻率超過死區(qū)開始，至接力器開始變化的響應(yīng)滯后時間thx：本次試驗分別為0.56s、0.60s（標準規(guī)定不超過2s）；

（2）頻率超過死區(qū)開始，至接力器調(diào)整到90%目標值的上升時間t0.9：分別為11.2s、11.8s（標準規(guī)定不超過12s）；

（3）頻率超過死區(qū)開始，至接力器調(diào)整到穩(wěn)定目標值的時間ts：分別為23.1s、23.5s（標準規(guī)定不超過24s）。

可見，各項指標均滿足電力行業(yè)標準要求。

5.4 甩負荷試驗?zāi)M及測試

甩負荷試驗是測試調(diào)速器經(jīng)歷大波動擾動能否穩(wěn)定的一項重要試驗，在機組并大網(wǎng)模式下，斷開機組斷路器信號，模擬甩負荷過程。如圖12是模擬機組額定水頭下甩100%負荷的頻率和導(dǎo)葉的錄波曲線，與最新標準要求，調(diào)速器各項指標如下：

圖12 甩100%負荷試驗Fig.12 Test of 100% load rejection

（1）轉(zhuǎn)速最大上升值：額定轉(zhuǎn)速的133%，規(guī)定值為不超過154%額定轉(zhuǎn)速；

（2）偏離穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速3%（1.5Hz）以上的波動次數(shù)Z：實測僅為1次，（規(guī)定不超過2次）；

（3）標準規(guī)定：以甩負荷開始到機組轉(zhuǎn)速升至最大值所經(jīng)歷的升速時間為基數(shù)TM，調(diào)節(jié)時間TE不超過8TM，本次試驗測得TM為11.4s，TE為42.4s，TE等于3.72TM；

（4）標準規(guī)定甩25%負荷導(dǎo)葉不動時間不超過0.2s，模擬試驗測得為0.13s。

可見各項指標均滿足電力標準要求。

5.5 孤網(wǎng)調(diào)節(jié)試驗?zāi)M及測試

卡里巴南岸電站總裝機容量900MW，在津巴布韋電網(wǎng)中所占的比重較大，超過50%，擴機單機容量150MW，其容量在電網(wǎng)中也有一定影響。另外當電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，如遠方線路跳閘，機組還要帶廠用電及周邊區(qū)域負荷，還存在機組孤網(wǎng)運行或小網(wǎng)運行情況，這種情況現(xiàn)場還很難試驗，必須通過模擬試驗來進行穩(wěn)定性研究，因此本次仿真還進行了小網(wǎng)模擬及擾動試驗，擾動量為±8%導(dǎo)葉開度，相應(yīng)的頻率和導(dǎo)葉錄波如圖13和圖14所示。從圖中可以看出，其相應(yīng)的調(diào)節(jié)指標如下：

圖13 孤網(wǎng)工況上階躍擾動試驗Fig.13 Test of up disturbance for isolated network

圖14 孤網(wǎng)工況下階躍擾動試Fig.14 Test of down disturbance for isolated network

（1）頻率衰減度ψ：分別為4.94%、5.03%（標準規(guī)定不大于25%）；

（2）調(diào)節(jié)時間TP:分別為34s和35s，（無明確規(guī)定）；

（3）超調(diào)次數(shù)Z：兩次試驗均是1次（規(guī)定不超過2次）。

可見，各項指標均滿足最新標準要求。

6 結(jié)束語

水輪機調(diào)速器是水電站重要的控制設(shè)備，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到機組的調(diào)節(jié)品質(zhì)和安全穩(wěn)定。由于其處于一個水、機、電聯(lián)合作用的復(fù)雜系統(tǒng)中，為了檢驗其運行性能，必須將其置身于所調(diào)節(jié)、控制的整個系統(tǒng)中去考慮[7]。本文采用物理及數(shù)字的混合仿真方法，利用卡里巴現(xiàn)場調(diào)速系統(tǒng)及導(dǎo)葉接力器等真實設(shè)備，通過仿真設(shè)備對控制對象進行建模，將模型與現(xiàn)場設(shè)備有機結(jié)合在一起，開展了機組開機、擾動、一次調(diào)頻、孤網(wǎng)調(diào)節(jié)等現(xiàn)場模擬試驗，測試驗證了卡里巴調(diào)速系統(tǒng)的性能和功能，為調(diào)速器的試驗順利及運行穩(wěn)定奠定了良好基礎(chǔ)，為今后國外調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及仿真研究提供了重要參考。