張 堃，黃真懿，艾遠(yuǎn)高

(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443000)

《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中指出大力發(fā)展清潔能源，加快優(yōu)質(zhì)調(diào)峰電源建設(shè)，水電是清潔能源，將來(lái)承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)將越來(lái)越頻繁。國(guó)家電網(wǎng)調(diào)度中心規(guī)定所有并網(wǎng)機(jī)組必須進(jìn)行涉網(wǎng)試驗(yàn)并且具備一次調(diào)頻投運(yùn)功能。水電機(jī)組受地域、季節(jié)性，電網(wǎng)調(diào)度等因素影響要確定每臺(tái)機(jī)組變水頭下一次調(diào)頻高可靠性投運(yùn)參數(shù)[1]，試驗(yàn)工作量大、周期長(zhǎng)、真機(jī)試驗(yàn)次數(shù)多，試驗(yàn)次數(shù)越多產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)越高，通過(guò)對(duì)水電站水輪發(fā)電機(jī)的PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)、水輪機(jī)及引水系統(tǒng)、電液隨動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)-負(fù)載等組成部件模型進(jìn)行研究，搭建能夠精確反映水電機(jī)組及控制系統(tǒng)的真實(shí)動(dòng)靜態(tài)特性的高精度仿真模型；將電力科學(xué)院試驗(yàn)選優(yōu)參數(shù)應(yīng)用于仿真模型，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，確定可以用仿真模型來(lái)代替真實(shí)機(jī)組辨識(shí)功率模式下一次調(diào)頻參數(shù)選優(yōu)研究，并辨識(shí)相應(yīng)水頭的一次調(diào)頻參數(shù)。

1 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

1.1 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)[2-4]的工作原理如圖1所示：水輪機(jī)是水電站的原動(dòng)機(jī)，它將水能轉(zhuǎn)化為電能。其中水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要是由微機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)和機(jī)械液壓控制系統(tǒng)組成，微機(jī)調(diào)節(jié)器接收電信號(hào)后作用于機(jī)械液壓控制系統(tǒng)，機(jī)械液壓控制系統(tǒng)動(dòng)作后將動(dòng)作信號(hào)反饋到微機(jī)調(diào)節(jié)器，形成一個(gè)由PID結(jié)構(gòu)組成的閉環(huán)系統(tǒng)。

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的模型主要包括：調(diào)速器電氣部分、水輪機(jī)及其引水系統(tǒng)、電液隨動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及發(fā)電機(jī)及負(fù)載五個(gè)部分，其調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖如圖1。

圖1 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理

1.2 水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的模型

1.2.1 調(diào)速器電氣部分模型

該巨型水電組調(diào)速系統(tǒng)采用的是并聯(lián)式PID結(jié)構(gòu)[5]，其工作原理結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)PID并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

圖2中：bp為永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)；KP比例增益；KI為積分增益；KD為微分增益；T1v為微分衰減時(shí)間常數(shù)。在進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)分析時(shí)，此附加時(shí)間常數(shù)通?？梢暈?，控制器稱(chēng)為PID控制器，PID控制器的傳遞函數(shù)：

(1)

如果KD=0，則調(diào)節(jié)器PI可視為調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可簡(jiǎn)化為

(2)

1.2.2 引水系統(tǒng)模型

通過(guò)參考文獻(xiàn)[2,6,7]可以將水輪機(jī)引水系統(tǒng)的模型可以用流體的連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程模型來(lái)建立仿真?？紤]其水錘效應(yīng)，忽略一些次要因素，可得到引水系統(tǒng)簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)：

(3)

1.2.3 水輪機(jī)模型

通過(guò)參考文獻(xiàn)[2,6,7]水輪機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)輪葉片將水流的能量轉(zhuǎn)換成主軸的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。在建立仿真模型時(shí)，采用經(jīng)典理想水輪機(jī)-剛性水擊模型，水輪機(jī)及引水系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

(4)

1.2.4 電液隨動(dòng)系統(tǒng)模型

通過(guò)參考文獻(xiàn)[2,6,7]電液隨動(dòng)系統(tǒng)模型是電信號(hào)轉(zhuǎn)化為液壓系統(tǒng)的模型，由電液轉(zhuǎn)換器模型和隨動(dòng)系統(tǒng)模型構(gòu)成。

1)電液轉(zhuǎn)換器模型。忽略高階和非線性因素，電液轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)為

(5)

2)隨動(dòng)系統(tǒng)模型。隨動(dòng)系統(tǒng)模型是液壓系統(tǒng)跟隨電信號(hào)的動(dòng)作模型，傳遞函數(shù)可簡(jiǎn)化為

(6)

1.2.5 發(fā)電機(jī)-負(fù)載模型

通過(guò)參考文獻(xiàn)[6]發(fā)電機(jī)-負(fù)載特性可以用機(jī)械旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程來(lái)表示，運(yùn)動(dòng)方程如下：

(7)

式中：J為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg*m2；ω為主軸旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；Mg為發(fā)電機(jī)電磁力矩，N*m；Mt為水輪機(jī)的機(jī)械力矩，N*m。

其傳遞函數(shù)框圖，如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)-負(fù)載特性傳遞函數(shù)方框圖

2 一次調(diào)頻仿真參數(shù)與性能要求

《DL/T 1245-2013水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》[5]和電網(wǎng)[8]對(duì)于水電機(jī)組一次調(diào)頻管理規(guī)定中的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如下：

1)一次調(diào)頻的人工死區(qū)控制在±0.05 Hz內(nèi)；

2)永態(tài)轉(zhuǎn)差率bp≤4%(調(diào)差率ep≤3%)；

3)一次調(diào)頻的功率調(diào)整幅度原則上不應(yīng)加以限制，但應(yīng)考慮對(duì)機(jī)組的最大和最小負(fù)荷限制和避開(kāi)振動(dòng)區(qū)與空化區(qū)運(yùn)行；

4)水電機(jī)組的調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)ix≤0.04%；

5)當(dāng)電網(wǎng)頻率擾動(dòng)超過(guò)一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)，一次調(diào)頻功能動(dòng)作，從水輪機(jī)負(fù)荷開(kāi)始調(diào)整計(jì)算，到達(dá)理論調(diào)整計(jì)算負(fù)荷0.9ΔPmax時(shí)所用的時(shí)間應(yīng)小于15 s；

6)水電機(jī)組在電網(wǎng)頻率變化超過(guò)機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)開(kāi)始的45 s內(nèi)，機(jī)組實(shí)際出力與響應(yīng)目標(biāo)偏差的平均值應(yīng)達(dá)到理論計(jì)算的調(diào)整幅度的±5%內(nèi)。

3 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型建立及精度校驗(yàn)

3.1 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型建立

此次研究功率模式下一次調(diào)頻參數(shù)智能選優(yōu)研究參數(shù)所用的仿真平臺(tái)是基于LabWindows CVI 2013軟件開(kāi)發(fā)的一類(lèi)在線監(jiān)測(cè)軟件，根據(jù)該水電機(jī)組功率模式及水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，建立仿真模型參數(shù)設(shè)置(見(jiàn)圖4)和仿真結(jié)構(gòu)模型(見(jiàn)圖5)如下。

圖4 仿真模型主界面圖

圖5 仿真結(jié)構(gòu)模型圖

3.2 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型精度校驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)水頭為94 m

電力科學(xué)研究院對(duì)該水電機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)，調(diào)速器控制方式在功率模下自動(dòng)運(yùn)行，一次調(diào)頻功能投入，頻率死區(qū)E=±0.05 Hz，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)(bp)Bp=4%，優(yōu)選PID參數(shù)為KP=12，KI=2.8，KD=0，調(diào)頻50～49.85～50 Hz，試驗(yàn)曲線如圖6所示。

圖6 功率模式一次調(diào)頻下階躍擾動(dòng)0.15 Hz錄波曲線

從錄波曲線圖6分析，功率模式一次調(diào)頻上升至90%目標(biāo)功率時(shí)間為7 s，穩(wěn)定至100%時(shí)間為26 s，發(fā)電機(jī)擾動(dòng)功率前為638 MW，擾動(dòng)后功率為672 MW，滿足一次調(diào)頻指標(biāo)要求，動(dòng)態(tài)過(guò)程存在一定程度的超調(diào)量，超調(diào)量小于10%，調(diào)節(jié)過(guò)程速動(dòng)性好，動(dòng)態(tài)過(guò)程良好。

在仿真系統(tǒng)中應(yīng)用相同試驗(yàn)條件，試驗(yàn)選擇參數(shù)為KP=12，KI=2.8，KD=0，調(diào)頻50～49.85～50 Hz，試驗(yàn)曲線如圖7所示。

圖7 功率模式一次調(diào)頻下階躍擾動(dòng)0.15 Hz仿真曲線

從仿真曲線圖7中分析得出該水電機(jī)組在94 m水頭下應(yīng)用此參數(shù)進(jìn)行功率模式一次調(diào)頻上升至90%目標(biāo)功率的時(shí)間為7 s，穩(wěn)定至100%目標(biāo)功率時(shí)間為27 s，發(fā)電機(jī)擾動(dòng)功率前為638 MW，擾動(dòng)后功率為672 MW，動(dòng)態(tài)過(guò)程存在一定程度的超調(diào)量，滿足一次調(diào)頻性能指標(biāo)要求，與真實(shí)機(jī)組試驗(yàn)指標(biāo)高度一致。

3.2.2 試驗(yàn)水頭為106 m

根據(jù)電力科學(xué)研究院對(duì)機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)，調(diào)速器在功率模下自動(dòng)運(yùn)行，一次調(diào)頻功能投入，頻率死區(qū)E=±0.05 Hz，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)Bp=4%，優(yōu)選PID參數(shù)為KP=12，KI=2.5，KD=0，調(diào)頻50～50.15～50 Hz，試驗(yàn)曲線如圖8所示。

圖8 功率模式一次調(diào)頻上階躍擾動(dòng)0.15 Hz錄波曲線

從錄波曲線圖8分析，功率模式一次調(diào)頻上升至90%目標(biāo)功率時(shí)間為8 s，穩(wěn)定至100%時(shí)間為15.9 s，發(fā)電機(jī)擾動(dòng)功率前為658 MW，擾動(dòng)后功率為586 MW，滿足一次調(diào)頻指標(biāo)要求，動(dòng)態(tài)過(guò)程存在一定程度的超調(diào)量，超調(diào)量小于10%，調(diào)節(jié)過(guò)程速動(dòng)性好，動(dòng)態(tài)過(guò)程良好。

在仿真環(huán)境中模擬試驗(yàn)條件，試驗(yàn)選擇參數(shù)為KP=12，KI=2.5，KD=0，調(diào)頻50～49.85～50 Hz，試驗(yàn)曲線如圖9所示。

圖9 功率模式一次調(diào)頻上階躍擾動(dòng)0.15 Hz仿真曲線

從仿真圖9中分析得出該水電機(jī)組在106 m水頭下應(yīng)用此參數(shù)進(jìn)行功率模式一次調(diào)頻上升至90%目標(biāo)功率的時(shí)間為8 s，穩(wěn)定至100%目標(biāo)功率時(shí)間為15.9 s，發(fā)電機(jī)擾動(dòng)功率前為658 MW，擾動(dòng)后功率為587 MW，動(dòng)態(tài)過(guò)程存在一定程度的超調(diào)量，滿足一次調(diào)頻性能指標(biāo)要求，與真實(shí)機(jī)組試驗(yàn)指標(biāo)高度一致。

3.2.3 小 結(jié)

該水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)功率模式一次調(diào)頻中有功功率反饋與有功功率給定輸入信號(hào)需通過(guò)功率-開(kāi)度協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線后將功率信號(hào)轉(zhuǎn)化為開(kāi)度信號(hào)，再乘以bp后進(jìn)入PID環(huán)節(jié)，此功率-開(kāi)度曲線隨水頭變化而變化，因此，功率模式下調(diào)差率ep是經(jīng)過(guò)功率-開(kāi)度協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線和bp折算而成，且隨水頭變化而變化。仿真模型建立完成后，將電力科學(xué)院在機(jī)組上進(jìn)行一次調(diào)頻選出的最優(yōu)參數(shù)在仿真模型上進(jìn)行功率模式一次調(diào)頻試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)仿真曲線數(shù)據(jù)分析，仿真數(shù)據(jù)和真實(shí)機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)高度一致，可用仿真模型來(lái)代替真實(shí)機(jī)組進(jìn)行功率模式下的一次調(diào)頻參數(shù)選優(yōu)。

4 水電機(jī)組一次調(diào)頻參數(shù)仿真選優(yōu)

仿真水頭為85 m，調(diào)速器控制方式在功率模下自動(dòng)運(yùn)行，一次調(diào)頻功能投入，頻率死區(qū)E=±0.05 Hz，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)Bp=4%，選擇PID參數(shù)為KP=12，KI=2.5，KD=0，調(diào)頻50～50.15～50 Hz，仿真試驗(yàn)曲線如圖10所示。

圖10 功率模式一次調(diào)頻上階躍擾動(dòng)0.15 Hz仿真曲線

從仿真曲線圖10中分析可得出該水電機(jī)組在85 m水頭下應(yīng)用此參數(shù)進(jìn)行功率模式一次調(diào)頻上升至90%目標(biāo)功率的時(shí)間為6 s，穩(wěn)定至100%目標(biāo)功率的時(shí)間為22 s，發(fā)電機(jī)擾動(dòng)功率前為650 MW，擾動(dòng)后功率為603.5 MW，動(dòng)態(tài)過(guò)程存在一定程度的超調(diào)量，基本滿足一次調(diào)頻性能指標(biāo)要求。

相同水頭及工況下，選擇PID參數(shù)為KP=12，KI=2.8，KD=0，調(diào)頻50～50.15～50 Hz，其仿真試驗(yàn)曲線如圖11所示。

圖11 功率模式一次調(diào)頻上階躍擾動(dòng)0.15 Hz仿真錄波曲線

從仿真曲線圖11中分析可得出該水電機(jī)組在85 m水頭下應(yīng)用此參數(shù)進(jìn)行功率模式一次調(diào)頻上升至90%目標(biāo)功率的時(shí)間為6 s，穩(wěn)定至100%目標(biāo)功率的時(shí)間為9 s，發(fā)電機(jī)擾動(dòng)功率前為650 MW，擾動(dòng)后功率為603.5 MW，無(wú)動(dòng)態(tài)過(guò)程超調(diào)量，滿足一次調(diào)頻性能指標(biāo)要求。

從兩套PID參數(shù)下仿真結(jié)果看，兩套PID參數(shù)均滿足一次調(diào)頻性能指標(biāo)要求，但從調(diào)節(jié)時(shí)間及超調(diào)量比較，85 m水頭下，PID參數(shù)為KP=12，KI=2.8，KD=0時(shí)效果更優(yōu)。

5 結(jié) 語(yǔ)

此次研究主要對(duì)水輪機(jī)功率模式一次調(diào)頻仿真研究模型的建立，并對(duì)建立后的仿真模型進(jìn)行了精度校驗(yàn)，確認(rèn)可以用仿真模型來(lái)代替真實(shí)機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻參數(shù)辨識(shí)，并通過(guò)仿真模型選出了該水電站85 m水頭的最優(yōu)參數(shù)，該仿真模型可為將來(lái)水輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)程序功能的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。