灯泡贯流式双调节水轮发电机组调速系统建模与仿真

彭天波

（湖北省电力试验研究院，湖北 武汉 430077）

灯泡贯流式双调节水轮发电机组调速系统建模与仿真

彭天波

（湖北省电力试验研究院，湖北 武汉 430077）

以灯泡贯流式双调节水轮发电机组为例，首先进行调速系统参数现场测试，并经分析、整理后得出了水轮机调节系统各环节的重要参数，之后分别采用最小二乘法（LS）和基因遗传算法（G A）对原动机及调节系统建模和参数辨识，得到非线性"自定义"模型，并与电网稳定计算通用模型PSA SP进行了比较分析，从而建立了水轮机调节系统在并网状态下的模型和数据，为电力系统仿真研究提供与实际系统状况相吻合的水轮机调节系统模型，满足了电力系统稳定计算的要求。

灯泡贯流式机组；参数测试；调速系统建模；仿真

某航电枢纽工程1号机组为灯泡贯流式水轮发电机组，由东芝水电设备(杭州)有限公司生产，其主要设备参数如下：

水轮机型号GZ(TB5003)-WP-691；最大功率16.980MW；额定功率15.432MW；最大水头8.4m；设计水头4.7m；最小水头1.5m；设计流量≤366.47m3/s。发电机型号SFWG15-84-7300；额定容量16.67MVA；额定功率15MW；额定电压10.5kV；额定电流916.4A；额定频率50Hz；额定转速71.4r/min；飞逸转速240r/min；功率因素 0.9(滞后)；转动惯量 3000t·m2；惯性时间常数Tw6.13(额定水头)/2.06（最大水头）s。

调速器调节参数调整范围如下：

比例增益 KP：0.5～20；积分增益 Ki：0.025～10；微分增益 Kd：0～40；永态转差率 bp调整范围：0～10%；人工转速死区调整范围：0～±0.3Hz；电气开限调整范围：0～100%“；频率给定”（数字给定）调整范围：45～55Hz；“功率给定”（数字给定） 调整范围：0～100%。

调速器液压控制系统参数如下：

型号：PZWST150-6.3-Stars；额定工作压力：6.3MPa；主配压阀直径：150mm；主配压阀最大行程：15mm；滤芯精度：10μm(0120D010BN/HC)；差压发讯器发讯压差：0.2MPa。

1 调速器建模参数测试条件、测试方法与测试结果

1.1 调速器静特性试验(测量bp、ix、NL等参数)

1.1.1 试验条件

蜗壳未充水，调速器处于自动运行方式；切除人工死区；置增益为整定值，频率给定为额定值；机组模拟并网(断路器位置信号短接)。

1.1.2 试验方法

由调速器测试仪给调速器提供额定的机频输入信号，以开度给定将导叶接力器调整到50%行程附近。然后，将调速器处于自动运行方式，升高或降低频率使接力器全关或全开，调整频率信号值，使之按一个方向逐次升高或降低，在导叶接力器每次变化稳定后，用调速器测试仪记录该次信号频率值及相应的接力器行程、浆叶行程，分别绘制频率升高或降低的静态特性曲线。每条曲线在接力器行程10%～90%的范围内，测点不少于10点。

设定 bt=5%，Td=2s，Tn=0，bp=6%，分三个水头（最大水头8.4m，额定水头4.7m，最小水头1.5m）进行试验。

1.1.3 试验结果

试验结果见表1，额定水头下的试验曲线见图1。

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图1 额定水头4.7m调速器静态特性

1.2 频率扰动试验(测量bt、Td、Tn等参数)

1.2.1 试验条件

蜗壳未充水，调速器处于自动运行方式；切除人工死区；置增益为整定值，bp=0，频率给定为额定值；机组模拟并网(断路器位置信号短接)。分别在空载、并网一次调频模式下进行。

1.2.2 试验方法

由调速器测试仪给调速器提供额定的机频输入信号，以开度给定将导叶接力器调整到5%行程附近。断开主接反馈，用调速器测试仪改变机组输入频率，记录频率改变后、PID输出、导叶接力器行程变化过程曲线。试验在调速器参数设定为bp=0，bt=20%，Td=8s，Tn=0.2s和bp=0，bt=20%，Td=8s，Tn=0s两种参数组合下进行。

1.2.3 试验结果

测试结果汇总见表2。以第4组bp=0，bt=20%，Td=8s，Tn=0.2s为代表的试验录波图见图2所示。

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图2 第4组频率扰动试验

1.3 接力器关闭规律试验(测量主接最短关闭时间Ts、最短开机时间Tg)

测量主接最短关闭时间Ts、最短开机时间Tg结果见表3。

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1.4 测量人工死区试验

1.4.1 试验条件

蜗壳未充水，调速器处于自动运行方式。

1.4.2 试验方法

用阶跃频率信号法校验调速器的转速死区，把测试仪输出的频率信号整定为50Hz，于额定频率基础上每步0.01Hz（或0.005Hz）施加正（或负）的阶跃频率偏差信号，并逐一录波；直到接力器开始产生与此信号对应的改变，此时的频率累积偏差信号即为人工死区。

1.4.3 试验结果

经过测试调速系统人工死区为0.05Hz。

1.5 频率及开度给定扰动试验（测量接力器反应时间Ty、桨叶反应时间Tz）

1.5.1 试验条件

蜗壳未充水，调速器处于自动运行方式；切除人工死区；置增益为整定值，频率给定为额定值；机组模拟并网(断路器位置信号短接)。断开主接反馈。

1.5.2 试验方法

由调速器测试仪给调速器提供额定的机频输入信号，以开度给定将导叶接力器行程调整到拐点以上，给定频率或开度扰动，用调速器测试仪记录频率或开度给定变化后导叶接力器行程、桨叶行程变化过程曲线。

1.5.3 试验结果

试验结果见表4、表5。

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1.6 并网频率扰动试验（测量动态响应时间）

1.6.1 试验条件

机组带负荷稳定运行，调速器处于自动运行方式。

1.6.2 试验方法

机组带70%额定负荷（10MW）运行，用调速器测试仪改变输入调速器的频率，模拟改变电网频率。把测试仪输出的额定频率信号接入调速器的机频信号输入端，分别于额定网频基础上施加正负阶跃偏差频率信号（从 0.1Hz、-0.1Hz；0.2Hz、-0.2Hz；到0.3Hz、-0.3Hz，每个模拟网频信号持续60s以上(以接力器稳定时间为准)，频率变化范围49.70～50.30Hz）；用调速器测试仪分别对模拟网频频率、有功功率和导叶开度、桨叶角度信号进行录波。

试验实际水头5.4m，仿真水头6.0m，开度模式，bp=4%，bt=20%，Td=2s，Tn=8s。

1.6.3 试验结果

试验数据应用于调速系统建模，其中±0.2Hz的频率扰动试验示波图见图3、图4所示

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2 水轮机调速系统建模

现场试验完成以后，通过对试验数据进行分析、整理，得出了水轮机调节系统各环节的重要参数。分别采用最小二乘法（LS）和基因遗传算法（GA）对原动机及调节系统建模和参数辨识，得到非线性“自定义”模型，并与电网稳定计算通用模型PSASP进行了比较分析。

2.1 自定义调速器模型、参数及仿真

水轮机调节系统在并网状态下的数学模型（自定义模型）如图5～图7所示。

模型中符号含义和参数见表6。

表6自定义调速器模型符号含义与参数控制器参数导叶液压系统参数 桨叶液压系统参数

得到模型后进行仿真计算。调速器导叶开度仿真结果见图8，调速器桨叶开度仿真结果曲线见图9。

2.2 自定义机组-引水道模型、参数及仿真

水轮机机组-引水道在并网状态下的数学模型（自定义模型）如图10所示。

模型中符号含义和参数见表7，仿真效果见图11、图12所示。

表7自定义机组-引水道模型符号含义与参数

2.3 自定义模型仿真输出与实测动态过程比较

采用LS及GA法所得自定义模型仿真输出与实测动态过程比较见图13、图14所示。

2.4 水轮机调节系统在并网状态下的自定义模型与PSASP模型的比较

PSASP模型见图15所示，其模型符号含义及参数见表8，本次在1号机组建立的自定义模型与PSASP模型的动态过程比较见图16、图17。

表8PSASP模型符号含义与参数

3 结论与建议

根据该电站1号机组的现场实测参数和数据，建立了1号机组水轮机调节系统在并网状态下的数学模型，并进行参数辨识。仿真表明所建模型能较好地反映系统在并网状态下对频率变化的动态响应，并与电网稳定计算通用模型PSASP进行了比较，可以看出，自定义模型更能反映原动机及调节系统实际情况，在电力系统稳定计算中采用效果显著。

TV734.4

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1672-5387（2010）04-0023-05

2010-05-19

彭天波（1966-），男，硕士，高级工程师，从事发电厂经济运行与控制工作。