教授yctp水轮机调节系统一次调频特性仿真

STFZXT—1水轮机调节仿真决策支持系统是深入学习水轮机调节理论与技术强有力STFZXT—1水轮机调节仿真决策支持系统是水电站从事水轮机调节的技术人员和水STFZXT—1水轮机调节仿真决策支持系统是高等院校与水轮机调节相关课程的理想GB/T9652.1－2007GB/T9652.2－2007《水轮机控制系一．水轮机调节系统机组一次调频特（AGC（LFCTg和接力器关闭时间f运动过程中起到位置限制的接力器完全开启位置(y=1.0)和接力器完全关闭位置(y=0)特征，我们可以将水轮机调节系统运行和试验中的动态过程划分为大波动(大扰动)和小波动(小扰动)DL/L1040-2007《电网运行准则》(中民电力行业标准)规定“5.4.4.2.1性能要电气型汽轮机调节控制系统的火电机组和燃气机组死区控制在(+/-)0.033Hz内机械、调节控制系统的火电机组和燃气机组死区控制在(+/-)0.10Hz内水电机组死区控制在+/-0.05Hz内转速不等率KC，火电机组和燃气机组为4%~5%,水电机组不大于3%最大负荷限幅额定功率的6%15s“1.额定出力10MW调速系统（功率）调差率ep=5%0.0006二．水轮机调节系统电网一次调频特性仿真结仿真策众所周知，对应1个(组)仿真目标参数的仿真，只能得到一个孤立的动态过程；对应个(组)仿真目标参数的仿真，可以得到互为比较的2个动态过程；而对应3个(组)仿真3结果。也就是说，采用这样的仿真策略，可以在其他参数相同的条件下，得到3个(组)不同从3组仿真波形中，进行比较和分析，得出这个仿真目标参数变化时，对被仿真系统动态行PW为纵坐标的平行于横坐标轴的机组功率标志线(黑色)0.97PW为纵坐标的平行于横坐标轴的机组功率标志线(红色)，分别用不同颜色绘出了从一次调频开始后15s(蓝色)、45s(红色)和数显示区的下部用红色、黑色和蓝色标示了3个(组)仿真目标参数，它们分别与红色、黑色TwTaRI的数值，并显示在仿真结果中，以便于读者加深机组惯性比率RI这个名词术语的认并逐渐形成对机组惯性比率RI数量上的概念仿真波形及其数仿真动态波形显示的同时,系统还将仿真结果在c:\figure中,其上标注有与仿真波形对应的数据自 在C:\SDATA\YCTP\的相应同名子文件夹下仿真目的*.xlsx文件，可以供使用者参考使用ABCDE(一0.0-Tpy上扰/下0.0-TpyT―时间(s)；P―机组功率(相对值)；y―接力器行程(相对值(一次调频PW，W45，W451，W60，W601，W451/W45W601/W60，P15，P45，P15/PW，P45PW―电网一次调频的机组稳定功率(相对值W45―电网一次调频45秒的机组期望电量(相对值W451―电网一次调频45秒的机组实际电量(相对值W60―电网一次调频60秒的机组期望电量(相对值W601―电网一次调频60秒的机组实际电量(相对值W451/W45―电网一次调频45秒机组的电量贡献比率W601/W60―电网一次调频60秒机组的电量贡献比率P15―电网一次调频15秒机组的实际功率P45―电网一次调频45秒机组的实际功率P15/PW―电网一次调频15秒机组的功率与期望功率比值P45/PW―电网一次调频45秒机组的功率与期望功率比值仿真参数显示选项DS”变量，用于选择仿真图形中是否显示全部仿DS=1：显示全部仿真动态波形和仿真参数，适合显示比例1.0：1.0DS=1(显示比例DS=1(显示比例DS<>1：显示全部仿真动态波形和仿真过程特征值，适当增大动态波形曲线技术资料，适合显示比例0.66：0.66或0.5：0.5，在仿真结果右上角显示了仿真项目名称的代号(仿真目标参数)，YCTP(KI)：一次调频(积分增益)。DS<>1(DS<>1(三．水轮机调节系统电网一次调频的PID水轮机调速器在一次调频工况中的PID调节结构电网频率PID调节结构图―对电网频率偏差Δf进行PID节这种电网一次调频的PID()的PID,一次调频工况`PID可！从而使得水轮机调节系统只有一统一的PID节结构，系统简洁。前向通道数为1，PID调节的反馈通道系数为功率差值系数ep，就是依靠ep反馈将电网频率偏差Δf转化为机组功率偏差Δp。PID调节的输入是电网频率偏差值Δf，PID调节的输出是导叶接力器开度Δy和机组功率调节后的实际数值Δp。对于电网一次调频的试验或仿真而言，电网频率偏差Δf1一般为0.2Hz(相对值为0.004)、0.3Hz(相对值为0.006)或0.5Hz(相对值为0.01)；PID调节的输入，是经过频率反馈方式：kpy=0pkpy=1:y测 频–f–f+KD+++y1·1·+–+S11Ty1yyc

+bp(+bp(1 (p反馈1fg频

频 死

电网频率PID调节微机调速器结构图比数

电液1Ty 1Ty K

系1频1给

·1T1v 积bbp(

1–

·电气1

接力器开度y反 (机组p反馈由上图易得Δf至Δp的增量传递函数为PKI(S)

1/

1/

1/F(S (1/KIep)S (btTd/ep)S (Tx/ep)S

；FnfnfnFn/50Ef—水轮机控制系统频率（转速）死区（绝对量，Hz（50-+（50-ef=Ef/50；这是一个一阶惯性环节的传递函数，其时间常数是(1/KP)=(btTd/ep)=(Tx/ep)。当输入f为阶跃输入时，功率增量Δp的响应为eppKI(t)(1/ep)f(1exTt(1/ep)f(1etdbp(1/e)f(1eKIeptp

式（2）表明pKIt)Δp(t)达到3.505(1KIep)(s3.505(btTdep)(s3.505(Txep)(s。

TfKI若要满足”在45秒内机组实际功率与目标功率的功率偏差的平均值应在其额定功率的±3%3.50545s(3.5051/KIep)45(s))。机组功率PID调节结构图―对根据电网频率偏差Δf计算的机组功率偏差Δp进行PID节PID而达到的调节效果几乎PID`2PID）偏差Δp，PID调节的反馈通道系数为1。PID调节的输入是机组功率偏差Δp计算值，PID调节的输出是导叶接力器开度Δy和机组功率调节后的实际数值Δp。）对于电网一次调频的试验或仿真而言，电网频率偏差Δf1一般为0.2Hz(相对值为0.004)、0.3Hz(相对值为0.006)或0.5Hz(相对值为0.01)；对机组功率的偏差进行PID节的输入，是Δf乘以（1/ep）的以后折算的机组功率Δp=Δf*(1/ep),Δp在数值上要Δf1Δp=25.0*ΔfΔp=20.0*测 电 + 频 +11

微 转KDKD1

Ty·1/bp(1/bp( S

yfy1 y (p反馈机组功率PID调节微机调速器结构由上图易得Δf至Δp的增量传递函数为PKI(S)

1/

1/

1/

F(S (1/KI)S (btTd)S TxS；FnfnfnFn/50Ef—水轮机控制系统频率（转速）死区（绝对量，Hz（50-+（50-ef=Ef/50；这是一个一阶惯性环节的传递函数，其时间常数是(1/KP)=(btTd/ep)=(Tx/ep)。当输入f为阶跃输入时，功率增量Δp的响应为1pKI(t)(1/ep)f(1exT1(1/

)f(1ebtTd

p(1/e)f(1eKItp式（2）表明pKIt)Δp(t)达到3.505(1KI)(s3.505(btTd)(s3.505(Tx)(spKIt)Δp(t)达到

3.505(1KI)(s3.505(btTd)(s3.505(Tx)(s“功率PID调节微机调速器结构”时间常数Tp若要满足”在45秒内机组实际功率与目标功率的功率偏差的平均值应在其额定功率的±3%3.50545s(3.5051/KIep)45(s))。PIDPIDTp/TfKI/(KIep)当ep0.04Tp当ep0.05Tp

ep0.04,Tp0.04Tfep0.05,Tp0.05Tf

25.0TpPID结构”的积分增益KIPID的积分增益KI,（1ep）同样，比例增益作用KP也有类似的关系：在相同的比例作用强度下频率PID调节微机调速器结构”的比例增益KP要大于“功率PID调节微机调速器结构”的比例增益KP，其倍数也为（1ep。上述理论分析的结果、仿真结果和电站试验结果表明：如果记“机组频率PID调节微机调速器结构图”系统的比例增益为KPf和积分增益为KIf数值，则选择“机组功率PID调节微机调速器结构图”系统的比例增益为KPP=ep*KPf和积分增益为KIP=ep*KIf，就是使“频速器结构图”的系统比例增益KP的（1/ep）倍频率PID调节微机调速器结构图”系统的积分增益KI为“机组功率PID调节微机调速器结构图”系统的比例增益KI的（1/ep）倍。则“机组频率PID调节微机调速器结构图”系统和“机组功率PID调节微机调速器结构图”的系统的一次调频动态性能是完全一样的(参见以下仿真结果)！频率PID调节微机调速器结构KPKP的((1/ep20.0)KIKI的((1/ep20.0)KPKP的((ep)=1/20.0)倍,KIKI的((ep)=1/20.0)倍。一次调频 标(一次调频PID调节的反馈方式)：导叶接力器开度反馈或机组功率p反水轮机调节系统一次调频的调标(导叶接力器开度y或机组功率p)，是由水轮机调节系统的反馈方式(yp决定的。一次调频的调标为机组功率p：PID调节的反馈量是机组功率p,水轮机调节pep是功率永态差系数，kpy=0。一次调频的机组功率p调标方式应是首选方因为电网频率偏差Δf直接转化为机组功率ΔpΔfΔpΔp=-Δf/ep与机组运行水头无关。一次调频的调标为接力器开度y：PID调节的反馈量是接力器开度y,水轮机yepbp，kpy=1。一次调频的导叶接力器开度y调标方式是把电网频率偏差Δf转化为导叶接力器开度ΔyΔy对应的机组功率增量pΔy对应的机组功率增量ΔpΔyΔp小。值得的是，由于一次调频的调标为机组功率p的调节方式，PID调节的闭环回路包括了水轮机及引水系统，其动态过程要比一次调频的调标为电网频率f的调节方一次调频的机组稳定功率例如，Pw=0.0688，含义为调节功率值为机组额定功率的6.688%。(常用的Pw值见表和表2)一次调频的机组对电网的理想(期望)电量(W45和W45=45*P45W60=60*P60―分别为在受到阶跃频率扰动后的45秒和60秒期间内，机组W45=45*Pw45W60=60*Pw45。一次调频的机组对电网的实际贡献电量(W451和W451和W601―分别为在受到阶跃频率扰动后的45秒和期间60秒内，水轮机调节系统调P(t)在0―46秒内和0―60秒的积分。即机组功率曲线P(t)与调节前机组功率横坐标之间的面一次调频的机组对电网的折算为“千瓦小时”的实际贡献Pr(KW160(1/60)小时)W(度，千瓦小时)为：W=(一次调频的机组的电量贡献比率机组分别在45秒和60秒期间内为电网贡献的电量相关参数均在仿真结果中计算并显示水轮机调节系统参数对一次调频特性的影决定一次调频机组功率的动态过程的主要参数是调速器积分增益KI，调速器比例增益en对一次调频机组功率的动态过程没有影响。积分增益KI愈大，一次调频的动态过程，但是过大的积分增益KI有可能引起电网次调频的技术要求，无需重新设计专门的一次调节通道。当然，调速器的PID参数的标称值与实际值应该一致，即二者的误差应该满家标准的要求。10%，则只功率调节模式下和接力器开度调节模式下的机组一次调频Tw对于功率调节模式(功率反馈)的一次调频机组功率的动态过程没有明显影响，这是由于因为水流时间常数Tw60秒实际电量减小，几乎与机组功率过程后期出现的功率过程过跳和加速而引起的机组60实际电量机组60器行程而不是机组功率，水流时间常数w(接力器开度反馈)Tw程较慢。1E0.2Hz(0.004-0.3Hz(0.006-2E0.2Hz(0.004-0.3Hz(0.006-ky,ky=0为功率模式的一次调频动态过程仿真，py=1四．水轮机调节系统下图为在水电站，进行电网一次调频试验的2种方式框图频率（50Hz）ep（调差系数）对机组进行的功率控制，他是而实现的；水轮机调速器将频率偏差Δf变换为与ep成反比的机组频率偏差调节功Pf，由于水电和火电机组调速系统都有设定的速度变动率(ep（LFC2闭环近似试验下图(a)给出了水轮发电机组并入电网运行的电网一次调频闭环试验原理框图开环试验下图(b)给出了水轮发电机组并入电网运行的电网一次调频开环试验原理框图 D DDpT频率电-发电控制引水D+Dp+DpT频率电-发电控制引水D1).微机调速器频率（转速）死区0.033Hz(相对量0.00066)微机调速器(功率)转差系数：ep=4%输入一个频率（转速）给定的阶跃扰动信号fc=f0=+0.5Hz（0~1.5″1.0MW稳定于目标功率2%区间的调节时间：57.1s。频率PID调功率反馈开度反馈功率反馈开度反馈功率反馈开度反馈功率反馈开度反馈功率反馈开度反馈功率PID调功率反馈开度反馈功率反馈开度反馈3pw数f=0.2Hz(相对值为f=0.3Hz(相对值为频率死(相对值为频率死(相对值为频率死(相对值为频率死(相对值为五．电网一次调频特电网一次调为一次调频调速器的输入量是电网频率fn，一次调频是通过水轮机调速器的电网频率f与机组功率P的静态特性f=f(P)，以及调速器的PID调节特性来实现的；完成电网二次调频的电网AGC系统，则是从电网的宏观控制上、经济运行及电网交换功率控制等因素上，向有功率/频率控制（LFCPc。调速器电网一次调频调节模式的选电网一次调频工况下的机组功率反调节现由于引水系统水锤效应(水流惯性时间常数Tw)，电网频率扰动后，机组有功功率产生了短时间的反向调节，反向调节的峰值pf与水流惯性时间常数Tw的大小和接力器的关闭速度(接力器开启时间Tg或接力器开启时间Tf也与调速器的PID参数数值有关。引水系统水流时间常数Tw愈大，机组有功功率产生的反向调节峰值pf愈大调速器比例增益KP愈大，机组有功功率产生的反向调节峰值pf愈大仿真结果表明，一次调频过程中的机组有功功率反向调节峰值pf大，对应的积分ppw的速度更快。使得在电