水轮发电机组惯性比率ri的动态仿真分析

水轮发电机组惯性比率ri的动态仿真分析

0水轮机调节系统的动态特性是一个复杂、非线性的特性该-keys-uu系统由子系统（调整对象）和管理系统（电机调速器）组成。被控制系统包括:引水和泄水系统、水轮发电机组及机组并入运行的电网(负荷)。要研究分析水轮机调节系统的动态特性,首先必须建立被控制系统、水轮机控制系统和水轮机调节系统的数学模型;其次,要充分认识到水轮机调节系统是一个复杂、非线性的闭环调节系统;第三,要全面了解水轮机调节系统在工程实际中迫切需要解决的问题。只有这样,才能有目的地对水轮机调节系统的动态特性进行密切联系实际的、较全面的、定性的研究与分析。水轮机的特性具有明显的差异性和非线性。在常用的混流式水轮机、轴流(定桨或转桨)式水轮机、贯流式水轮机和冲击式水轮机中,反映其力矩Mt、流量Q、接力器开度y、水头H和转速n之间关系的传递系数有很大的差异。同一台机组的水轮机在不同H和n的条件下,上述传递系数也有很大的差异,具有严重的非线性特性。电站的试验、运行经验和仿真结果表明,被控制系统特性对水轮机调节系统的动态特性起着十分重要的作用。不同类型的水轮发电机组的水流惯性时间常数Tw和机组惯性时间常数Ta,在数值上差别很大,它们的比值差异也很大。因此,由不同被控制系统构成的水轮机调节系统,其动态特性也有很大的区别,特别是与不同被控制系统配套的水轮机控制系统(水轮机调速器)的比例—积分—微分(PID)参数数值也有很大的差别。1鉴于水轮箱的柔性比例以及调平器系统的动态过程，它1.1tw与ta的比对GB/T9652.1—2007《水轮机控制系统技术条件》规定中的“静态及动态特性指标适用工作条件”中,关于Tw、Ta及其比值的限定条件分别为:对于PID型调速器,水轮机引水系统的Tw≤4s;对于比例—积分(PI)型调速器,Tw≤2.5s。Tw与Ta的比值不大于0.4。反击式机组的Ta≥4s,冲击式机组的Ta≥2s。鉴于Tw与Ta的比值对水轮机调节系统动态特性的重要作用,提出用“机组惯性比率”的名词术语,来描述Tw与Ta比值的概念。理论分析和仿真结果表明,Ta和Tw的数值,对水轮机调节系统的动态品质起着十分重要的作用;由不同类型的水轮机构成的水轮发电机组,也有不同的机组惯性比率特性。水轮发电机组惯性比率是Tw与Ta的比值,它反映了机组水流惯性与机组机械惯性之间的相关特性。机组惯性比率的表达式为:RI=TWTa(1)RΙ=ΤWΤa(1)式中:RI为水轮发电机组惯性比率,简称机组惯性比率;Tw为水流惯性时间常数;Ta为机组惯性时间常数。1.2动态特性分类基于对众多水轮机调节系统现场试验资料和仿真结果的整理和分析,将水轮机调节系统空载频率扰动、机组甩100%额定负荷和孤立电网运行等动态过程的形态,划分为迟缓型(SlowType,以下简称“S型”)、优良型(BetterType,以下简称“B型”)和振荡型(OscillatoryType,以下简称“O型”)等3个有代表性的典型动态过程,以便进一步研究水轮机调节系统扰动型动态过程的机理,以及寻求改善其动态过程性能的方法。S型动态特性的主要特征是动态过程缓慢,机组频率和接力器行程稳定时间长;B型动态特性的主要特征是动态过程迅速,机组频率和接力器行程稳定时间短;O型动态特性的主要特征是动态过程振荡形态明显,机组频率和接力器行程都出现超调和振荡的过程,机组频率和接力器行程稳定时间长,有可能使得系统出现不稳定状态。2u3000水轮发电机组的细度和影响下面汇总了若干混流式水轮发电机组、轴流转桨式水轮发电机组和灯泡贯流式水轮发电机组的Tw和Ta的数据,并据此计算了相应的水轮发电机组的RI。1混流式机组各范围对比从表1中的有关数据可以看出,混流式机组Ta的范围为5.7~10.8s,其平均值为8.45s;混流式机组Tw的范围为0.76~2.48s,其平均值为1.55s;RI的范围为0.08~0.36,根据Ta和Tw平均值计算的RI的平均值为0.183。2tw的范围从表2中的有关数据可以看出,轴流转桨式机组Ta的范围为5.5~9.74s,其平均值为7.5s;Tw的范围为1.2~3.5s,其平均值为2.15s;RI的范围为0.13~0.49,根据Ta和Tw平均值计算的RI的平均值为0.286。3计算结果的统计描述若干灯泡贯流式水轮发电机组的Ta、Tw和RI的数据如表3所示。从表3中的有关数据可以看出,灯泡贯流式机组Ta的范围为2.3~3.4s,其平均值为2.84s;Tw的范围为0.9~3.9s,其平均值为2.43s;RI的范围为0.33~1.35;根据Ta和Tw平均值计算的RI的平均值为0.856。表1、表2和表3数据的计算结果汇总如表4所示。上述统计资料表明:①混流式机组一般具有RI值小、Ta值大和Tw值小的特点;②轴流转桨式机组一般具有RI值较大、Ta值较小和Tw值较大的特点;③灯泡贯流式机组一般具有RI数值大、Ta数值小和Tw数值大的特点。当然,在实际工程中也有与上述统计规律不一致的特殊情况。例如,某混流式机组由于其引水管道特别长,其有关参数为:Tw=27.0s,Ta=9.592s,RI=2.81。3ri根据不同设备的ri组合性能来释放负荷3.1机组扭100%定额负荷动态过程的分类条件:RI=0.1,Ta=10.0s,Tw=1.0s采用STFZXT-1水轮机调节仿真决策支持系统软件进行仿真,3种仿真工况折算的暂态转差系数bt、缓冲时间常数Td和加速度时间常数Tn如附录A图A1所示,仿真的主要数据如表5所示。表5中fm为甩负荷后机组最大频率;Mp=(fm-50.0)/50.0,为甩负荷后机组的最大转速上升率(与机组速率和频率上升值相对应);tM为机组从甩负荷开始至达到最高转速所经历的时间;tE为机组从甩负荷时起,到机组转速相对偏差小于±1%为止的调节时间;p为引水系统水压。第1组仿真使用的调速器PID参数为:比例增益KP1=2.0,积分增益KI1=0.18/s,微分增益KD1=0;折算后的bt1=0.5,Td1=11.2s,Tn1=0.0s。从接力器开度关闭至0.07,转而开启到略大于接力器的空载开度的0.16,然后稳定在接力器的空载开度0.15;机组频率f在靠近机组额定频率时,下降速度放慢,单调而缓慢地趋近于机组额定频率。tE=44.0s,较长。根据以上分析,机组甩100%额定负荷动态过程的分类属于S型。第2组仿真使用的调速器PID参数为:KP2=3.4,KI2=0.25/s,KD2=2.5s;折算后的bt2=0.29,Td2=13.6s,Tn2=0.74s。接力器从关闭到全关位置开始,至开始开启为止的时间为7.0s,接力器开启后,y值就以单调而较快的速度稳定于接力器空载开度。f从fm单调地下降并快速地到达机组稳定额定频率。tE=20.0s,较短。第2组调速器PID参数对应的机组甩负荷特性是3种调速器比例增益仿真参数对应的甩负荷动态过程中品质最好的一种。根据以上分析,机组甩100%额定负荷动态过程的分类属于B型。第3组仿真使用的调速器PID参数为:KP3=4.5,KI3=0.3/s,KD3=5.0s;折算后的bt3=0.22,缓冲时间常数Td3=15.0s,Tn3=1.12s。接力器从关闭至全关位置开始,到开始开启为止的时间为11.5s,且开启的速度很快,在超过接力器空载开度一个很大的开度后,振荡地稳定于接力器的空载开度。f在靠近机组额定频率时,下降速度很快,出现了一个数值为47.8Hz(相对值为0.956)的低谷,然后缓慢地稳定于机组额定频率。tE=38.0s,较长。根据以上分析,机组甩100%额定负荷动态过程的分类属于O型。仿真中的机组水流修正系数KY=1.0,如果更改其数值,仿真结果会有明显的不同。前已指出,可以用不同的KY值反映机组运行水头的变化。电站实际试验和进一步仿真结果表明,最大水头时,机组甩负荷动态过程较好的调速器的KP′和KI′值较大;最小水头时,机组甩负荷动态过程较好的调速器KP″和KI″值较小。特别是在机组运行水头变化很大的情况下,KP′与KP″之比甚至可能达到2倍以上。KI′与KI″之比也可能达到2倍以上。综上所述,仿真结果和表5的数据表明:对于机组甩负荷的动态过程来说,KP和KI是调速器PID参数中最重要的参数。KP和KI取值过小(第1组PID参数),接力器未能关闭至接力器全关闭位置就转向开启,致使f从fm单调而慢速地下降到机组额定频率,机组频率调节时间较长;KP和KI取值过大(第3组PID参数),接力器从关闭到全关位置开始,至开始开启为止的时间较长,f在靠近机组额定频率时,下降速度很快,出现了一个数值较大的低于额定频率的低谷,然后缓慢地稳定于机组额定频率,机组频率调节时间较长。对于机组甩负荷动态过程为S型的系统,适当地增大KP和KI的数值,就会改善其动态特性,也可能使其成为B型的系统;对于机组甩负荷动态过程为O型的系统,适当地减小KP和KI的数值,就会改善其动态特性,也可能使其成为B型的系统。3.2机组扭负荷动态特性仿真结果条件:RI=0.4,Ta=7.5s,Tw=3.0s。采用STFZXT-1水轮机调节仿真决策支持系统软件进行仿真,仿真结果如附录A图A2所示,仿真的主要数据如表6所示。仿真2与仿真1的巨大差别是由于被控制系统的参数不同而引起的。第2组PID参数为:KP2=1.5,KI2=0.14/s,KD2=2.0s;折算后的bt2=0.67,Td2=10.8s,Tn2=1.34s。第2组PID参数对应的机组甩100%额定负荷特性是3组PID参数中最好的一组,为B型系统。第1组PID参数的KP和KI取值过小,接力器从关闭到全关位置开始,至开始开启为止的时间较短,致使f从fm单调而慢速地下降到机组额定频率,f调节时间较长,为S型系统。第3组PID参数的KP和KI取值过大,接力器从关闭到全关位置开始,至开始开启为止的时间过长,f在靠近机组额定频率时,下降速度很快,出现了一个数值较大的低于额定频率的低谷,然后缓慢地稳定于机组额定频率,f调节时间长,为O型系统。对于机组甩负荷动态过程为S型的系统,适当地增大KP和KI的数值,就会改善其动态特性,也可能使其成为B型系统;对于机组甩负荷动态过程为O型的系统,适当地减小KP和KI的数值,就会改善其动态特性,也可能使其成为B型系统。仿真1和仿真2的第2组PID参数汇总如表7所示,它们对应的机组甩负荷动态过程都是属于B型。从表6可以看出,水轮机调节系统在机组甩负荷工况下,不同被控制系统(具有不同的RI)较好的PID参数是有很大的差别的。其中,2者的KP值相差了3.4倍,KI值相差了近2.0倍。电站试验和仿真结果表明,在机组甩负荷工况下,与RI相应的较好的PID参数的总体规律是:RI值较大,对应于较好的机组甩负荷动态过程特性的KP和KI值较小;RI值较小,对应于较好的机组甩负荷动态过程特性的KP和KI值较大。4静态特性对比不同RI对应的机组空载频率扰动的动态过程仿真结果分别如附录A图A3、图A4和图A5所示,在此不再一一分析,依