一种面向快速频率响应下的水电机组动态模型建立方法技术

本发明专利技术公开了一种面向快速频率响应下的水电机组动态模型建立方法，具体包括以下步骤：S1：建立水电机组快速频率响应控制框架,该快速频率响应控制框架包括接收测频元件传送的系统频差信号的水轮机控制系统；S2：对S1中快速频率响应控制框架中的水轮机控制系统、水轮机系统、和发电机及负荷系统进行数学建模分析，查找每个模块的动态特性；S3：分析传统模型存在的优缺点在此基础上建立水轮机改进模型。S4：对建立的水轮机改进模型进行仿真分析，验证所建立模型的合理性与适用性。

A Method for Establishing Dynamic Models of Hydroelectric Generators under Fast Frequency Response

The invention discloses a method for establishing dynamic model of hydropower units under fast frequency response, which includes the following steps: S1: establishing a fast frequency response control framework for hydropower units, the fast frequency response control framework includes a hydraulic turbine control system receiving frequency difference signals transmitted by frequency measuring elements; S2: controlling the hydraulic turbine in the fast frequency response control framework of S1. System, turbine system, generator and load system are modeled and analyzed mathematically to find the dynamic characteristics of each module. S3: Based on the analysis of the advantages and disadvantages of the traditional model, the improved model of turbine is established. S4: The improved hydraulic turbine model is simulated and analyzed to verify the rationality and applicability of the model.

【技术实现步骤摘要】
一种面向快速频率响应下的水电机组动态模型建立方法
本专利技术涉及电力
，尤其涉及一种面向快速频率响应下的水电机组动态模型建立方法。
技术介绍
近年来，我国电网大力发展特高压输电，在实现能源大规模、远距离输送和大范围优化配置的同时，由直流闭锁故障等引起的大功率缺失事故致使运行频率降低，从而导致低频减载事故频发。作为频率控制的第一道防线，快速频率响应是大功率缺失下阻止频率大幅下降的关键措施。而系统中风电等新兴能源本身缺乏频率响应能力，同时挤占常规机组的发电空间，导致常规机组并网数量减少，进而造成系统频率响应能力下降，因此需合理补充和配置系统的快速频率响应资源。配置系统快速频率响应资源首先要准确分析常规机组的运行状态及其调频能力。在以往的研究中通常采用静态观点，即认为机组频率特性系数为固定值，不随外部工况变化。然而在不同运行工况下机组的真实频率响应能力较之其静态观点下描述的能力具有一定偏差，进而造成静态观点对系统频率响应能力描述的不准确。当系统频率响应能力裕度较大时，这种不准确尚可接受；但裕度临界时，这种偏差则无法忽略，即在大功率缺失下系统频率响应能力紧张之时，以静态观点描述机组的频率响应能力难以精准体现其真实能力，不利于对系统频率响应能力的准确估计，也会影响系统频率响应备用的合理配置。因此，有必要从动态的角度去描述机组频率响应能力。水电机组出力调整迅速，可在短时间内从空载达到其额定输出，是频率响应的重要资源。以静态观点分析其频率响应能力同样存在上述问题。因此要以水轮机运行特性的若干简化条件为出发点，考虑水轮机外部参数变化的影响，研究一种能够相对快速并准确地体现水轮机动态频率响应特性的改进模型。
技术实现思路
根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种面向快速频率响应下的水电机组动态模型建立方法，具体包括以下步骤：S1：建立水电机组快速频率响应控制框架,该快速频率响应控制框架包括接收测频元件传送的系统频差信号的水轮机控制系统，所述水轮机控制系统根据输入的频差信号来控制阀门导叶开度的大小，进而调整水轮机系统的出力、带动发电机及负荷系统增发功率从而减小系统频差；S2：对S1中快速频率响应控制框架中的水轮机控制系统、水轮机系统、和发电机及负荷系统进行数学建模分析，查找每个模块的动态特性；S3：分析传统模型存在的优缺点在此基础上建立水轮机改进模型。S4：对建立的水轮机改进模型进行仿真分析，验证所建立模型的合理性与适用性。进一步的，S2中所述水轮机控制系统各项参数是根据具体水轮机型号参数来设定的，在研究水电机组快速频率响应动态模型时将水轮机控制系统视为参数固定。进一步的，S2中所述发电机及负荷系统的建模过程中根据水轮机型号而进行配套使用，其输入输出关系不随工况的不同而改变，在研究水电机组快速频率响应动态模型时将发电机及负荷系统视为参数固定。进一步的，建立水轮机改进模型采用如下方式：设定水轮机简化假设的三个条件：水轮机过流部分视为均匀孔口出流，在不同工况下的流量系数相等；水轮机接力器行程按直线规律变化；不同工况下水轮机的效率相等；基于上述三个简化条件获得水轮机基本运行方程式如下：式中：Q为水轮机流量；H为水轮机水头；Cd为水轮机流量系数；CYY为水轮机流道断面积，其中CY为比例系数；η为水轮机效率；ρ为水的比重，下标r均指各参数额定工况时的数值。由于采用了上述技术方案，本专利技术提供的一种面向快速频率响应下的水电机组动态模型建立方法，其优点在于计算方便，并且能够较为准确地分析水电机组在进行快速频率响应时的动态特性。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术中水电机组频率响应相关部分结构图图2为本专利技术中水轮机调速器结构框图；图3为本专利技术中调速器比例积分环节结构框图；图4为本专利技术中调速器接力器结构框图；图5为本专利技术中水轮机传递系数结构图；图6(a)为本专利技术中水轮机系统模型结构框图；图6(b)为本专利技术中水轮机系统模型结构简化框图；图7为本专利技术中水电机组结构图；图8为本专利技术中某水电站在固定水头下的P＝f(y)曲线；图9为本专利技术中额定工况点下水轮机快速频率响应仿真图；图10为本专利技术中非额定工况点下水轮机快速频率响应仿真图。具体实施方式为使本专利技术的技术方案和优点更加清楚，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：如图1所示的一种面向快速频率响应下的水电机组动态模型建立方法，具体包括以下步骤：S1.建立水轮机快速频率响应控制框架，该快速频率响应控制框架包括接收测频元件传送的系统频差信号的水轮机控制系统，所述水轮机控制系统根据输入的频差信号来控制阀门导叶开度的大小，进而调整水轮机系统的出力、带动发电机及负荷系统增发功率从而减小系统频差水电机组涉及频率响应相关部分的基本结构框图如图1所示。当发生大功率缺失故障时，测频元件将系统频差反馈给水轮机控制系统，根据输入的频差信号来控制阀门导叶开度的大小，进而调整水轮机系统出力，带动发电机增发功率，减小系统频差。以下分别对每一部分研究其运行特性及数学模型，形成水电机组频率响应相关部分的模块化描述，进而辨识可能对水电机组快速频率响应动态特性产生影响的模块，提取建立动态模型的关键部分。S2.对S1中快速频率响应控制框架中的水轮机控制系统、水轮机系统、和发电机及负荷系统进行数学建模分析，查找每个模块的动态特性。S21：水轮机控制系统建模水轮机控制系统主要由调速器和电液随动系统组成，前者是实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或几个装置的总称，用来检测被控参量(转速，功率，水位，流量等)与给定参量的偏差，从而将其按一定的特性转换成主接力器行程(水轮机导叶开度)的偏差；后者是执行主接力器位移的执行机构，将调速器送来的主接力器行程偏差信号经过电液随动装置转化为机械信号，操控水轮机导叶开合度，从而进行各项调节。轮机控制系统的参数，其设定会直接决定水轮机是否能够以最佳的运行状态投入运行。水轮机调节系统的动态特性优劣主要取决于水轮机控制系统的调节规律与调节参数的选择和配合。从水轮机调速器发展历程来看，现在常用的水轮机调速器均使用比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivativegovernor)调节规律，即PID调节规律。PID调速器简化后的结构图如图2所示。它是将频率偏差与反馈信号累加的结果作为输入端送到PID控制器中。(1)比例增益比例增益Kp是指在永态差值系数bp与微分增益KI为零的情况下调速器主接力器相对位移y与调速器被控参量相对偏差x之比的负数，即(2)积分增益积分增益KI是指在永态差值系数bp为零的情况下，调速器主接力器速度dy/dt与调速器被控参量相对偏差x之比的负数，即(3)微分增益微分增益KD是指在永态差值系数bp和比例增益为零的情况下，调速器主接力器相对位移y与调速器被控参量相对偏差变化率dx/dt之比的负数，即调速器在电网的一次调频过程中起到了至关重要的作用，在面对突发的大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向快速频率响应下的水电机组动态模型建立方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：建立水电机组快速频率响应控制框架,该快速频率响应控制框架包括接收测频元件传送的系统频差信号的水轮机控制系统，所述水轮机控制系统根据输入的频差信号来控制阀门导叶开度的大小，进而调整水轮机系统的出力、带动发电机及负荷系统增发功率从而减小系统频差；S2：对S1中快速频率响应控制框架中的水轮机控制系统、水轮机系统、和发电机及负荷系统进行数学建模分析，查找每个模块的动态特性；S3：分析传统模型存在的优缺点在此基础上建立水轮机改进模型。S4：对建立的水轮机改进模型进行仿真分析，验证所建立模型的合理性与适用性。

【技术特征摘要】
1.一种面向快速频率响应下的水电机组动态模型建立方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：建立水电机组快速频率响应控制框架,该快速频率响应控制框架包括接收测频元件传送的系统频差信号的水轮机控制系统，所述水轮机控制系统根据输入的频差信号来控制阀门导叶开度的大小，进而调整水轮机系统的出力、带动发电机及负荷系统增发功率从而减小系统频差；S2：对S1中快速频率响应控制框架中的水轮机控制系统、水轮机系统、和发电机及负荷系统进行数学建模分析，查找每个模块的动态特性；S3：分析传统模型存在的优缺点在此基础上建立水轮机改进模型。S4：对建立的水轮机改进模型进行仿真分析，验证所建立模型的合理性与适用性。2.根据权利要求1所述的一种面向快速频率响应下的水电机组动态模型建立方法，其特征还在于：S2中所述水轮机控制系统各项参数是根据具体水轮机型号参数来设定的，在研究水电机组快速频率响应动态模型时...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘娆，田池，郭晓，姚晨悦，巴宇，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21