水轮机调节系统的建模方法技术方案

本发明专利技术公开一种水轮机调节系统的建模方法，适用于水轮机调节系统的孤岛模式，所述建模方法包括：使用基于开度滞环的变时间常数方法搭建执行机构模型，以实现执行机构分段关闭特性的模拟。还包括利用分段函数搭建水轮机模型，以实现全负荷段水轮机开度与功率非线性特性的模拟。该建模方法构建的模型结构简单、清晰，能够使调速器模型、执行结构模型和水轮机模型更接近实际，不仅可以实现孤岛电力系统频率的快速、无差调节，还可以在全负荷段实现水轮机开度与功率曲线非线性的模拟，使仿真结果更接近实际曲线。

【技术实现步骤摘要】
水轮机及其调节系统的建模方法
本专利技术属于水轮机发电控制领域，尤其涉及一种水轮机及其调节系统的建模方法。
技术介绍
IEEE1547.1对孤岛系统的定义如下：一个本地电力系统或若干个本地电力系统经公共连接点联结，且和其余电力系统在电气上分离的一种电网运行状态。其基本特点是电压和频率的波动范围较大，受负荷运行的影响较为明显，多数运行在低压、低频范围。当大型水电站与直流换流站构成送端孤岛系统时，若孤岛系统发生直流闭锁、交流线路短路故障等大扰动，孤岛系统内电压、频率将出现大幅波动，此时水轮机调速系统与发电机励磁系统的响应将直接影响孤岛系统的暂态特性。目前，仿真计算过程中所采用的水电机组模型一般是根据常规的机组测试报告和典型的机电仿真模型所搭建，专利技术人发现：稳态或小扰动条件下该模型能够较为准确的反应机组的响应特性，但对严重故障(例如孤岛系统发生直流闭锁、交流线路短路故障等大扰动)情况下的机组响应情况模拟的并不准确，因此，有必要建立能反映实际设备运行状态的水轮机及其调速系统的精确仿真模型。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种水轮机及其调节系统的建模方法，模型结构简单，并且更接近设备的实际运行情况。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种水轮机及其调节系统的建模方法，适用于水轮机及其调节系统的孤岛模式，所述建模方法包括：使用基于开度滞环的变时间常数方法搭建执行机构模型，以实现执行机构分段关闭特性的模拟。具体地，所述使用基于开度滞环的变时间常数方法搭建执行机构模型，以实现执行机构分段关闭特性的模拟，包括：预设阀门开度的上限值和下限值；当阀门开度参考值小于所述下限值时，执行机构模型的关闭时间常数使用慢关时间常数；当所述阀门开度参考值大于上限值时，执行机构模型的关闭时间常数使用取快关时间常数；阀门开度参考值乘以对应的关闭时间常数，通过积分环节得到实际阀门开度值。进一步地，所述的建模方法，还包括：利用分段函数搭建水轮机模型，以实现全负荷段水轮机开度与功率非线性特性的模拟。具体地，所述利用分段函数搭建水轮机模型，以实现全负荷段水轮机开度与功率非线性特性的模拟，包括：将水轮机的全负荷曲线划分为若干阶段；为不同的负荷阶段选择不同的水轮机模型的比例系数，其中，为高负荷阶段选择的所述水轮机模型的比例系数大于为低负荷阶段选择的所述水轮机模型的比例系数；实际阀门开度值乘以对应的水轮机模型的比例系数，并乘以理想水轮机传递函数得到机械功率值并输出。优选地，水轮机的全负荷曲线划分为低负荷段、额定负荷段和高负荷段；在所述低负荷段使用第一比例系数，在所述额定负荷段使用额定比例系数，在所述高负荷段使用第二比例系数，所述第一比例系数小于所述额定比例系数，所述第二比例系数大于所述额定比例系数。本专利技术还提供一种水轮机及其调节系统的仿真装置，适用于水轮机及其调节系统的孤岛模式，所述仿真装置包括第一建模模块，所述第一建模模块使用基于开度滞环的变时间常数方法搭建执行机构模型，以实现执行机构分段关闭特性的模拟。具体地，所述第一建模模块，包括：预设子模块，用于预设阀门开度的上限值和下限值；第一选择子模块，用于当阀门开度参考值小于所述下限值时，使执行机构模型的关闭时间常数选择使用慢关时间常数；当所述阀门开度参考值大于所述上限值时，使执行机构模型的关闭时间常数选择使用取快关时间常数；第一计算子模块，用于将阀门开度参考值乘以对应的关闭时间常数，并通过积分环节得到实际阀门开度值。进一步地，所述仿真装置，还包括：第二建模模块，用于利用分段函数搭建水轮机模型，以实现全负荷段水轮机开度与功率非线性特性的模拟。具体地，所述第二建模模块，包括：划分子模块，用于将水轮机的全负荷曲线分为若干阶段；第二选择子模块，用于为不同的负荷阶段选择不同的水轮机模型的比例系数，其中，为高负荷阶段选择的所述水轮机模型的比例系数大于为低负荷阶段选择的所述水轮机模型的比例系数；第二计算子模块，用于将实际阀门开度值乘以对应的水轮机模型的比例系数，并乘以理想水轮机传递函数得到机械功率值并输出。优选地，水轮机的全负荷曲线分为低负荷段、额定负荷段和高负荷段；在所述低负荷段使用第一比例系数，在所述额定负荷段使用额定比例系数，在所述高负荷段使用第二比例系数，所述第一比例系数小于所述额定比例系数，所述第二比例系数大于所述额定比例系数。本专利技术提供一种适用于水轮机及其调节系统孤岛模式下的精确建模方法，该建模方法中使用基于开度滞环的变时间常数方法搭建执行机构模型，以实现执行机构分段关闭特性的模拟，该建模方法构建的模型结构简单、清晰，可以实现孤岛电力系统频率的快速、无差调节。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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专利技术的一些实施例，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它的附图。图1是本专利技术实施例中水轮机调节系统结构图；图2是本专利技术实施例中水轮机调速器原理图；图3是本专利技术实施例中执行机构分段控制原理图；图4是本专利技术实施例中水轮机开度滞环控制原理图；图5是本专利技术实施例提供的水轮机及其调节系统的建模方法的流程图一；图6是本专利技术实施例提供的水轮机及其调节系统的建模方法的流程图二；图7是本专利技术实施例中变系数水轮机模型原理图；图8是水轮机输出功率与导叶开度的实测数据；图9是水轮机输出功率与导叶开度的实测曲线。具体实施方式下面将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、完整地描述。本专利技术涉及的水轮机及其调节系统，采用基于联络开关状态判断水轮机控制模式切换的控制方式。具体地，该系统中实时检测联络线开关的状态，当联络线开关断开时，水轮机由并网模式下的功率控制切换为孤岛模式下的频率控制。孤岛模式有以下主要特点：第一、输入为发电机频率偏差；第二、控制环节的频率死区和永态转差系数置零，以便实现孤岛频率的无差调节。频率偏差通过调速器的PID控制和限幅环节得到水轮机开度的目标值。本专利技术提供一种孤岛模式下水轮机及其调节系统的精确建模方法。根据并网联络线开关状态判断水电机组是否进入孤岛模式，当水电机组进入孤岛模式时，首先水轮机调速器由功率控制切换到频率控制，并同时将频率死区和永态转差系数置零，实现孤岛系统频率的无差调节。针对此工作模式，仿真模拟系统中调用根据本专利技术的建模方法搭建的孤岛模式模型，能够使调速器模型、执行结构模型和水轮机模型更接近实际，不仅可以实现孤岛电力系统频率的快速、无差调节，还可以在全负荷段实现水轮机开度与功率曲线非线性的模拟，使仿真结果更接近实际曲线。下面参照附图，对本专利技术涉及的水轮机及其调节系统，以及本专利技术的建模方法和装置进行详细说明。参见图1所示，本专利技术水轮机调节系统由调速器、执行机构、水轮机和发电机组成。其中，将转速参考值与发电机实测转速值的差值作为调速器的输入，并输出阀门开度参考值到执行机构；执行结构根据阀门开度参考值输出实际阀门开度值到水轮机；水轮机根据实际阀门开度值确定输出的机械功率到发电机；最后在发电机处根据输入转矩与电磁转矩得到发电机实测转速值，并将该发电机实测转速值反馈到调速器输入，形成闭环控制。其中，下面仅对调速器、执行机构、水轮机和发电机的工作原理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水轮机及其调节系统的建模方法，适用于水轮机及其调节系统的孤岛模式，其特征在于，所述建模方法包括：使用基于开度滞环的变时间常数方法搭建执行机构模型，以实现执行机构分段关闭特性的模拟。

【技术特征摘要】
1.一种水轮机及其调节系统的建模方法，适用于水轮机及其调节系统的孤岛模式，其特征在于，所述建模方法包括：使用基于开度滞环的变时间常数方法搭建执行机构模型，以实现执行机构分段关闭特性的模拟。2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述使用基于开度滞环的变时间常数方法搭建执行机构模型，以实现执行机构分段关闭特性的模拟，包括：预设阀门开度的上限值和下限值；当阀门开度参考值小于所述下限值时，执行机构模型的关闭时间常数使用慢关时间常数；当所述阀门开度参考值大于上限值时，执行机构模型的关闭时间常数使用取快关时间常数；阀门开度参考值乘以对应的关闭时间常数，通过积分环节得到实际阀门开度值。3.根据权利要求1或2所述的建模方法，其特征在于，还包括：利用分段函数搭建水轮机模型，以实现全负荷段水轮机开度与功率非线性特性的模拟。4.根据权利要求3所述的建模方法，其特征在于，所述利用分段函数搭建水轮机模型，以实现全负荷段水轮机开度与功率非线性特性的模拟，包括：将水轮机的全负荷曲线划分为若干阶段；为不同的负荷阶段选择不同的水轮机模型的比例系数，其中，为高负荷阶段选择的所述水轮机模型的比例系数大于为低负荷阶段选择的所述水轮机模型的比例系数；实际阀门开度值乘以对应的水轮机模型的比例系数，并乘以理想水轮机传递函数得到机械功率值并输出。5.根据权利要求4所述的建模方法，其特征在于，水轮机的全负荷曲线划分为低负荷段、额定负荷段和高负荷段；在所述低负荷段使用第一比例系数，在所述额定负荷段使用额定比例系数，在所述高负荷段使用第二比例系数，所述第一比例系数小于所述额定比例系数，所述第二比例系数大于所述额定比例系数。6.一种水轮机及...

【专利技术属性】
技术研发人员：张野，周保荣，杨健，
申请(专利权)人：南方电网科学研究院有限责任公司，中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心，
类型：发明
国别省市：广东,44