一种考虑水轮机水锤效应的电网频率动态分析方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑水轮机水锤效应的电网频率动态分析方法，解决了大型互联电网全时域仿真速度慢的问题。当水轮机容量比重较高的电网中发生较大的负荷扰动时，水锤效应的存在使得电网中有功功率缺额进一步扩大，导致系统频率偏移量恶化，威胁电网的安全稳定运行，为了快速分析水锤效应对电网动态的影响，本发明专利技术基于水轮机调速器延时模型，合理地简化了水轮机‑调速器系统，推导了计及旋转备用和水锤效应的电网频率响应解析解，进一步分析了水锤效应对电网频率的影响。

A dynamic analysis method of power grid frequency considering water hammer effect of hydraulic turbine

A power frequency dynamic analysis method considering the water hammer effect of a hydraulic turbine is disclosed, which solves the problem of slow speed in the whole time domain of large interconnected power grids. When the large load disturbance of turbine capacity of a higher proportion of power grid, there is a water hammer effect makes the grid active power deficiency lead to further expand the system frequency offset deterioration, which threatens the safe and stable operation of power grid, in order to quickly analyze the water hammer effect on the dynamic electric network, the invention of hydraulic turbine governor based on delay model. Reasonably simplified turbine governor system, the analytical solution is derived and the frequency response of the spinning reserve and water hammer effect, further analyzes the impact of water hammer effect on grid frequency.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑水轮机水锤效应的电网频率动态分析方法
本专利技术属于电力系统频率分析
，具体涉及一种考虑水轮机水锤效应的电网频率动态分析方法的设计。
技术介绍
电力系统频率作为衡量电力系统安全稳定运行的重要指标之一，其动态行为特性随着电网之间的互联而变的更加复杂。我国四川，西藏，云南等地区水电资源丰富，随着大型水电站和抽水蓄能电站的不断建成投运、远距离输电系统的增加以及全国互联电网的逐步形成，与水电站和抽水蓄能电站相关的安全稳定问题日趋复杂。当水电比重较高的电力系统中出现较大功率波动时，水轮机水锤效应的存在会进一步破坏电网中有功功率的不平衡，最终导致电网频率恶化。2016年3月28日，云南异步联网第一次系统性整体试验结果表明水轮机组水锤效应引起云南电网频率的超低频振荡，振荡周期约20s(振荡频率约为0.05Hz)；土耳其电网、哥伦比亚电网也出现过类似问题。因此水锤效应对电网频率的影响需要引起高度的重视。在大型互联电网中，虽然考虑系统详细模型的全时域仿真能够用来高精度地分析水锤效应对电网电网频率的影响，但是计算量大，仿真速度慢，而水锤效应在扰动负荷发生后会立即产生，因此快速分析水锤效应对电网频率的影响显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了能够快速分析水轮机水锤效应对大型互联电网的频率动态的影响，提出了一种考虑水轮机水锤效应的电网频率动态分析方法。本专利技术的技术方案为：一种考虑水轮机水锤效应的电网频率动态分析方法，包括以下步骤：S1、对水轮机调速器进行简化，将水轮机导水叶打开/闭合的动作过程近似为斜坡，构建水轮机斜坡模型。S2、根据水轮机斜坡模型计算水轮机组单机系统频率响应解析解。S3、对汽轮机调速器进行简化，将汽轮机汽门打开/闭合的动作过程近似为斜坡，构建汽轮机斜坡模型。S4、根据汽轮机斜坡模型计算汽轮机组单机系统频率响应解析解。S5、根据水轮机组单机系统频率响应解析解和汽轮机组单机系统频率响应解析解计算包含水轮机和汽轮机的多机系统频率响应解析解。本专利技术的有益效果是：本专利技术基于水轮机调速器延时模型，合理地简化了水轮机-调速器系统，推导了计及旋转备用和水锤效应的电网频率响应解析解，进一步分析了水锤效应对电网频率的影响。附图说明图1所示为本专利技术实施例提供的一种考虑水轮机水锤效应的电网频率动态分析方法流程图。图2所示为本专利技术实施例提供的水轮机调速器模型示意图。图3所示为本专利技术实施例提供的水轮机发电机组框图。图4所示为本专利技术实施例提供的水轮机导水叶动作过程的延时模型原理图。图5所示为本专利技术实施例提供的调速器简化模型示意图。图6所示为本专利技术实施例提供的再热汽轮机-调速器模型示意图。图7所示为本专利技术实施例提供的再热汽轮机组简化模型示意图。图8所示为本专利技术实施例提供的EPRI36节点系统示意图。图9所示为本专利技术实施例提供的简化解析模型和全时域模型仿真结果对比图。图10所示为本专利技术实施例提供的不同水流时间常数下全时域仿真结果图。图11所示为本专利技术实施例提供的不同水流时间常数下简化解析模型仿真结果图。图12所示为本专利技术实施例提供的不同水轮机渗透率情况下全时域仿真结果图。图13所示为本专利技术实施例提供的不同水轮机渗透率情况下简化解析模型仿真结果图。具体实施方式现在将参考附图来详细描述本专利技术的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本专利技术的原理和精神，而并非限制本专利技术的范围。本专利技术实施例提供了一种考虑水轮机水锤效应的电网频率动态分析方法，如图1所示，包括以下步骤S1-S5：S1、对水轮机调速器进行简化，将水轮机导水叶打开/闭合的动作过程近似为斜坡，构建水轮机斜坡模型。根据公式(1)计算水轮机斜坡模型的斜率k：其中ΔPL为扰动功率，M为发电机转动惯量，RT为下降率，μ为水轮机导水叶开度。根据公式(2)计算水轮机斜坡段所需时间td：其中D为发电机的等效阻尼系数，即考虑了负荷的频率特性，Δμ为导水叶开度变化量，Rp为永久下降率，TG为水轮机调速器主伺服时间常数，t1为导水叶开度保持稳定的时间。根据公式(3)计算导水叶开度变化率σ0：σ0＝kε(t-TG)(3)其中ε(·)表示单位阶跃函数，t为时间变量。则导水叶开度变化量Δμ随时间t的变化过程表示为：Δμ＝σ0t-σ0(t-td)ε(t-td)(4)。S2、根据水轮机斜坡模型计算水轮机组单机系统频率响应解析解。对公式(4)进行Laplace变换，得到：其中e为自然对数底，s为Laplace变换后的复变量。根据公式(6)计算水轮机的输出功率变化量ΔPm：其中Tw表示水流时间常数。构建同步发电机的转子运动方程为：其中ΔPe为发电机的输出功率的变化量，若不考虑系统损耗，那么ΔPe与电网中扰动功率ΔPL相等，Δω为频率偏差。对公式(7)进行Laplace变换，得到：式中，当系统中负荷的有功功率发生阶跃函数形式的扰动且扰动幅值为ΔPe0时，ΔPe(s)＝ΔPe0/s，对公式(9)进行Laplace逆变换得到水轮机组单机系统频率响应解析解为：Δω(t)＝Δω1(t)+Δω2(t)+Δω3(t)(10)式中，公式(8)～(11)中，Δω1的物理意义为水轮机无备用时扰动后的频率自由响应，Δω2的物理意义为水轮机旋转备用的释放对频率的影响，Δω3的物理意义为水轮机备用约束对频率的影响。S3、对汽轮机调速器进行简化，将汽轮机汽门打开/闭合的动作过程近似为斜坡，构建汽轮机斜坡模型。根据公式(12)计算汽轮机斜坡模型的斜率kq：其中ΔPeL为扰动幅值，Δμq为汽轮机汽门开度变化量；根据公式(13)计算汽轮机斜坡段所需时间tqd：tqd＝M(13)。S4、根据汽轮机斜坡模型计算汽轮机组单机系统频率响应解析解。本专利技术实施例中，采用与步骤S2中计算水轮机组单机系统频率响应解析解相同的方法，计算得到汽轮机组单机系统频率响应解析解为：Δωq(t)＝Δωq1(t)+Δωq2(t)+Δωq3(t)(14)式中，其中σq为汽轮机汽门打开速率，Fhp为高压缸做功比例，Fmp为中压缸做功比例，Fmp＝1-Fhp，Trh为再热效应常数，Ts为伺服时间常数；Δωq1的物理意义为汽轮机无备用时扰动后的频率自由响应，Δωq2的物理意义为汽轮机旋转备用的释放对频率的影响，Δωq3的物理意义为汽轮机备用约束对频率的影响。将水轮机与汽轮机的频率响应解析解进行对比可以发现，两者的主要差别在于Δω2多项式的第三项与Δωq2多项式的第三项Δω2与Δωq2多项式主要反映了旋转备用释放对频率的影响，因此通过观察Δω2与Δωq2时域解可以分析发电机组出力的特点。在扰动负荷发生后，为负值，使得电网频率恶化，体现了水轮机水锤效应引起的功率缺额对电网频率的影响；而为正值，不会造成电网频率偏移量的进一步扩大。S5、根据水轮机组单机系统频率响应解析解和汽轮机组单机系统频率响应解析解计算包含水轮机和汽轮机的多机系统频率响应解析解。针对包含水轮机和汽轮机的多机系统，不考虑电网频率的时空分布特性，在全网频率统一的假设下，多机系统的总机械功率变化量ΔPhΣ为：其中h＝m+n为总机组数，m为水轮机组数，n为汽轮机组数，水轮机组i、汽轮机组j的机械功率变化量ΔPmi、ΔPnj分别为水轮机组容量基准Si、汽轮机组容量基准Sj下的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑水轮机水锤效应的电网频率动态分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对水轮机调速器进行简化，将水轮机导水叶打开/闭合的动作过程近似为斜坡，构建水轮机斜坡模型；S2、根据水轮机斜坡模型计算水轮机组单机系统频率响应解析解；S3、对汽轮机调速器进行简化，将汽轮机汽门打开/闭合的动作过程近似为斜坡，构建汽轮机斜坡模型；S4、根据汽轮机斜坡模型计算汽轮机组单机系统频率响应解析解；S5、根据水轮机组单机系统频率响应解析解和汽轮机组单机系统频率响应解析解计算包含水轮机和汽轮机的多机系统频率响应解析解。

【技术特征摘要】
1.一种考虑水轮机水锤效应的电网频率动态分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对水轮机调速器进行简化，将水轮机导水叶打开/闭合的动作过程近似为斜坡，构建水轮机斜坡模型；S2、根据水轮机斜坡模型计算水轮机组单机系统频率响应解析解；S3、对汽轮机调速器进行简化，将汽轮机汽门打开/闭合的动作过程近似为斜坡，构建汽轮机斜坡模型；S4、根据汽轮机斜坡模型计算汽轮机组单机系统频率响应解析解；S5、根据水轮机组单机系统频率响应解析解和汽轮机组单机系统频率响应解析解计算包含水轮机和汽轮机的多机系统频率响应解析解。2.根据权利要求1所述的电网频率动态分析方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：根据公式(1)计算水轮机斜坡模型的斜率k：其中ΔPL为扰动功率，M为发电机转动惯量，RT为下降率，μ为水轮机导水叶开度；根据公式(2)计算水轮机斜坡段所需时间td：其中D为发电机的等效阻尼系数，Δμ为导水叶开度变化量，Rp为永久下降率，TG为水轮机调速器主伺服时间常数，t1为导水叶开度保持稳定的时间；根据公式(3)计算导水叶开度变化率σ0：σ0＝kε(t-TG)(3)其中ε(·)表示单位阶跃函数，t为时间变量；则导水叶开度变化量Δμ随时间t的变化过程表示为：Δμ＝σ0t-σ0(t-td)ε(t-td)(4)。3.根据权利要求2所述的电网频率动态分析方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：对公式(4)进行Laplace变换，得到：其中e为自然对数底，s为Laplace变换后的复变量；根据公式(6)计算水轮机的输出功率变化量ΔPm：其中Tw表示水流时间常数；构建同步发电机的转子运动方程为：其中ΔPe为发电机的输出功率的变化量，Δω为频率偏差；对公式(7)进行Laplace变换，得到：式中，当系统中负荷的有功功率发生阶跃函数形式的扰动且扰动幅值为ΔPe0时，ΔPe(s)＝ΔPe0/s，对公式(9)进行Laplace逆变换得到水轮机组单机系统频率响应解析解为：Δω(t)＝Δω1(t)+Δω2(t)+Δω3(t)(10)式中，

【专利技术属性】
技术研发人员：王德林，饶成骄，马宁宁，朱亚飞，蔡瑞清，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51