一种尾水管压力脉动诱发机组有功振荡的Simulink模拟方法技术

本发明专利技术属于水电机组有功振荡模拟技术领域，涉及一种尾水管压力脉动诱发机组有功振荡的Simulink模拟方法。采用微机调速器对水轮机调速器部分进行建模；对水轮机水头建立非线性水轮机模型，建模时考虑尾水管压力脉动的影响；采用与无穷大系统并联运行的同步发电机的基本数学模型中发电机实用三阶模型；采用可控硅励磁控制系统模型，并将这部分引入发电机模型；将各模型连接并分析不同压力脉动下尾水管压力脉动引起的水电机组转速、机械功率和发电机有功功率振荡。该方法将水轮机模型、发电机模型、调速控制、励磁控制单元连接成一个闭环控制系统，构成水电机组完整运行模拟系统，模型通用性好，可应用于水轮发电机运行稳定与控制的相关应用中。制的相关应用中。制的相关应用中。

【技术实现步骤摘要】
一种尾水管压力脉动诱发机组有功振荡的Simulink模拟方法


[0001]本专利技术属于水电机组有功振荡模拟
，尤其涉及一种尾水管压力脉动诱发机组有功振荡的Simulink模拟方法。

技术介绍

[0002]在电力系统中普遍采用水电机组作为大容量调节电源，这要求水电机组具备较宽的有功调节范围。为增加水电机组的有功调节范围，将运行区扩展到振动区可能是不可避免的。而混流式水轮机尾水管压力脉动诱发机组有功振荡问题，是机组不能在振动区运行的限制因素之一。
[0003]近年来，许多学者对机组运行稳定性的影响等问题在理论和试验方面进行诸多研究，常采用电站真机系统进行测试，随着流体力学模拟软件的的兴起，被广泛应用于尾水管压力脉动影响因素及内部状态模拟。目前，也有建立数学模型并将尾水管压力脉动作为信号研究机组启停暂态特性等问题。因以往水轮机水力系统和电力系统两方面的研究工作是分开并且相互独立的，结果导致水轮机水力系统与电力系统之间的相互影响被不恰当地简化，导致模拟结果不能真实的反应机组运行特性，因此，亟需开发一种能精确地建立水机电一体化仿真模型并进行模拟的方法，这将有助于研究机组的运行特性和动态响应，对保证水电机组的安全稳定运行具有重要作用和工程应用价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种尾水管压力脉动诱发机组有功振荡的Simulink模拟方法，搭建一种水轮发电机组整机仿真模型，建立尾水管压力脉动与机组有功振荡之间的关联途径。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提出的技术方案是，一种尾水管压力脉动诱发机组有功振荡的Simulink模拟方法，其特征是所述方法包括如下步骤：
[0006]步骤1：采用微机调速器对水轮机调速器部分进行建模；
[0007]步骤2：采用在IEEE Working Group推荐的水轮机出力计算模型中的无约束尾水管假设，确定管道动态，并对于水轮机水头考虑尾水管压力脉动水头的影响进行改进建立非线性水轮机模型；
[0008]步骤3：采用与无穷大系统并联运行的同步发电机的实用的基本数学模型发电机实用三阶模型；
[0009]步骤4：采用可控硅励磁控制系统模型，并将这部分引入发电机模型；
[0010]步骤5：将模块连接并分析不同压力脉动幅值下尾水管压力脉动引起的水电机组转速、机械功率和发电机有功功率振荡。
[0011]优选地，所述步骤1具体包括如下子步骤：
[0012]步骤1.1：调速器输入为发电机角速度偏差值，因为在发电机运动方程中，Δω＝ω
‑
ω0，频率偏差值和发电机角速度偏差值的标幺值数值相等，Δω＝Δf。
[0013]步骤1.2：调速器输入到主接力器位移的传递函数为：
[0014][0015]步骤1.3：同时，功率输入通道的传递函数为：
[0016][0017]步骤1.4：调速器电气控制信号要通过电液随动系统转换为驱动水轮机导叶的机械信号，进而才能调整水轮机流量，改变水轮机输出机械功率。电液随动系统包括电液转换器和机械液压系统，其传递函数见图2。如图2所示为通过Simulink平台搭建水轮机调速器结构框图。
[0018]其中，K
P
表示比例参数；K
I
表示积分参数；K
D
表示微分参数；y
PID
是并联PID环节的控制输出；T
1n
为实际微分环节；P
c
和P
e
分别为给定功率和实测功率相对值；e
p
为调差率；电液随动系统采用经典的一阶惯性环节，其中T
y1
为电液转换环节的时间常数；T
y
为主接力器时间常数。
[0019]优选地，所述步骤2具体包括如下子步骤：
[0020]步骤2.1：水轮机模型是指水轮机力矩随水头、流量以及导叶开度变化的关系，目前水轮机数学模型主要有三类：线性化模型I，线性化模型模型II，以及非线性模型。为了更贴近实际模拟情况，因此建立根据IEEE Working Group定义的单机单管无调压井、无约束尾水管假设下的非线性水轮机模型，模型的水力动态的微分方程为：
[0021][0022]其中，P
m
为水轮机出力相对值；A
t
为增益因子；q
nl
为空载流量相对值；D
t
为水力阻尼因子；q为水轮机流量相对值；h为水轮机水头相对值(h0为静水头相对值)；y为水轮机接力器位移的比值；f
p
为水头损失系数相对值；Δh为暂态水头相对值，其受管道中水流变化的影响。其中，A
t
、f
p
为常数系数。
[0023]其中，水轮机功率表达式中最后一项D
t
yΔω，是暂态过程中水流阻尼产生的附加阻尼，由于阻尼系数D
t
的获取较困难，而且机组并网运行条件下角速度变化很小。因此，计算中常忽略此项的影响。
[0024]步骤2.2：水力系统模型分为刚性水击和弹性水击模型，本专利技术中采用弹性水击下的非线性水轮机模型，其传递函数为：
[0025][0026]其中，T
e
为弹性时间，T
e
＝L/α；Z
n
为管道的水力浪涌阻抗的规格化值，均为常数系数。
[0027]步骤2.3：在考虑弹性水击的基础上考虑尾水管压力脉动，由于尾水管压力脉动会造成水轮机持续性的小扰动，因此若上游水位不变考虑尾水管压力变化的水轮机水头定义如下：
[0028]h
t
＝h
t0
+h
p
sin(ω
p
t)
[0029]其中，h
t0
是水轮机水头标幺值；h
p
是尾水管压力脉动水头幅值标幺值；ω
p
是压力脉动的角频率(rad/s)；t为时间值；
[0030]将考虑尾水管压力脉动水头的水轮机水头代入水轮机功率得：
[0031]p
t
＝A
t
h
t
(q
‑
q
nl
)
[0032]＝A
t
h
t0
(q
‑
q
nl
)+A
t
(q
‑
q
nl
)h
p
sin(ω
p
t)
[0033]＝p
t0
+Δp
[0034]其中，p
t
是水轮机功率标幺值；A
t
是系数；q、q
nl
分别是水轮机流量、空载流量标幺值；p
t0
是IEEEWorkingGroup定义的无约束尾水管假设下的水轮机功率标幺值；Δp是压力脉动水头产生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种尾水管压力脉动诱发机组有功振荡的Simulink模拟方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：采用微机调速器对水轮机调速器部分进行建模；步骤2：采用在IEEE Working Group推荐的水轮机出力计算模型中的无约束尾水管假设，确定管道动态，并对于水轮机水头建立非线性水轮机模型，建模时考虑尾水管压力脉动对水头的影响；步骤3：采用与无穷大系统并联运行的同步发电机的基本数学模型中发电机实用三阶模型；步骤4：采用可控硅励磁控制系统模型，并将这部分引入发电机模型；步骤5：将各模型连接并分析不同压力脉动下尾水管压力脉动引起的水电机组转速、机械功率和发电机有功功率振荡。2.根据权利要求1所述的一种尾水管压力脉动诱发机组有功振荡的Simulink模拟方法，其特征在于，所述步骤1具体包括如下子步骤：步骤1.1：调速器输入为发电机角速度偏差值Δω＝ω
‑
ω0，频率偏差值和发电机角速度偏差值的标幺值数值相等Δω＝Δf。步骤1.2：调速器输入到主接力器位移的传递函数为：步骤1.3：功率输入通道的传递函数为：步骤1.4：采用典型并联PID调速控制结构，依据数学模型通过Simulink平台搭建水轮机调速器结构框图；其中，K
P
表示比例参数；K
I
表示积分参数；K
D
表示微分参数；Y
PID
是并联PID环节的控制输出；T
1n
为实际微分环节；P
c
和P
e
分别为给定功率和实测功率相对值；e
p
为调差率，电液随动系统采用经典的一阶惯性环节，T
y1
为电液转换环节的时间常数；T
y
为主接力器时间常数。3.根据权利要求1所述的一种尾水管压力脉动诱发机组有功振荡的Simulink模拟方法，其特征在于所述步骤2具体包括如下子步骤：步骤2.1：建立根据IEEE Working Group定义的单机单管无调压井、无约束尾水管假设下的非线性水轮机模型，模型的水力动态的微分方程为：其中，P
m
为水轮机出力相对值；A
t
为增益因子；q
nl
为空载流量相对值；q为水轮机流量相对值；h为水轮机水头相对值，h0为静水头相对值；y为水轮机接力器位移的比值；f
p
为水头损失系数相对值；Δh为暂态水头相对值，其受管道中水流变化的影响；步骤2.2：建立弹性水击下的非线性水轮机模型，其传递函数为：
其中，T
e
为弹性时间，T
e
＝L/α；Z
n
为管道的水力浪涌阻抗的规格化值，均为常数系数；步骤2.3：尾水管压力变化的水轮机水头定义如下：h
t
＝h
t0
+h

【专利技术属性】
技术研发人员：曾云，徐一婷，钱晶，于诗歌，张晓旭，张欢，孙彦飞，单蓉，肖博屹，拜树芳，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：