抽水蓄能机组可逆式的结构设计及各工况之间的复杂切换方式，使得机组流道水力瞬变规律呈现不确定性，机组稳定运行面临的挑战比常规水电机组更为严峻。上述特点给抽水蓄能电站安全、高效、稳定运行带来了一系列亟待解决的国际学术前沿问题和工程技术难题，其中对抽水蓄能机组调速系统建模、控制优化及其应用研究具有重要的理论及工程意义。
1 抽水蓄能机组在模型仿真及控制优化领域的重难点
根据现有理论研究并结合工程应用情况，抽水蓄能机组在模型仿真及控制优化领域的重难点归纳如下：（1）抽水蓄能机组调速系统是一个复杂时变、非线性系统[8]，水泵水轮机的“S”特性、驼峰区特性及有压过水系统的水击弹性、水流惯性不仅使其模型数学描述困难，而且难以精确反映不同工况及工况转换下的过渡过程动态特性；（2）传统PID控制在水电机组中得到广泛应用，并且在大部分工况下具有良好的控制效果，但是无法从根本上解决调速系统的非线性、时变性与线性控制规律之间的适配问题，这在抽蓄机组低水头空载工况下矛盾更为突出，新型控制策略由于忽视“简单性优先原则”，往往较难应用于工程实际；（3）现有抽水蓄能机组模型难以平衡仿真精度和计算实时性之间的博弈关系，简化模型不能反映抽水蓄能机组在全工况尤其是工况转换过程的动态特性，而复杂模型不能适应在线实时仿真需求，因此针对抽水蓄能机组的仿真测试装置研发存在瓶颈。
2 调速系统组成及主要技术参数
原动机及调速系统由AGC系统、电子调节器、执行机构、引水和泄水系统、水轮发电机组和测量元件构成。电子调节器和执行机构构成水轮机调速器,电子调节器接收机组频率、功率和AGC系统的负荷给定信号并在内部实现频率和功率闭环调节,执行机构按一定特性将电子调节器的输出转换成主接力器行程偏差,从而控制机组功率、转速。
机组电子调节器为法国ALSTOM研制的TSLG型功能组合式数字调节器,为UPC+SPC的双通道冗余结构,与计算机监控系统相配合,完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。
3 调速系统模型及仿真
水轮机及其调节系统模型由3个部分组成:电子调节器模型、执行机构模型和原动机模型。调节系统模型输出YPID信号,执行机构模型根据YPID信号模拟导叶开度的动作情况,以此影响原动机模型的仿真功率输出,各模型具体结构如下。
3.1 电子调节器部分(GM\GM+)
根据厂家提供的电子调节器资料。采用PSD-BPA(4.15版)暂态稳定程序中的GM\GM+卡搭建电子调节器模型仿真系统如图1所示。
图1 电子调节器计算模型
模型参数依据机组调速系统设备资料进行设置,调速器频率给定50Hz,阶跃量为-0.15Hz,调速器自动控制,开度模式,调节参数Intd_bp=4%、Intd_Kp=5、Intd_Ti=2.8s、Intd_Td=0s、Sn_Kd=5、ef=0.05Hz。仿真利用图2所示计算模型进行,其参数设置为:fg为实测频率,fc=1,DELT=0s,TR1=0.001s,DELT2=0s,TR2=0.001s,bp=0.040,DB1=0.001,DB1MAX=inf,DB1MIN=-inf,DB2=0,DB2MAX=inf,DB2MIN=-inf,KP=5,KI=1.7s-1,KD=0s,T1v=0.01,INT1max=inf,INT1min=-inf,ITYP=2,ITYP2=1。为方便仿真计算的进行,忽略空载开限与最大开限,将YPID输出限幅设置为YPIDmax=1,YPIDmin=0。
图2 实测与仿真的调速器输出曲线对比
由图2可知,YPID的实测曲线和仿真曲线基本吻合,说明电子调节器部分的模型正确、合理。
3.2 导叶执行机构部分(GA\GA+卡)
根据厂家提供的导叶执行机构资料。采用PSD-BPA(4.15版)暂态稳定程序中的GM\GM+卡搭建导叶执行机构仿真系统。
通过内部程序直接给定PID指令的方法实测导叶开度变化。导叶最快开启、关闭实测曲线与仿真的对比如图3所示。
图3导叶最快开启关闭实测与仿真曲线对比
由图3可知,Y的最快开启、关闭实测曲线和仿真曲线趋势一致,说明执行机构开启、关闭方向的速度限幅整定是正确的。
3.3 原动机部分(TW卡)
原动机部分给出两种仿真模型,(1)为PSD-BPA暂态稳定程序中使用的考虑刚性水击的理想水轮机模型(TW卡);(2)考虑某一水头下出力与导叶开度对应关系的改进型刚性水击模型。
1)BPA模型(TW卡)
PSD-BPA暂态稳定程序中使用的考虑刚性水击的理想水轮机模型如图4所示。
图中,Y为接力器行程,P为原动机输出(有功功率),Tw为水流惯性时间常数。
图4 BPA中的原动机计算模型(TW卡)
模拟一次调频动作时,原动机输出实测曲线与BPA中原动机模型(TW卡)仿真结果的对比如图5。
图5 模拟一次调频动作时原动机输出实测与仿真曲线对比
2)改进的刚性水击模型
图4所示模型其等价控制框图如图6所示。
图4考虑刚性水击的理想水轮机模型(TW卡)框图
忽略系统变化影响的简化的混流式水轮机机组段框图如图7所示。
图7简化的混流式水轮机机组段框图
由对比可知,TW卡所代表的水轮机模型是将图8中参数设为:eqy=1,ey=1,eh=1.5,Gh (S)=-TWS。其中,ey=1表示机组出力正比于导叶开度变化,机组空载和满负荷分别对应导叶的全关和全开。而实际上抽水蓄能机组水头变化较明显,当实际工况点偏离额定工况点较远时,机械功率与导叶开度存在较为明显的非线性关系,考虑某一水头下水轮机功率与开度的非线性特性,原动机部分的计算模型采用改进的刚性水击模型,如图8所示。
图8改进的刚性水击模型
通过对比图8和图6可知,改进的刚性水击模型是通过实测机组某一水头下出力与导叶开度对应值,获得对应关系拟合方程,代替TW卡中取值为1的ey,构成改进型原动机模型。
3.4 调速系统模型及参数
(1)原动机采用改进的刚性水击模型的调速器系统
调速系统的计算模型如图9所示。
图9采用改进的刚性水击模型的调节系统模型
将动态下频率扰动试验的频率信号作为图9中的fg,即可对动态模拟一次调频动作时的调速系统工作情况进行仿真。模型参数依据机调速系统设备资料进行设置,其中调速器频率给定50Hz,调速器自动控制,负载功率模式,调节参数为Intd_bp=4%,Intd_kp=5,Intd_Ti=2.8,Intd_Td=0,Sn_Kd=5、ef=0.05Hz,初始功率大约210MW,一次调频投入。实际输出与仿真曲线的对比见下页图10。
由图15可知,电子调节器Ypid输出值、导叶接力器行程、有功功率的实测曲线与仿真曲线趋势一致,调节过程基本吻合,最终稳定值基本一致。仿真结果与实测结果偏差对比符合《导则》要求。
图10动态下频率阶跃0.15Hz时调速系统各部分实测输出与仿真曲线对比
(2)原动机采用BPA模型(TW卡)的调速器系统
将原动机模型更换为TW卡模型再次进行仿真计算,参数设置与图9相同各部分实际输出与仿真曲线的对比见图11。
图11动态下频率阶跃0.15Hz时调速系统各部分实测输出与仿真曲线对比
由图11可知,有功功率的实测曲线与仿真曲线趋势基本一致仿真结果与实测结果偏差对比符合《导则》要求。
4 结论和建议
(1)对比BPA模型(TW卡),相同导叶开度变化下,改进的刚性水击模型仿真的功率响应过程更贴近实际;相同功率闭环阶跃扰动下,改进的刚性水击模型仿真的电子调节器与执行机构的输出亦更接近实际。
(2)BPA暂态稳定程序中提供的水轮机调速器和原动机模型(TW卡)的传递函数直接将功率与开度关系线性化,导致开度的响应曲线与实测曲线在部分时段存在差别。随着电力系统对仿真计算精度要求的提高以及电力系统控制逐步趋于复杂化,BPA模型(TW卡)已经很难准确仿真目前新型微机调速器的工作情况,建议在BPA暂态稳定程序中完善模型结构、改进建模方法,从而为电力系统仿真研究提供与实际系统状况相吻合的调节系统模型,满足电力系统稳定计算的要求。
参考文献
[1] 李悝,张靖,孙海顺,等.水轮机及其调速系统建模与参数辨识方法[J].水电能源科学,2006,24(4):79-81.
[2] 巩宇.抽水蓄能机组原动机及调节系统参数实测与建模研究[J].水电站机电技术,2011,34(4):9-14.
[3] 张承慧,刘玉庆.水轮机建模与参数识别[J].电力系统自动化,1997,21(5):53-56.
