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燈泡貫流式雙調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

文檔作者：彭天波文檔來源：湖北省電力試驗研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年06月03日
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第33卷第4期水電站機電技術(shù)
2010年8月Mechanical＆Electrical Technique of Hydmpower Station
V01．33 No．4
Aug．2010 23
燈泡貫流式雙調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真
彭天波
(湖北省電力試驗研究院，湖北武漢430077)
摘要：以燈泡貫流式雙調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機組為例，首先進行調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)現(xiàn)場測試，并經(jīng)分析、整理后得出了水輪機
調(diào)節(jié)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的重要參數(shù)，之后分別采用最小二乘法(LS)和基因遺傳算法(GA)對原動機及調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模和參數(shù)
辨識．得到非線性。自定義”模型，并與電網(wǎng)穩(wěn)定計算通用模型PSASP進行了比較分析，從而建立了水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)
在并網(wǎng)狀態(tài)下的模型和數(shù)據(jù)，為電力系統(tǒng)仿真研究提供與實際系統(tǒng)狀況相吻合的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，滿足了電力
系統(tǒng)穩(wěn)定計算的要求。
關(guān)鍵詞：燈泡貫流式機組；參數(shù)測試；調(diào)速系統(tǒng)建模；仿真
中圖分類號：TV734．4 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1672—5387(2010)04-0023-05
某航電樞紐工程1號機組為燈泡貫流式水輪發(fā)
電機組，由東芝水電設(shè)備(杭州)有限公司生產(chǎn)，其主
要設(shè)備參數(shù)如下：
水輪機型號GZ(TB5003)一WP一691；最大功率
16．980 MW；額定功率15．432 MW；最大水頭8．4 m；設(shè)
計水頭4．7m；最小水頭15m；設(shè)計流量≤366A7m％。發(fā)
電機型號SFWGl5—84—7300；額定容量16．67 MVA；
額定功率15 MW；額定電壓10_5 kV；額定電流916．4 A；
額定頻率50 I-Iz；額定轉(zhuǎn)速71．4 r／rain；飛逸轉(zhuǎn)速
240 r／rain；功率因素o．9(滯后)；轉(zhuǎn)動慣量3 000 t·n12；
慣性時間常數(shù)z誦．13(額定水頭)／2．06(最大水頭)s。
調(diào)速器調(diào)節(jié)參數(shù)調(diào)整范圍如下：
比例增益KP：0．5～20；積分增益K：0．025～10；
微分增益Kd：0—40；永態(tài)轉(zhuǎn)差率bp調(diào)整范圍：
0～10％；人工轉(zhuǎn)速死區(qū)調(diào)整范圍：0～±0．3 Hz；電氣開
限調(diào)整范圍：0。100％；“頻率給定”(數(shù)字給定)調(diào)整
范圍：45～55 Hz；“功率給定”(數(shù)字給定)調(diào)整范圍：
0—100％。
調(diào)速器液壓控制系統(tǒng)參數(shù)如下：
型號：PZWSTl50—6．3一Stars；額定工作壓力：
6．3 MPa；主配壓閥直徑：150 mm；主配壓閥最大行
程：15咖；濾芯精度：10斗m(0120D010BN／HC)；差
壓發(fā)訊器發(fā)訊壓差：0．2 MPa。
1調(diào)速器建模參數(shù)測試條件、測試方法與測
試結(jié)果
1．1調(diào)速器靜特性試驗(測量印、／x、~L等參數(shù))
1．1．1試驗條件
蝸殼未充水，調(diào)速器處于自動運行方式；切除人
工死區(qū)；置增益為整定值，頻率給定為額定值；機組
模擬并網(wǎng)(斷路器位置信號短接)。
1．1．2試驗方法
由調(diào)速器測試儀給調(diào)速器提供額定的機頻輸入
信號，以開度給定將導(dǎo)葉接力器調(diào)整到50％行程附
近。然后，將調(diào)速器處于自動運行方式，升高或降低
頻率使接力器全關(guān)或全開，調(diào)整頻率信號值，使之按
一個方向逐次升高或降低，在導(dǎo)葉接力器每次變化
穩(wěn)定后，用調(diào)速器測試儀記錄該次信號頻率值及相
應(yīng)的接力器行程、漿葉行程，分別繪制頻率升高或降
低的靜態(tài)特性曲線。每條曲線在接力器行程10％
一90％的范圍內(nèi)，測點不少于10點。
設(shè)定bt=5％，Td=2 s，Tn=0，bp=6％，分三個水頭
(最大水頭8．4 nl，額定水頭4．7 m，最小水頭1．5 m)
進行試驗。
1．1．3試驗結(jié)果
試驗結(jié)果見表1，額定水頭下的試驗曲線見圖1。
表1調(diào)速器靜特性試驗結(jié)果
羹蘭警≯妻鬻蓁妻篙曩素鬻素慕囂豢萎繁
曼婁皇鼉線性度線性度差系數(shù)差系數(shù)不準(zhǔn)確
‘m’ ‘％’ 舭(％) 舭(％) ％(％) ％(％) 度(％)
—百r—百麗而—1河r——而r——西r——}歹r—i．79
4．7 0．007 0 0．23 0．23 5．98 5．98 1．14
1．5 0．003 6 019 0．19 5．99 5．99 0．50
收稿日期：2010—05—19
作者簡介：彭天波(1966-)，男，碩士，高級工程師，從事發(fā)電廠經(jīng)濟運
行與控制工作。
萬方數(shù)據(jù)
24 水電站機電技術(shù)第33卷
．．．＼；一＼；：：；
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圖1額定水頭4．7m調(diào)速器靜態(tài)特性
1．2頻率擾動試驗(測量乩、丁d、丁h等參數(shù))
1．2．1試驗條件
蝸殼未充水，調(diào)速器處于自動運行方式；切除人
工死區(qū)；置增益為整定值，卻=0，頻率給定為額定值；
機組模擬并網(wǎng)(斷路器位置信號短接)。分別在空載、
并網(wǎng)一次調(diào)頻模式下進行。
1．2．2試驗方法
由調(diào)速器測試儀給調(diào)速器提供額定的機頻輸入
信號，以開度給定將導(dǎo)葉接力器調(diào)整到5％行程附
近。斷開主接反饋，用調(diào)速器測試儀改變機組輸入頻
率，記錄頻率改變后、PID輸出、導(dǎo)葉接力器行程變
化過程曲線。試驗在調(diào)速器參故瓏毫為卸=0，bt=20％，
尉=8 8，Tn=0．2 s和卻=0，bt=20％，Td=8 s，Tn=0 8兩
種參數(shù)組合下進行。
1．2．3試驗結(jié)果
測試結(jié)果匯總見表2。以第4組bp--0，bt=20％，
列=8 s，Tn=0．2 s為代表的試驗錄波圖見圖2所示。
表2調(diào)速器控制參數(shù)測試結(jié)果
試bt(％)Td(s) 7}I(8)
蓍篆實測磊妻蒙實測標(biāo)量偏蒙實測磊妻
注：表中標(biāo)定偏差=(x-s)／s，K為實測值，S為標(biāo)稱值。
圖2第4組頻率擾動試驗
1．3接力器關(guān)閉規(guī)律試驗(測量主接最短關(guān)閉時間
丁s、最短開機時間內(nèi))
測量主接最短關(guān)閉時間A、最短開機時間瑰
結(jié)果見表3。
表3接力器關(guān)閉規(guī)律試驗結(jié)果
1．4測量人工死區(qū)試驗
1-4．1試驗條件
蝸殼未充水，調(diào)速器處于自動運行方式。
1．4．2試驗方法
用階躍頻率信號法校驗調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)，把
測試儀輸出的頻率信號整定為50 Hz，于額定頻率
基礎(chǔ)上每步0．01 Hz(或0．005 I-Iz)施加正(或負)的
階躍頻率偏差信號，并逐一錄波；直到接力器開始產(chǎn)
生與此信號對應(yīng)的改變，此時的頻率累積偏差信號
即為人工死區(qū)。
1．4．3試驗結(jié)果
經(jīng)過測試調(diào)速系統(tǒng)人工死區(qū)為0．05 Hz。
1．5頻率及開度給定擾動試驗(測量接力器反應(yīng)時
間丁y、槳葉反應(yīng)時間丁z)
1．5．1試驗條件
蝸殼未充水，調(diào)速器處于自動運行方式；切除人
工死區(qū)；置增益為整定值，頻率給定為額定值；機組
模擬并網(wǎng)(斷路器位置信號短接)。斷開主接反饋。
1．5．2試驗方法
由調(diào)速器測試儀給調(diào)速器提供額定的機頻輸入
信號，以開度給定將導(dǎo)葉接力器行程調(diào)整到拐點以
上，給定頻率或開度擾動，用調(diào)速器測試儀記錄頻率
或開度給定變化后導(dǎo)葉接力器行程、槳葉行程變化
過程曲線。
1．5．3試驗結(jié)果
試驗結(jié)果見表4、表5。
璣O仉仉m ∞0蛆∞∞ 薯|鵬㈣薹|耄| 篙翟㈣∞∞加∞如 埔∞均均塢 明伯加：2的 咱豇1噸噸 雅飄騙|曼㈣ ：暑眈坫∞∞ &amp;amp;_L仉L
萬方數(shù)據(jù)
第4期彭天波：燈泡貫流式雙調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真25
裹4接力器反應(yīng)時間H實測值
頻差㈦—五贏磊萬測—量廳1麗而i—百
0．200
0．500
-0．200
-o．500
一1．05
-4．02
2．24
6．92
0．90
1．17
0．54
1．63
表5槳葉反應(yīng)時間丁z實測值
頻差‘“z’1磊歷iF丐磊而i■瓦_■品一
測量開
1．00
—1．00
接力器開度一強
接力器開度+3％
0．500 0．01
0．．500 0．01
0．500 0．0l
0．050 0．01
1．6并網(wǎng)頻率擾動試驗(測量動態(tài)響應(yīng)時間)
1．6．1試驗條件
機組帶負荷穩(wěn)定運行，調(diào)速器處于自動運行方
式。
1．6．2試驗方法
機組帶70％額定負荷(10 Mw)運行，用調(diào)速器
測試儀改變輸入調(diào)速器的頻率，模擬改變電網(wǎng)頻率。
把測試儀輸出的額定頻率信號接入調(diào)速器的機頻信
號輸入端，分別于額定網(wǎng)頻基礎(chǔ)上施加正負階躍偏
差頻率信號(從0．1 Hz、一0．1 Hz；0．2 Hz、-0．2 Hz；到
0．3 Hz、加．3 Hz，每個模擬網(wǎng)頻信號持續(xù)60 s以上
(以接力器穩(wěn)定時間為準(zhǔn))，頻率變化范圍49．70—
50．30 I-I,)；用調(diào)速器測試儀分別對模擬網(wǎng)頻頻率、
有功功率和導(dǎo)葉開度、槳葉角度信號進行錄波。
試驗實際水頭5．4 m，仿真水頭6．0 m，開度模
式，bp=4％，bt=20％，Td=2s，Tn=8s。
1．6．3試驗結(jié)果
試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)建模，其中±0．2 Hz
的頻率擾動試驗示波圖見圖3、圖4所示
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圖3+0．2Hz頻率擾動試驗
圖4-0．2Hz頻率擾動試驗
2水輪機調(diào)速系統(tǒng)建模
現(xiàn)場試驗完成以后，通過對試驗數(shù)據(jù)進行分析、
整理，得出了水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的重要參數(shù)。分
別采用最tb-"乘法(Ls)和基因遺傳算法(GA)對原
動機及調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模和參數(shù)辨識，得到非線性“自定
義”模型，并與電網(wǎng)穩(wěn)定計算通用模型PSASP進行
了比較分析。
2．1自定義調(diào)速器模型、參數(shù)及仿真
水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型(自
定義模型)如圖5一圖7所示。
圖5調(diào)速器導(dǎo)葉電氣部分(控制器)模型框圖
耳
H
圖6調(diào)速器導(dǎo)葉液壓系統(tǒng)模型框圖
圖7調(diào)速器槳葉控制系統(tǒng)模型框圖
萬方數(shù)據(jù)
26 水電站機電技術(shù)第33卷
模型中符號含義和參數(shù)見表6。
表6自定義調(diào)速器模型符號含義與參數(shù)
名稱符號數(shù)值單位
頻率給定愚％
釹機組頻率R ％
葑開度給定愚P．u．
超功率給定^ p．o．
薈機組功率Pt p．u．
薪響應(yīng)延時td 0．010 o
一’ 轉(zhuǎn)速死區(qū)血0．0076 ％
人工頻率死區(qū)類型一機械型一
人工頻率死區(qū)J!f 0．100 ％
暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)肌19．824 ％
緩沖時間常數(shù)列2．000 8
加速時間常數(shù)711 0．354 s
微分衰減常數(shù)／'iv 0．286 o
永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)細4．000 ％
結(jié)構(gòu)類型
主接力器反應(yīng)時問
電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)系數(shù)
主配監(jiān)闊死區(qū)
主配壓閥最大值
主配壓閥最小值
主配壓閥最小值
兩段關(guān)閉拐點
導(dǎo)葉開度最小值
導(dǎo)葉開度最大值
結(jié)構(gòu)類型
主接力器反應(yīng)時間
電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)系數(shù)
主配壓閥死區(qū)
主配壓閥最大值
主配壓閥最小值
電液隨動型
0．500
1．000
0．300
0．023
-0．113
-0．069
32．360
0．000
100．000
電液隨動型
0．500
1．∞0
0．000
O．023
-0．043
—
0
一
％
P·u·
P．u．
P-u·
％
％
％
一
0
一
％
P·u·
D．U．
得到模型后進行仿真計算。調(diào)速器導(dǎo)葉開度仿真
結(jié)果見圖8，調(diào)速器槳葉開度仿真結(jié)果曲線見圖9。
時囑一
圖8調(diào)速器模型導(dǎo)葉開度仿真與實測過程比較
圖9調(diào)速器模型槳葉開度仿真與實測過程比較
2．2自定義機組一引水道模型、參數(shù)及仿真
水輪機機組一引水道在并網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型
(自定義模型)如圖10所示。
圖10機組一引水道模型框圖
模型中符號含義和參數(shù)見表7，仿真效果見圖
1l、圖12所示。
表7自定義機組一引水道模型符號含義與參數(shù)
名稱符號數(shù)值單位
初始導(dǎo)葉開度
初始功率
初始槳葉開度
最小二乘參數(shù)辨
識算法(LS)
基因遺傳參數(shù)辨
識算法(GA)
瑰P．I．L
愚P．1L
中g(shù) P．仉
傳遞函數(shù)△|p(s)／△r(s)=
(-5．00s+1．69)／(5．38s‘2+2．00s+1．oo)
傳遞函數(shù)△ 爿s)／ △ 以s)=
(一4．98s+1．68)／(1．03s‘2+3．47s+1．00)
圖11機組一引水道Ls法辨識效果圖
圖12機組一引水道CA法辨識效果圖
2．3自定義模型仿真輸出與實測動態(tài)過程比較
采用LS及GA法所得自定義模型仿真輸出與
實測動態(tài)過程比較見圖13、圖14所示。
x¨《
，● 秀：焉篙竺
仡
I警
忸
瞰
山
口
口
導(dǎo)葉液壓系統(tǒng)參數(shù)
槳葉液壓系統(tǒng)參數(shù)
￡墨；
萬方數(shù)據(jù)
第4期。=====g======z日自11％；；={===彭==天==波===：=j燈=i泡；貫；流；式；雙；調(diào)；=節(jié)；水l；輪=發(fā)；電==機％組==調(diào)：速系統(tǒng)建模與仿真 27
田
t 76
嫠70
皓
0 10 20 30 加卯印70 即卯
圖13 Ls法自定義模型仿真輸出與實測動態(tài)過程比較
芒塢
嫠7口
曬
腳
芒
嫠卸
蠢
加
，∞
芒印
篡∞
加
O 10 ∞ 30 柏∞ 劬70 ∞ ∞
0 10 20 30 柏∞ ∞ 70 ∞ 蚰
表8 PSASP模型符號含義與參數(shù)
燮盟縋絲
澳崾莎時勒虹電倍數(shù)J|r6 1．000 一一一——
磧負反饋放大f撇危重000 誓
軟貼稠奶啪數(shù)邱Q198 一
百f邵漸程上限懈Q 023 Au 酉己f邵珩聊嘶-0．113 Au
忖瞍孀姍L000 導(dǎo)啊勰枷血 Au Q 000 Au 調(diào)速瓤f Q 0076 nu 軟反確川獺五z000 s
儷啪球州伺{；}數(shù)五Q500 s
水錘時間常數(shù)罱6130 s
TW／2 乃a065 s 喇勛必}5日寸7l撇肋Q 000 s 過懶口L000 一發(fā)電盹翳獬用15．000 姍系統(tǒng)莓髓$ 100．000 胍
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圖14 GA法自定義模型仿真輸出與實測動態(tài)過程比較圖16LS法自定義模型與PsAsP模型的動態(tài)過程比較
2．4水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下的自定義模型與
PSASP模型的比較
PSASP模型見圖15所示，其模型符號含義及參
數(shù)見表8
PSASP模
，本次在l號機組建立的自定義模型與
型的動態(tài)過程比較見圖16、圖17。
圖15 PSASP模型框圖
垂∞
圖17 GA法自定義模型與PSASP模型的動態(tài)過程比較
3結(jié)論與建議
根據(jù)該電站1號機組的現(xiàn)場實測參數(shù)和數(shù)據(jù)，
建立了1號機組水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)
學(xué)模型，并進行參數(shù)辨識。仿真表明所建模型能較好
地反映系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下對頻率變化的動態(tài)響應(yīng)，
并與電網(wǎng)穩(wěn)定計算通用模型PSASP進行了比較，可
以看出，自定義模型更能反映原動機及調(diào)節(jié)系統(tǒng)實
際情況，在電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算中采用效果顯著。

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