基于水轮机内外特性复合数学模型的调节系统动态特性研究

摘要

随着水力机组单机容量及电网中新能源渗透率的增加，电网对水力机组动态特性要求越来越高，同时随着长距离输水输电系统数量增加，水力机组动态过程中水力、机械、电气系统的耦合作用也更加凸显。因此，水力机组运行的稳定性及调节品质愈来愈受到关注。 本文在前人研究成果的基础上，结合实际工程中遇到的新问题，将水轮机内特性与外特性结合提出了复合数学模型，给出了模型求解收敛性判据，在此基础上建立了基于PSCAD的水-机-电耦合通用仿真平台（PSCAD-HME）。依据此平台，解决了调节系统稳定性随负载扰动幅值变化的问题，完善了含调压室系统调节品质分析理论。取得了如下成果： (l)通过分析水轮机各过流部件中的能量损失形式，建立其能量平衡方程，并结合水轮机流量调节方程得到了流量特性和力矩特性表达式，改进了水轮机内特性模型；进而依据水轮机外特性实测数据采用最小二乘法与遗传算法相结合的参数辨识方法辨识内特性模型中的相关参数，得出了内特性与外特性相融合的水轮机复合数学模型，提高了水轮机数学模型的精度。 (2)针对工程中水轮机模型求解收敛性差的问题，提出了一种以单位转速为迭代变量的单点迭代求解流程，采用迭代定理得到了迭代收敛性判据，并将这一判据分别应用到了定步长计算和变步长计算中，提高了计算效率。 (3)针对工程中常采用的电力系统暂态仿真软件PSCAD自定义模块之间相对独立，而水力系统初始工况恒定流计算中需要将整个系统参数集中在同一个方程中求解的问题，创建了一种虚拟的管理计算模块，以完成水力系统的参数及布置信息收集、恒定流计算、计算结果分发等任务，进而构建了PSCAD-HME平台。 (4)针对水轮机调节稳定性随负载扰动幅值增加而降低的问题，利用PSCAD-HME平台通过仿真找出引起这一问题的原因是调速器速度饱和，并进一步分析了调速器的比例项、积分项以及微分项对速度饱和的影响，提出了一种抗速度饱和的微分优先型PID控制策略，消除了负载扰动幅值对调节稳定性的影响。 (5)针对含调压室系统压力管道水流惯性时间常数较大时调节品质分析存在误差过大的问题，分析了压力管道水流惯性时间常数对水轮机流量和力矩的影响大小，考虑了压力管道水流惯性时间常数的主要作用后将系统模型进行了简化，得到了转速主波和尾波的表达式及调节品质指标的解析表达式，并利用PSCAD-HME平台验证了该解析表达式具有更高的准确性，得出了调压室相关参数对调节品质的影响规律及取值建议。

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