水轮机及其调节系统的建模方法与流程
本发明属于水轮机发电控制领域，尤其涉及一种水轮机及其调节系统的建模方法。
背景技术：
IEEE1547.1对孤岛系统的定义如下：一个本地电力系统或若干个本地电力系统经公共连接点联结，且和其余电力系统在电气上分离的一种电网运行状态。其基本特点是电压和频率的波动范围较大，受负荷运行的影响较为明显，多数运行在低压、低频范围。
当大型水电站与直流换流站构成送端孤岛系统时，若孤岛系统发生直流闭锁、交流线路短路故障等大扰动，孤岛系统内电压、频率将出现大幅波动，此时水轮机调速系统与发电机励磁系统的响应将直接影响孤岛系统的暂态特性。
目前，仿真计算过程中所采用的水电机组模型一般是根据常规的机组测试报告和典型的机电仿真模型所搭建，发明人发现：稳态或小扰动条件下该模型能够较为准确的反应机组的响应特性，但对严重故障(例如孤岛系统发生直流闭锁、交流线路短路故障等大扰动)情况下的机组响应情况模拟的并不准确，因此，有必要建立能反映实际设备运行状态的水轮机及其调速系统的精确仿真模型。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种水轮机及其调节系统的建模方法，模型结构简单，并且更接近设备的实际运行情况。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种水轮机及其调节系统的建模方法，适用于水轮机及其调节系统的孤岛模式，所述建模方法包括：使用基于开度滞环的变时间常数方法搭建执行机构模型，以实现执行机构分段关闭特性的模拟。
具体地，所述使用基于开度滞环的变时间常数方法搭建执行机构模型，以实现执行机构分段关闭特性的模拟，包括：预设阀门开度的上限值和下限值；当阀门开度参考值小于所述下限值时，执行机构模型的关闭时间常数使用慢关时间常数；当所述阀门开度参考值大于上限值时，执行机构模型的关闭时间常数使用取快关时间常数；阀门开度参考值乘以对应的关闭时间常数，通过积分环节得到实际阀门开度值。
进一步地，所述的建模方法，还包括：利用分段函数搭建水轮机模型，以实现全负荷段水轮机开度与功率非线性特性的模拟。
具体地，所述利用分段函数搭建水轮机模型，以实现全负荷段水轮机开度与功率非线性特性的模拟，包括：将水轮机的全负荷曲线划分为若干阶段；为不同的负荷阶段选择不同的水轮机模型的比例系数，其中，为高负荷阶段选择的所述水轮机模型的比例系数大于为低负荷阶段选择的所述水轮机模型的比例系数；实际阀门开度值乘以对应的水轮机模型的比例系数，并乘以理想水轮机传递函数得到机械功率值并输出。
优选地，水轮机的全负荷曲线划分为低负荷段、额定负荷段和高负荷段；在所述低负荷段使用第一比例系数，在所述额定负荷段使用额定比例系数，在所述高负荷段使用第二比例系数，所述第一比例系数小于所述额定比例系数，所述第二比例系数大于所述额定比例系数。
本发明还提供一种水轮机及其调节系统的仿真装置，适用于水轮机及其调节系统的孤岛模式，所述仿真装置包括第一建模模块，所述第一建模模块使用基于开度滞环的变时间常数方法搭建执行机构模型，以实现执行机构分段关闭特性的模拟。
具体地，所述第一建模模块，包括：预设子模块，用于预设阀门开度的上限值和下限值；第一选择子模块，用于当阀门开度参考值小于所述下限值时，使执行机构模型的关闭时间常数选择使用慢关时间常数；当所述阀门开度参考值大于所述上限值时，使执行机构模型的关闭时间常数选择使用取快关时间常数；第一计算子模块，用于将阀门开度参考值乘以对应的关闭时间常数，并通过积分环节得到实际阀门开度值。
进一步地，所述仿真装置，还包括：第二建模模块，用于利用分段函数搭建水轮机模型，以实现全负荷段水轮机开度与功率非线性特性的模拟。
具体地，所述第二建模模块，包括：划分子模块，用于将水轮机的全负荷曲线分为若干阶段；第二选择子模块，用于为不同的负荷阶段选择不同的水轮机模型的比例系数，其中，为高负荷阶段选择的所述水轮机模型的比例系数大于为低负荷阶段选择的所述水轮机模型的比例系数；第二计算子模块，用于将实际阀门开度值乘以对应的水轮机模型的比例系数，并乘以理想水轮机传递函数得到机械功率值并输出。
优选地，水轮机的全负荷曲线分为低负荷段、额定负荷段和高负荷段；在所述低负荷段使用第一比例系数，在所述额定负荷段使用额定比例系数，在所述高负荷段使用第二比例系数，所述第一比例系数小于所述额定比例系数，所述第二比例系数大于所述额定比例系数。
本发明提供一种适用于水轮机及其调节系统孤岛模式下的精确建模方法，该建模方法中使用基于开度滞环的变时间常数方法搭建执行机构模型，以实现执行机构分段关闭特性的模拟，该建模方法构建的模型结构简单、清晰，可以实现孤岛电力系统频率的快速、无差调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中水轮机调节系统结构图；
图2是本发明实施例中水轮机调速器原理图；
图3是本发明实施例中执行机构分段控制原理图；
图4是本发明实施例中水轮机开度滞环控制原理图；
图5是本发明实施例提供的水轮机及其调节系统的建模方法的流程图一；
图6是本发明实施例提供的水轮机及其调节系统的建模方法的流程图二；
图7是本发明实施例中变系数水轮机模型原理图；
图8是水轮机输出功率与导叶开度的实测数据；
图9是水轮机输出功率与导叶开度的实测曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明涉及的水轮机及其调节系统，采用基于联络开关状态判断水轮机控制模式切换的控制方式。具体地，该系统中实时检测联络线开关的状态，当联络线开关断开时，水轮机由并网模式下的功率控制切换为孤岛模式下的频率控制。孤岛模式有以下主要特点：第一、输入为发电机频率偏差；第二、控制环节的频率死区和永态转差系数置零，以便实现孤岛频率的无差调节。频率偏差通过调速器的PID控制和限幅环节得到水轮机开度的目标值。
本发明提供一种孤岛模式下水轮机及其调节系统的精确建模方法。根据并网联络线开关状态判断水电机组是否进入孤岛模式，当水电机组进入孤岛模式时，首先水轮机调速器由功率控制切换到频率控制，并同时将频率死区和永态转差系数置零，实现孤岛系统频率的无差调节。针对此工作模式，仿真模拟系统中调用根据本发明的建模方法搭建的孤岛模式模型，能够使调速器模型、执行结构模型和水轮机模型更接近实际，不仅可以实现孤岛电力系统频率的快速、无差调节，还可以在全负荷段实现水轮机开度与功率曲线非线性的模拟，使仿真结果更接近实际曲线。
下面参照附图，对本发明涉及的水轮机及其调节系统，以及本发明的建模方法和装置进行详细说明。
参见图1所示，本发明水轮机调节系统由调速器、执行机构、水轮机和发电机组成。其中，将转速参考值与发电机实测转速值的差值作为调速器的输入，并输出阀门开度参考值到执行机构；执行结构根据阀门开度参考值输出实际阀门开度值到水轮机；水轮机根据实际阀门开度值确定输出的机械功率到发电机；最后在发电机处根据输入转矩与电磁转矩得到发电机实测转速值，并将该发电机实测转速值反馈到调速器输入，形成闭环控制。其中，下面仅对调速器、执行机构、水轮机和发电机的工作原理进行简单的介绍，其更具体的细节如有需要可参照现有技术。
参见图2所示，为水轮机调速器的工作原理图，其中w为发电机实测转速值，wref为转速参考值，Siland为孤岛模式标志，kp、kD、kI为调速器的PID参数，T1v为微分衰减时间常数，bp为永态转差系数，PIDmax、PIDmin为调速器输出上下限幅，yPID为阀门开度参考值。孤岛模式下，水轮机调速器首先将bp和频率死区环节置零，接着将wref与w的差值经过PID参数控制和限幅环节最终得到阀门开度参考值yPID。
参见图3所示，为本发明执行机构的分段控制原理图，其中ksP为副环比例系数，PIDsmax、PIDsmin为副环输出上下限幅，Tclose1为快关时间常数，Tclose2为慢关时间常数，Sy为开度滞环判别标志，y为实际阀门开度，T2为油动机行程反馈环节时间常数。将阀门开度参考值yPID与反馈环节得到的开度值作差，得到执行结构的输入，接着乘以ksP并经过限幅环节；第三步，通过开度滞环判别标志Sy，判断执行机构处于快关阶段还是慢关阶段；最后，通过结果积分环节得到实际开度值y。
参见图4所示，为水轮机开度滞环控制原理图，其中Yf1为开度上限值，Yf2为开度下限值。示例性地，当y小于Yf2时，Sy为0；当y再次大于Yf1时，Sy为1。接着，在根据Sy判断执行结构处于快关阶段还是慢关阶段。
针对上述工作情况，本发明提供一种水轮机及其调节系统的建模方法，适用于孤岛模式下的水轮机及其调节系统，该建模方法包括：使用基于开度滞环的变时间常数方法搭建执行机构模型，以实现执行机构分段关闭特性的模拟，使模型更接近执行机构的实际运行情况。
具体地，所述使用基于开度滞环的变时间常数方法搭建执行机构模型，以实现执行机构分段关闭特性的模拟，如图5所示，可包括：
101、预设阀门开度的上限值和下限值；在该步骤，本领域技术人员可根据实际测量结果或者经验值来设定，举例而言，上限值可以是0.52，下限值可以是0.48。
102、当阀门开度参考值小于下限值时，执行机构模型的关闭时间常数使用慢关时间常数；当阀门开度参考值大于上限值时，执行机构模型的关闭时间常数使用取快关时间常数；
本步骤中根据基于开度滞环的变时间常数方法对执行机构模型的分段关闭特性进行了模拟。本步骤中当阀门开度参考值小于下限值时，执行机构模型的关闭时间常数使用慢关时间常数；当阀门开度参考值再次大于上限值时，执行机构模型的关闭时间常数使用取快关时间常数。上述的慢关时间常数、快关时间常数是水轮机的固有参数，可以通过查看水轮机的说明书或铭牌获得，也可以通过实际测量获得。
103、将阀门开度参考值乘以对应的关闭时间常数，通过积分环节得到实际阀门开度值。
在未示出的调速器模型(与本发明实施效果无关，具体可参照现有技术，在此不再详述)中，水轮机开度目标值首先经过副环比例控制和限幅环节得到了阀门的开度参考值；本步骤中将该阀门开度参考值乘以对应的关闭时间常数(根据步骤102确定)，再通过积分环节得到实际阀门开度值，实现了孤岛模式下执行结构的仿真建模。本步骤除了使用的关闭时间常数是根据步骤102确定的之外，其余与现有技术大致类似，在此不再赘述。
进一步地，上述的建模方法还可包括：利用分段函数搭建水轮机模型，以实现全负荷段水轮机开度与功率非线性特性的模拟。具体地，该步骤如图6所示，可包括：
201、将水轮机的全负荷曲线划分为若干阶段；
本步骤优选地，水轮机的全负荷曲线划分为低负荷段、额定负荷段和高负荷段，简单经济，模拟效果佳，计算量相对较小，当然具体实施时，并不限于此。本领域技术人员可以根据实际情况对水轮机的全负荷曲线进行划分，例如如果要求模拟结果尽可能地精确，则本步骤可以相应地多划分几个阶段。
其中的水轮机的全负荷曲线是水轮机的固有特性，可以通过查看水轮机的说明书或者通过测量或者通过技术人员的经验获得。
202、为不同的负荷阶段选择不同的水轮机模型的比例系数，其中，为高负荷阶段选择的所述水轮机模型的比例系数大于为低负荷阶段选择的所述水轮机模型的比例系数；
示例性地，若将水轮机的全负荷曲线划分为低负荷段、额定负荷段和高负荷段，则本步骤在低负荷段使用第一比例系数，在额定负荷段使用额定比例系数，在高负荷段使用第二比例系数，所述第一比例系数小于所述额定比例系数，所述第二比例系数大于所述额定比例系数。
具体实施时，一种可选的实施方式如下：在额定负荷段使用的额定比例系数一般可选择现有仿真系统对应使用的参数值，第一、第二比例系数则由本领域技术人员根据实际情况以及经验在额定比例系数的基础上进行上下浮动。更优选地，在此基础，对模拟结果和实测曲线进行比对，然后根据比对结果对额定比例系数以及第一、第二比例系数进行优化。这个优化过程可以不断的反馈-优化-反馈-优化，循环进行，不限于一次。
203、实际阀门开度值乘以对应的水轮机模型的比例系数，并乘以理想水轮机传递函数得到机械功率值并输出。
本步骤中将执行机构模型输出的实际阀门开度值乘以对应的水轮机模型的比例系数(由步骤202确定)，并乘以理想水轮机传递函数得到机械功率值并输出。本步骤除使用根据步骤202确定的对应比例系数外，与现有技术大致类似，在此不再赘述。
示例性地，变系数水轮机模型原理图可参见图7所示，其中Tw为水锤效应时间常数，kh为水轮机比例系数上限值，kl为水轮机比例系数下限值。水轮机的负荷与开度值相关，本发明根据实时开度值和分段函数选取不同的比例系数，再乘以y得到理想水轮机模型的输入。当开度较大(对应负荷也较大)时选择比例系数上限值，当开度在额定值附近时选择额定比例系数，当开度较小(对应负荷也较小)时选择比例系数下限值；最终通过理想水轮机模型得到水轮机输出机械功率值Pm，实现全负荷段水轮机开度与功率非线性特性的模拟。
为便于理解，下面举出一种更为具体的实施例，如图8和图9所示，为水轮机输出功率与导叶开度的实测数据和曲线，从中可以看出，水轮机输出功率与导叶开度并不是简单的线性关系。按照本发明实施例的建模方法建模时可以将此曲线用三段直线函数来模拟代替。将开度0～40％划分为低负荷段，开度40％～60％划分为中负荷段，开度60％～100％划分为高负荷段。每段曲线用最小二乘法拟合出一个比例系数作为三段式函数的系数，即水轮机模型的额定比例系数，以及第一、第二比例系数。
本发明基于开度滞环的变时间常数方法对执行机构模型的分段关闭特性进行模拟，接着还可利用分段函数实现全负荷段水轮机开度与功率非线性特性的模拟。该方法不仅可以实现孤岛模式下系统频率的快速、无差调节，还可以使水轮机开度-功率曲线更接近实际，为孤岛系统的安全稳定分析奠定了坚实的基础。
本发明实施例还提供一种水轮机及其调节系统的仿真装置，适用于水轮机及其调节系统的孤岛模式，所述仿真装置包括第一建模模块，所述第一建模模块用于使用基于开度滞环的变时间常数方法搭建执行机构模型，以实现执行机构分段关闭特性的模拟。
具体地，所述第一建模模块，包括：预设子模块，用于预设阀门开度的上限值和下限值；第一选择子模块，用于当阀门开度参考值小于所述下限值时，使执行机构模型的关闭时间常数选择使用慢关时间常数；当所述阀门开度参考值大于所述上限值时，使执行机构模型的关闭时间常数选择使用取快关时间常数；第一计算子模块，用于将阀门开度参考值乘以对应的关闭时间常数，并通过积分环节得到实际阀门开度值。
进一步地，所述仿真装置，还包括：第二建模模块，用于利用分段函数搭建水轮机模型，以实现全负荷段水轮机开度与功率非线性特性的模拟。
具体地，所述第二建模模块，包括：划分子模块，用于将水轮机的全负荷曲线分为若干阶段；第二选择子模块，用于为不同的负荷阶段选择不同的水轮机模型的比例系数，其中，为高负荷阶段选择的所述水轮机模型的比例系数大于为低负荷阶段选择的所述水轮机模型的比例系数；第二计算子模块，用于将实际阀门开度值乘以对应的水轮机模型的比例系数，并乘以理想水轮机传递函数得到机械功率值并输出。
优选地，水轮机的全负荷曲线分为低负荷段、额定负荷段和高负荷段；在所述低负荷段使用第一比例系数，在所述额定负荷段使用额定比例系数，在所述高负荷段使用第二比例系数，所述第一比例系数小于所述额定比例系数，所述第二比例系数大于所述额定比例系数。
需要注意的是，本发明实施例提供的一种水轮机及其调节系统的建模方法以及仿真装置，除上述执行机构和水轮机的建模步骤、模块之外，还包括其它未示出的步骤、模块，例如调速器、发电机的建模方法、步骤以及模块，由于这些并不影响与本发明的具体实施效果，所以在本实施例中并未示出，具体实施时如果有需要，可以参见任何相关的现有技术。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
需要注意的是，在不矛盾的情况下，本实施例所述技术特征可任意相互组合使用。
本发明各实施例中的建模方法，并不仅限于水轮机及其调节系统的建模，还可应用于具有类似特性的发电机组建模中，此处不再一一介绍。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
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