一种包含引水系统的调速系统数模混合实时仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种仿真方法，具体涉及一种包含引水系统的调速系统数模混合实时 仿真方法。
【背景技术】
[0002] 随着交直流特高压和750kV系统的发展建设，电网层级增多，直流输电线路增多， 电网运行特性更加复杂，局部的源网协调问题容易导致全网性的影响。同时输电网络的高 速发展为电源的集约化开发创造了条件，大型火电、水电、核电和可再生能源基地的出现， 使电源对电网安全稳定运行的影响更加显著，发电机控制设备的响应特性是影响电源动态 行为的主要因素。调速系统是水电厂最重要的控制设备之一，其主要任务是根据不同的命 令，相应改变水轮机引水系统（导叶、浆叶或喷嘴）的开度调节过机流量，以使水轮发电机 组的转速（或负荷）维持在某一预定值，或按某一预定的规律变化。此外，还可实现对机组 的自动开机、停机、事故停机等各种控制功能。调速系统性能的好坏不仅直接影响到机组的 安全稳定和经济运行，关系到水电厂的综合自动化水平，而且对电力系统的稳定和供电质 量产生很大影响。
[0003] 在以往的研究中，水力系统、机械系统和电力系统常相互独立地由各个领域中的 专家分别研究。这样做的结果是水、机、电系统间的相互影响被不适当地简化，有时甚至被 扭曲了。例如在常规的电力系统暂态稳定计算中，水力系统常采用简单、无损输水管道刚性 水击和理想水轮机模型表示，由于这种模型过于简单，因而难以准确地反映引水系统动态 过程对电力系统暂态稳定的实际影响情况。而在水力系统动态过程研究时，常以独立运行 水轮发电机组为研究对象，采用粗略的同步发电机和电网模型，忽略励磁系统的影响，也就 是说对水轮机和复杂输水系统模型的研究，通常将水电系统分离开，将电力系统简化来进 行研究。因而难以正确反映过渡过程中电力系统对水力系统的影响，据此进行的水力系统 参数整定很难保证在全系统中最优。所以建立水电站水力系统各个组成部分的详细数学模 型，计及过渡过程中各元件的动态特性，分析水电站的动态过程及其对电力系统稳定计算 的影响具有重要的意义。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种包含引水系统的调速系统数模 混合实时仿真方法，采用水轮机及其引水系统和电力系统仿真平台，引水系统可以根据水 电厂实际结构进行自定义，解决了引水系统建模困难的问题并大大提高了数模混合仿真规 模。
[0005] 为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
[0006] 本发明提供一种包含引水系统的调速系统数模混合实时仿真方法，所述方法包括 以下步骤：
[0007] 步骤1 :电力系统仿真平台输送模拟量给调速系统；
[0008] 步骤2 :所述调速系统输送伺服机构指令给包含引水系统的水轮机；
[0009] 步骤3:水轮机将机械功率输送给电力系统仿真平台，实现数模混合实时仿真。
[0010] 所述步骤1中，电力系统仿真平台输送给调速系统的模拟量包括水轮机的机端电 压、水轮机的机端电流、水轮机的有功功率和水轮机的导叶开度反馈。
[0011] 所述水轮机的机端电压用uA、uB、ue表示，U A、UB、Ueg功率放大器转变为0V~100V 的电压信号后，由电力系统仿真平台输送给调速系统；
[0012] 所述水轮机的机端电流用IA、IB、Ie表示，I A、IB、Ie经功率放大器转变为0~1A的 电流信号后，由电力系统仿真平台输送给调速系统；
[0013] 所述水轮机的有功功率和水轮机的导叶开度反馈分别用P、Y表示，P、Y经接口转 换箱转变为4~20mA的电流信号后，由电力系统仿真平台输送给调速系统。
[0014] 所述步骤2中，调速系统接收水轮机的机端电压、水轮机的机端电流、水轮机的有 功功率和水轮机的导叶开度反馈，根据调速系统接收的机端电压频率值与设定的频率参考 值相比较，得到频率偏差值，频率偏差值经过PID环节得到伺服机构指令，调速系统将伺服 机构指令输送给包含引水系统的水轮机。
[0015] 所述引水系统的基本方程包括运动方程和连续方程，所述运动方程和连续方程分 别表示为：
[0016]
[0017]
[0018] 式（1)和（2)中，g表示重力加速度，f表示Darcy-Weisbach摩擦系数，v表示液 体流速，H表示计压水头，D为引水管道断面直径，L表示引水管道的长度，a为管轴与水平 线之间的夹角，a为压力波传播速度，x表示从引水管道入水端算起的距离，t表示时间。
[0019] 所述水轮机为反击式水轮机，主要包括混流式水轮机和轴流式水轮机。
[0020] 所述混流式水轮机的传递函数表示为：
[0021]
[0022] 式（3)中，TW1为压力管道水流惯性时间常数。
[0023] 所述轴流式水轮机的传递函数表示为：
[0024] Gh(s)=-TW2s (4)
[0025] 式（4)中，TW2为压力管道水流惯性时间常数。
[0026] 频率偏差值经过PID环节得到伺服机构指令，具体有：
[0027] A f=fref-fu (5)
[0028]
C6>
[0029] 式（5)、（6)中，A f为频率偏差值，设定的频率参考值，fu为机端电压频率 值，PID^为伺服机构指令，K P为比例增益，K D为微分时间常数，K :为积分时间常数。
[0030] 所述步骤3中，引水系统根据伺服机构指令控制液压伺服机构中的水流量，从而 得到水轮机的机械功率，具体有：
[0031] Ph= 9.81QH (7)
[0032] 式（7)中，匕为水轮机的机械功率，Q为水流量，H表示计压水头。
[0033] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0034] (1)通过采用水轮机及其引水系统电磁暂态模型，解决了现有数模混合仿真技术 中没有引水系统模型的问题；
[0035] (2)选用ADPSS作为电力系统仿真平台，解决了现有数模混合仿真技术难以实现 超大规模电网实时仿真的问题；
[0036] (3)可较高精度地仿真水电站的动态过程中引水系统、机械系统和电气系统的全 过程，对电力系统稳定计算具有重要的意义。
【附图说明】
[0037]图1是本发明实施例中包含引水系统的调速系统数模混合实时仿真方法示意图；
[0038] 图2是本发明实施例中混流式水轮机模型特性曲线图；
[0039] 图3是本发明实施例中轴流式水轮机模型特性曲线图；
[0040] 图4是本发明实施例中某水电站机组一次调频仿真与实测对比曲线图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0042] 本发明提供一种包含引水系统的调速系统数模混合实时仿真方法，所述方法包括 以下步骤：
[0043] 步骤1 :电力系统仿真平台输送模拟量给调速系统；
[0044] 步骤2 :所述调速系统输送伺服机构指令给包含引水系统的水轮机；
[0045] 步骤3 :水轮机将机械功率输送给电力系统仿真平台，实现数模混合实时仿真。
[0046] 所述步骤1中，电力系统仿真平台输送给调速系统的模拟量包括水轮机的机端电 压、水轮机的机端电流、水轮机的有功功率和水轮机的导叶开度反馈。
[0047] 所述水轮机的机端电压用UA、UB、UC表示，UA、UB、U^功率放大器转变为0V~100V 的电压信号后，由电力系统仿真平台输送给调速系统；
[0048] 所述水轮机的机端电流用IA、IB、I e表示，I A、IB、Ie经功率放大器转变为0~1A的 电流信号后，由电力系统仿真平台输送给调速系统；
[0049] 所述水轮机的有功功率和水轮机的导叶开度反馈分别用P、Y表示，P、Y经接口转 换箱转变为4~20mA的电流信号后，由电力系统仿真平台输送给调速系统。
[0050] 所述步骤2中，调速系统接收水轮机的机端电压、水轮机的机端电流、水轮机的有 功功率和水轮机的导叶开度反馈，根据调速系统接收的机端电压频率值与设定的频率参考 值相比较，得到频率偏差值，频率偏差值经过PID环节得到伺服机构指令，调速系统将伺服 机构指令输送给包含引水系统的水轮机。
[0051] 所述引水系统的基本方程包括运动方程和连续方程，所述运动方程和连续方程分 别