一種水輪機組暫態模型的仿真方法
2023-05-15 08:23:46 1
一種水輪機組暫態模型的仿真方法
【專利摘要】本發明公開了一種水輪機組暫態模型的仿真方法，包括如下步驟：建立水輪機調速器模型和水輪機模型；基於所建立的水輪機調速模型構建水輪機調速器計算模型，基於所建立的水輪機模型構建水輪機計算模型；根據水輪機調速器計算模型作水輪機調速器功率輸出的仿真；根據水輪機調速器的功率輸出結果和水輪機計算模型作水輪機功率輸出的仿真；本發明能夠提高水輪機組仿真效率，且在有功平衡仿真的時間尺度內能夠保證足夠的仿真精度。
【專利說明】-種水輪機組暫態模型的仿真方法
【技術領域】
[0001]本發明設及一種電力系統【技術領域】，具體為一種水輪機組暫態模型的仿真方法。
【背景技術】
[000引電力系統是一個由發電、輸電、變電、配電和用電等設備，W及輔助控制設備和保 護系統構成的超大規模複雜系統，組成元件眾多。電力系統的功能是將自然界的一次能源 通過發電動力裝置轉化成電能，再經輸電、變電和配電將電能供應到各用戶。電能質量指標 主要有頻率、電壓等，其中頻率既是表徵電能質量的主要指標，又是系統運行的重要參數， 因此維持頻率在計劃值附近對於電力系統穩定運行有著重要的意義。而使頻率保持在計劃 值附近的前提便是電力系統有功功率的平衡。
[0003] 電力系統有功功率平衡是一個極其複雜的過程，其平衡過程設及因素眾多，具有 多時間尺度、多手段的特點。為了有效地完成互聯電網的有功功率平衡，需要更加深入的研 究；同時由於電力是國家經濟的命脈，電力系統的安全穩定運行對於工業生產和人民生活 有著重要意義，因此，有關有功平衡方面的研究成果在試驗階段不可能直接運用於實際的 電力系統，否則一旦發生事故，將導致生產停頓、生活混亂、甚至危及人身和設備安全，形成 十分嚴重的後果，該樣給國民經濟造成的損失會遠遠超過電力系統本身的損失。
[0004] 為了避免上述提到的不必要的損失，實際操作中通過在仿真系統中的相關試驗來 驗證研究方案在所有可能面臨的運行條件下均具有正確性和可靠性；因此，採用準確易用 的仿真平臺及方式對於電力系統有功功率平衡的相關研究十分重要。現有技術中的仿真 平臺及仿真方式主要有W下幾種；①基於設備暫態模型的仿真，該種仿真方式動態過程刻 畫精細準確、模型參數複雜、仿真時間較長、由於有功平衡仿真是面向分鐘及小時量級的中 長時間尺度的系統運行動態仿真，不關注秒級尺度的動態過程，且對仿真效率要求較高； ②針對大範圍電網的穩態仿真，如電網的潮流計算等，該種仿真方式完全忽略所有中間動 態過程，只能給出最後的穩態結果；⑨基於代數運算與抽象模型的仿真，如文獻化Ba and Wei-Dong Li.A Simulation Scheme for AGC 民elevant Studies. IEEE Transactions on Power Systems, 2013, 28(4) :3621-3628?提出的仿真方式，其稜屯、是臥能量守恆定律為基 礎，且將機組模型抽象為端部特性參數，具有模型參數簡單、仿真效率高等優點，更適合於 有功平衡所需的多區域長時間仿真研究，但是由於該種方式採用簡單而統一的端部輸出特 性參數描述方式，不能區分各類機組間的性能差異，造成中長期動態仿真過程誤差過大，不 能很好地滿足有功功率平衡研究的仿真精度需求。
[0005] 綜上所述，第①種仿真方式模型過於精細造成仿真時間過長，難W實用；而有功功 率平衡仿真注重分鐘?小時時間尺度內整個系統的動態過程，對動態細節要求不高；同時 第①種仿真方式大量採用微分方程進行建模，而對於微分方程求解往往基於迭代法，需要 大量計算，仿真效率比較低，尤其是當有功平衡研究經常需要長時間（如月、年）仿真時，會 造成仿真耗時過長；第②種仿真方式是針對大範圍電網穩態仿真，只保留穩態結果，並無動 態過程，而有功平衡相關仿真研究，需要對系統中各類發電機組進行模擬，並針對負荷秒至 分鐘級的波動而進行調整，因此第②種仿真方式並不適用於有功平衡仿真；第⑨種仿真方 式雖然簡化了模型且提高了仿真效率，但採用統一模型忽略了各類機組性能差異，在有功 平衡仿真的時間尺度上會造成一定誤差，導致仿真動態過程精度不夠，而有功平衡仿真通 常需要反映不同類型機組如汽輪機組、水輪機組等的特性差異；若為保證仿真精度，則必須 採用暫態模型，勢必造成仿真效率低下，難W實用；若採用簡單的抽象模型，仿真效率雖然 得W保證，但會導致仿真動態過程不夠準確，仿真結果不能起到實際的指導作用。
【發明內容】
[0006] 本發明針對W上問題的提出，而研製一種水輪機組暫態模型的仿真方法。
[0007] 本發明的技術手段如下：
[000引一種水輪機組暫態模型的仿真方法，包括如下步驟；
[0009] 步驟1 ;建立水輪機調速器模型和水輪機模型；
[0010] 將水輪機調速器的功率輸出APcv通過一階慣性環節、積分環節和比例環節的形 式表示；所述一階慣性環節、積分環節和比例環節的形式為AC，，=^、= - -f \ ~\ e = P"〇-b-Af、6=《+a A戶其中S為拉普拉斯算子、丄為比例環節的比 V 」 Tg 例係數、Tp為一階慣性環節I的時間常數、P。為給定參考功率、O為水輪機調速器的靜態調 差率、Af為給定頻率偏差、5為水輪機調速器的瞬態調差率、Tk為一階慣性環節II的時間 常數；
[0011] 將水輪機的功率輸出Pm通過比例環節和一階慣性環節的形式表示；所述比例環節 和一階慣性環節的形式為=戶+1 + 057 r屍";其中T，為水啟動時間、AP CV為水輪機 功率輸入即水輪機調速器的功率輸出；
[0012] 步驟2 ;基於所建立的水輪機調速模型構建水輪機調速器計算模型，基於所建立 的水輪機模型構建水輪機計算模型；
[0013] 通過
【權利要求】
1. 一種水輪機組暫態模型的仿真方法，其特徵在於包括如下步驟： 步驟1:建立水輪機調速器模型和水輪機模型； 將水輪機調速器的功率輸出APct通過一階慣性環節、積分環節和比例環節的形式表
數、Tp為一階慣性環節I的時間常數、P^為給定參考功率、〇為水輪機調速器的靜態調差 率、Af?為給定頻率偏差、S為水輪機調速器的瞬態調差率、TkS-階慣性環節II的時間常 數； 將水輪機的功率輸出Pm通過比例環節和一階慣性環節的形式表示；所述比例環節和一
輸入即水輪機調速器的功率輸出； 步驟2 :基於所建立的水輪機調速模型構建水輪機調速器計算模型，基於所建立的水 輪機模型構建水輪機計算模型；
環節的比例係數，PtlU)為當前仿真周期的給定參考功率輸入函數，〇為水輪機調速器的靜 態調差率，Af(t)為當前仿真周期的給定頻率偏差輸入函數，S為水輪機調速器的瞬態調 差率，1為第一預設比例係數，APCT(t_l)為上一仿真周期的水輪機調速器功率輸出函數， !^為一階慣性環節II的時間常數，ygl(t)、e(t)、b(t)、yg2(t)為當前仿真周期的中間計算結 果，ygl (t-1)、yg2 (t-1)為上一仿真周期的中間計算結果； 通過Pm (t) = 3Xyh (t) -2XAPw⑴表示水輪機計算模型；其中
t為當前仿真周期，PM(t)為當前仿真周期的水輪機功 率輸出函數，Kh為第二預設比例係數，APCT(t)為當前仿真周期的水輪機調速器功率輸出函 數，1；為水啟動時間，yh(t)為當前仿真周期的中間計算結果，yh(t-1)為上一仿真周期的中 間計算結果； 步驟3 :根據水輪機調速器計算模型作水輪機調速器功率輸出的仿真； 步驟31 :設定一階慣性環節II的時間常數Tk、第一預設比例係數Kg，輸入上一仿真 周期的水輪機調速器功率輸出函數APctU-I),同時結合上一仿真周期的中間計算結果
步驟32 :設定水輪機調速器的靜態調差率〇和瞬態調差率S，輸入上一仿真周期的水 輪機調速器功率輸出函數APctU-I)，同時結合前一步驟輸出的中間計算結果yg2(t)，利用 b(t) = (5 + 〇)APw(t-l)_5yg2(t)進行仿真輸出中間計算結果b(t); 步驟33 :輸入當前仿真周期的給定參考功率輸入函數PJt)和給定頻率偏差輸入函 數Af(t)、設定水輪機調速器的靜態調差率〇，同時結合前一步驟輸出的中間計算結果 b(t)，利用e(t) =PQ(t) 〇-b(t)_Af(t)進行仿真輸出中間計算結果e(t);
步驟35 :結合前一步驟輸出的中間計算結果ygl(t)，利用= 得出當前仿 真周期的水輪機調速器功率輸出APct; 步驟36 :更新仿真周期t=t+AT，其中AT為設定的仿真時間步長； 步驟37 :重複步驟31至步驟36直至仿真完成； 步驟4 :根據水輪機調速器的功率輸出結果和水輪機計算模型作水輪機功率輸出的仿 真； 步驟41 :輸入水啟動時間！；，設定第二預設比例係數Kh，設置APCT(t)為水輪 機調速器的功率輸出結果APct，結合上一仿真周期的中間計算結果yh(t-l)，利用
步驟42:設置APCT(t)為水輪機調速器的功率輸出結果APct，結合前一步驟輸出的中 間計算結果yh(t)，利用PM(t) =3Xyh(t)-2XAPCT(t)得出當前仿真周期的水輪機功率輸 出Pm; 步驟43 :更新仿真周期t=t+AT，其中AT為設定的仿真時間步長； 步驟44 :重複步驟41至步驟43直至仿真完成。
2. 根據權利要求1所述的一種水輪機組暫態模型的仿真方法，其特徵在於在基於水 輪機調速模型來構建水輪機調速器計算模型的過程中，將水輪機調速模型的各一階慣性環 節的積分表示形式中的ygl(t)、yg2(t)採用各自上一仿真周期的中間計算結果ygl(t-l)、 yg2(t_l)來替代。
3. 根據權利要求1所述的一種水輪機組暫態模型的仿真方法，其特徵在於在基於水輪 機模型來構建水輪機計算模型的過程中，將水輪機模型的一階慣性環節的積分表示形式中 的yh(t)採用上一仿真周期的中間計算結果yh(t-l)來替代。
4. 根據權利要求1所述的一種水輪機組暫態模型的仿真方法，其特徵在於所述仿真時 間步長AT< 0.Is。
5. 根據權利要求1所述的一種水輪機組暫態模型的仿真方法，其特徵在於所述水輪機 調速器為機械液壓調速器或電氣液壓調速器。
6. 根據權利要求2所述的一種水輪機組暫態模型的仿真方法，其特徵在於， 水輪機調速模型的一階慣性環節的積分表示形式中的ygl(t)經上一仿真周期的中間
7. 根據權利要求3所述的一種水輪機組暫態模型的仿真方法，其特徵在於水輪 機模型的一階慣性環節的積分表示形式中的yh(t)經上一仿真周期的中間計算結果
8. 根據權利要求1所述的一種水輪機組暫態模型的仿真方法，其特徵在於針對
【文檔編號】G06F17/50GK104504224SQ201510023327
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月16日 優先權日:2015年1月16日
【發明者】劉嬈, 沈碩, 王海霞, 巴宇, 呂泉, 李衛東 申請人:大連理工大學