丹江电厂4号机组调速系统建模与仿真

彭天波，陈 杰

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.丹江水力发电厂，湖北 丹江 442700）

丹江电厂4号机组调速系统建模与仿真

彭天波1，陈 杰2

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.丹江水力发电厂，湖北 丹江 442700）

以丹江电厂4号机组为例，进行了调速系统参数现场测试，得出了水轮机调节系统各环节的重要参数，建立了水轮机调节系统在并网状态下的模型，满足了电力系统稳定计算的要求。

混流式水轮发电机组；参数测试；调速系统建模；仿真

0 引言

电力系统的计算分析、规划运行或控制保护都必须建立在准确可信的数学模型的基础上，这些数学模型包括：发电机、励磁系统，原动机及调速系统以及综合负荷模型等。随着我国“西电东送、南北互供和全国联网”工程的逐步推进，对电力系统稳定提出了更高的要求。调速系统模型参数作为电力系统四大模型参数之一，对于系统稳定特别是中长期稳定有较大的影响。调速系统对于承担系统的调频、调峰任务，维护系统的稳定和提高电能质量都起着重要的作用。

目前电网稳定计算分析中采用的调速器模型多为早期缓冲式调速器的数学模型，模型参数也一直沿用计算程序本身的典型参数，这种状况对电网的相关分析计算，特别是西电东送动态稳定的计算带来较大误差。开展对发电机组调速系统的参数实测工作，并通过对调速器数学模型的研究和仿真计算，建立更为准确的调速系统的计算模型，以便进一步提高系统稳定计算的精度为电力系统安排运行方式提供更为可靠的依据。

本文以丹江电厂4号机组为例，进行了调速系统参数现场测试，得出了水轮机调节系统各环节的重要参数，建立了水轮机调节系统在并网状态下的模型和数据，满足了电力系统稳定计算的要求。

1 技术标准和规程规范

调速系统建模试验主要依据以下标准：

Q/GDW 748—2012《同步发电机原动机及其调节系统参数实测与建模导则》。

2 调速系统建模参数测试方法及试验结果

调速系统建模试验包含的内容见表1。

表1 调速系统建模试验内容及要求

2.1 接力器关闭规律试验

关闭进水闸门，做好现场各项安全措施，从调速器控制柜接入导叶开度、机组频率、机组功率等信号至调速器测试仪。检查紧急停机与复归电磁阀动作正常后进行接力器关闭规律试验。

将开度限制机构置于全开位置，进行接力器全开、全关过程。

表2 接力器关闭规律试验记录表

试验结果见表2。关闭规律录波图见1所示。

图1 导叶开关试验曲线

2.2 调速器静特性试验

先将调速器的KP、KI、KD分别置于整定值，人工死区设置为0 Hz。

在机柜端子上加上信号源50.00 Hz，手动将导叶开度调至50%，模拟并网信号，切为自动方式运行。

将变频信号源的输出频率上升，接力器向关闭方向移动，当接力器行程小于10%时，频率停止上升，待接力器稳定后，以此点作为起始点。降低变频信号源频率，每次降低0.1 Hz，每次待接力器平稳后再进行下一次变动，直到接力器行程超过90%，获得调速器降频静特性。

将变频信号源的输出频率下降，接力器向开启方向移动，当接力器行程大于90%时，频率停止降低，待接力器稳定后，以此点作为起始点。升高变频信号源频率，每次升高0.1 Hz，每次待接力器平稳后再进行下一次变动，直到接力器行程低于10%时，停止升高频率，获得调速器升频静特性。

试验结果见图2所示，试验数据见表3。

调速器静态特性曲线：

图2 调速器静特性试验曲线（bp=4%）

表3 测试数据列表

表4 调速器静特性试验结果

2.3 频率给定扰动测量接力器反应时间Ty

蜗壳未充水，调速器处于自动运行方式；切除人工死区；置增益为整定值，频率给定为额定值；机组模拟并网（断路器位置信号短接）。

试验结果见表5，试验录波图见图3～图6。

表5 接力器反应时间Ty实测值

2.4 并网条件下的频率扰动试验测量人工频率死区

在机柜端子上加50 Hz稳定信号，模拟并网信号，手动接力器行程稳定于约50%附近，调速器模拟机组并网带负荷工况，自动开度模式运行，人工频率死区置为：E=±0.05 Hz。

使频率给定发生阶跃扰动，扰动量为±0.2 Hz、±0.22 Hz、±0.3 Hz记录接力器行程的变化过程以及调速器人工频率死区设定值。

接力器行程稳定于约20%附近，将人工频率死区置为E=±0.05 Hz，以0.01 Hz步长将机频由50 Hz逐次降到49.8 Hz，稳定后返回50 Hz；然后再由50 Hz逐次加到50.2 Hz，稳定后返回。测出在设定频率死区下导叶接力器的开度与频率的关系，计算其实测值与误差值。

试验结果见图7所示，实际人工死区为0.05 Hz。调速器建模人工死区采用值0.05 Hz。

图3 -0.2 Hz频率扰动试验

图4 -0.5 Hz频率扰动试验

图5 +0.2 Hz频率扰动试验

图6 +0.5 Hz频率扰动试验

图7 人工频率死区测量录波图

2.5 并网条件下的频率扰动试验测量动态响应时间

机组带负荷稳定运行，调速器处于自动运行方式。

机组带负荷运行，用调速器测试仪改变输入调速器的频率，模拟改变电网频率。把测试仪输出的额定频率信号接入调速器的机频信号输入端，分别于额定网频基础上施加正负阶跃偏差频率信号（0.1Hz、-0.1Hz、0.2 Hz、-0.2Hz、0.3Hz、-0.3Hz，每个模拟网频信号持续60s以上，以接力器稳定时间为准），用调速器测试仪分别对模拟网频频率、有功功率和导叶开度信号进行录波。

试验结果见表6，试验数据文件和曲线应用于调速系统建模，试验示波图见图8～图13。

表6 并网频率扰动试验结果

图8 -0.1 Hz频率扰动试验

图9 +0.1 Hz频率扰动试验

图10 -0.2 Hz频率扰动试验

图11 +0.2 Hz频率扰动试验

图12 -0.3Hz频率扰动试验（功率波动是因为进入振动补气区）

图13 +0.3 Hz频率扰动试验

3 水轮机及其调速系统模型参数与仿真验证

3.1 水轮机及其调速系统自定义模型及参数

自定义调速器模型见图14和图15，自定义机组-引水道模型见图16，与模型对应参数见表7。

图14 调速器电气部分（控制器）模型

图15 调速器液压系统模型

3.2 水轮机及其调速系统自定义模型仿真验证

3.2.1 调速器模型仿真效验

自定义调速器模型仿真结果见表8，自定义调速器模型仿真与实测过程比较见图17。

图17 调速器模型仿真与实测过程比较

3.2.2 机组-引水道模型参数辨识与仿真效验

辨识用数据实测动态过程见图18，机组-引水道模型参数辨识结果见表9，机组-引水道模型仿真结果见表10，机组-引水道辨识效果见图19。

表7 自定义模型参数

表8 自定义调速器仿真结果

表9 机组-引水道参数辨识结果

表10 机组-引水道模型仿真结果

3.3 水轮机及其调速系统PSASP6.28模型及参数

调速器控制器（数字控制系统）模型见图20，调速器液压系统（含执行机构）模型见图21，水轮机模型见图22，与模型对应参数见图23及图24。

图18 实测动态过程

图19 机组-引水道辨识效果图

图20 调速器控制器（数字控制系统）模型

图21 调速器液压系统（含执行机构）模型

图22 水轮机模型

3.4 PSASP模型仿真效验

PSASP模型仿真结果见表11和表12，模型仿真与实测过程比较见图25。

图23 数字控制系统参数

图24 液压系统及水轮机参数

表11 PSASP模型仿真校验结果（开度）

表12 PSASP模型仿真结果（功率）

图25 PSASP模型仿真与实测过程的比较

4 结论

根据丹江电厂4号机组的现场实测参数和数据，建立了4号机组水轮机调节系统在并网状态下的数学模型，并进行参数辨识。仿真表明所建模型能较好地反映系统在并网状态下对频率变化的动态响应。本文提供了两种模型和参数供电网稳定计算时选用。

［1］魏守平.现代水轮机调节技术［M］.武汉：华中科技大学出版社，2000.

［2］彭天波.水轮机调速器建模参数测试理论与应用研究［J］.水电站机电技术，2008（4）.

TV734.4

B

1672-5387（2016）10-0011-06

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.004

2016-06-28

彭天波（1966-），男，高级工程师，从事水电厂经济运行与控制工作。