水轮机调节系统机组孤立电网运行特性仿真魏守平一．水轮机调节系统机组孤立电网运行特性1 水轮机调节系统孤立电网运行水轮发电机组有多种工作状态：机组开机、机组停机、同期并网前和从电网解列后的空载、小电网或孤立电网运行、以频率 (转速)调节和功率调节并列于大电网运行、水位和/或流量控制等。

被控机组在小（孤立）电网运行称为孤立电网运行（ Isolated Grid Operation），孤立电网运行是指电网中只有一台机组或本台机组容量占电网容量比重相当大的运行方式。

孤立电网运行工况，对于绝大多数大中型机组，这是一种事故性的和暂时的工况，当被控机组与大电网事故解列时，水轮机微机调速器会根据电网频差超差自动转为频率调节模式－工作于频率调节器方式(频率死区E f=0)。

由于被控机组容量占小电网总容量的比例、小电网突变负荷大小和小电网负荷特性等因素的影响，使得这种情况下的调速器的工作条件十分复杂，只能尽量维持电网频率在一定范围内。

如果突变负荷超过小电网总容量的(10~20)％，由于接力器开启时间T q和关闭时间T f的存在，则大的动态频率下降或上升是不可避免的。

对于孤立电网运行工况，调速器应工作于频率调节模式的PID调节。

PID参数的整定则更为复杂了，必需在现场根据机组容量、突变负荷的容量、负荷性质等加以试验整定。

PID 参数的选择原则是:在保证孤立电网运行动态稳定的前提下，尽量选取较大的比例增益K p(较小的暂态转差系数b t)和较大的积分增益K I(较小的暂态转差系数b t和较小的缓冲时间常数T d，使得电网频率动态变化峰值小、向额定频率恢复时间短。

GB/T 9652.2—2007“水轮机控制系统试验规程”规定：“水头在额定值的±10％范围内，机组带孤立的、约为90％额定功率的电阻负荷的条件下，突然改变不大于5％额定功率的负载，用自动记录仪记录频率变化过程。

频率变化的衰减度（与起始偏差符号相同的第二个转速偏差峰值与起始偏差峰值之比）应不大于25％。

”这在实际中是很难实施的。

孤立负载的转速控制一般被定义为对额定频率的最大偏差，是由孤立负载的功率变化引起的。

在通常情况下，经常发生的负荷变化的等级在设计过程和仿真研究中就能被鉴定出来，仿真研究的目的是确定不同数值的发电机惯性、水流惯性、接力器开启时间T q和关闭时间T f对频率变化影响，以及验证频率偏差是否保持在所要求的限制范围内。

对接力器运动过程中起到速率限制的接力器开启时间T g和接力器关闭时间T f、对接力器运动过程中起到极端位置限制的接力器完全开启位置(y=1.0)和接力器完全关闭位置(y=0)等，是接力器运动过程中的主要非线性因素。

如果按照水轮机调节系统运行和试验中的动态过程中，接力器运动是否进入了上述接力器的非线性区域，来划分水轮机调节系统动态过程特征，我们可以将水轮机调节系统运行和试验中的动态过程划分为大波动(大扰动)和小波动(小扰动)动态过程。

水轮机调节系统的孤立电网运行特性是具有大波动特征的动态过程。

2 对孤立电网运行的水轮机调节系统动态特性的技术要求1). GB/T 9652.2-2007 《水轮机控制系统试验规程》有关机组带孤立负荷(机组孤立电网运行)试验的规定：“6.22孤立负荷试验水头在额定值的±10％范围内，机组带孤立的、约为90％额定功率的电阻负荷的条件10下，突然改变不大于5％额定功率的负载，用自动记录仪记录频率变化过程。

频率变化的衰减度（与起始偏差符号相同的第二个转速偏差峰值与起始偏差峰值之比）应不大于25％。

当不具备真实孤立负荷试验条件时，如用户要求，可采用孤立电网运行仿真试验，此时发电机组并入真实电网运行，将机组数字模型（机组模型应计入机组惯性、负荷惯性和被调节系统的自调节系数）的频率输出信号引至电调频率输入口，代替被测电网频率信号。

这种在线仿真已包括真实的水力系统动态响应，仅忽略了被测机组转速变化对水轮机流量的影响。

”2). 工程实际对孤立电网运行的水轮机调节系统的技术要求(1). 应该保证孤立电网运行的电力系统稳定运行。

(2).电网突减或突加负荷的动态过程应该满足下列要求：①. 对于电网突加负荷的工况，尽量增大电网突加负荷动态过程中的电网频率谷值f min (最小值)，对于电网突减负荷的工况，尽量减小电网突减负荷动态过程中的电网频率峰值f max (最大值)。

②. 对于电网突加负荷的工况，在电网突加负荷动态过程中，尽量缩短电网频率从频率谷值f min (最小值)至稳定值的调节时间。

对于电网突减负荷的工况，在电网突减负荷动态过程中，尽量缩短电网频率从频率峰值f max (最大值)二．孤立电网运行特性仿真结果1.仿真策略在进行水轮机调节系统孤立电网运行特性的每一次仿真中，我们的仿真策略是“1个(组)仿真目标参数的3个(组)数值仿真”，也就是说，在每次仿真中，采用选择的1个(组)仿真目标参数的3个(组)数值进行，将这3个仿真的动态过程的仿真变量波形和全部仿真参数在1个仿真图形中表示。

在本章的水轮机调节系统机组孤立电网运行仿真中，显示了电网频率f(也就是孤立电网频率)和接力器行程y的动态波形和所有的仿真参数。

动态波形的纵坐标显示了电网频率f和接力器行程y等2个变量，电网频率f是以赫芝(Hz)为单位，接力器行程y是以相对值显示；动态波形的横坐标是时间坐标t，单位是秒s。

为了便于比较、分析和研究某一个(组)参数的取值对水轮机调节系统动态特性的作用，在其他的水轮机调节系统参数相同的条件下，选定1个或1组(数个)仿真目标参数，并选择各自3个不同的数值进行仿真，同时得到与之对应的3个仿真结果。

第1个(组)变量对应的仿真曲线是红色点画线，第2个(组)变量对应的仿真曲线是黑色实线，第3个(组)变量对应的仿真曲线是蓝色虚线。

在仿真波形图中的仿真参数显示区，标示了仿真采用的水轮机调节系统全部参数，在参数显示区的下部用红色、黑色和蓝色标示了3个(组)仿真目标参数，它们分别与红色、黑色和蓝色的仿真动态仿真波形对应。

2.仿真标注在仿真项目中设置了“仿真标注”变量。

“仿真标注”变量为空时，仿真结果中没有显示；针对具体水电站的某台机组仿真，可以键入“[###水电厂#号机]”、“[仿真人员]”或[仿真简要说明]，在仿真结果波形图上会显示相应内容。

3．水轮机调节系统机组单调节和双调节动态特性1).调节方式变量K12考虑了水轮机调节系统的单调节和双调节特性，引入了调节方式变量K12。

仅仅在水轮机调节系统的大波动（机组1段导叶接力器关闭甩负荷、机组2-3段导叶接力器关闭甩负荷和机组在孤立电网运行等工况）仿真中考虑了机组的单调节和双调节特性并使用调节方式变量K12。

(1).K12=1:仿真系统在单调节方式运行，仿真人机对话界面上的桨叶接力器参数（桨叶关闭时间Tjf、桨叶开启时间Tjg和桨叶延迟关闭时间Tjys）不起作用，仿真结果中也不显示和双调节有关的参数。

(2). K12=2.0-3.7:仿真系统在双调节方式运行，仿真结果中会显示与双调节有关的参数（桨叶关闭时间Tjf、桨叶开启时间Tjg和桨叶延迟关闭时间Tjys）。

由于桨叶关闭时间Tjf和桨叶开启时间Tjg均明显分别小于桨叶关闭时间Tj和桨叶开启时间Tj，所以，双调节机组在波动大的动态过程中(例如机组甩负荷动态过程和孤立电网大负荷变化)的机组效率，将随着偏离协联工况的程度而下降，软件中设置了18种体现协联特性导致的机组效率下降的协联特性系数K12可供选择；K12的数值愈大，在同样偏离协联工况程度的工况下，水轮机在非协联工况下的机组效率下降愈大。

在机组导叶接力器1段、2-3段关闭甩负荷仿真及机组在小电网运行方式的仿真界面中，包含有桨叶接力器开启时间Tjg和桨叶接力器关闭时间Tjf(单位为秒(s)，均为折算为桨叶接力器全行程时间)；在2段和3段关闭甩负荷仿真的“桨叶延迟关闭时间”仿真项目中，还有桨叶延迟关闭时间(Tjys)的仿真变量。

4.动态过程稳定时间我们定义，从突变负荷开始，到机组转速进入机组转速相对偏差小于±0.2％(绝对值为±0.1Hz)为止的时间，也就是电网频率恢复到 (49.9Hz ~50.1Hz)之内的时间称之为突加负荷的调节稳定时间t E。

在仿真结果的波形图中，分别标出了电网频率49.9Hz和50.1Hz等2条蓝色实线，这2条蓝色实线之间的宽带，就是突加负荷后，电网频率调节稳定区域。

图中还还标出了电网频率49.8Hz和50.2Hz这2条黑色实线供参考。

在水轮机调节系统机组孤立电网运行仿真中，采用下列主要变量及参数符号：p－发电机有功功率；f－孤立电网运行频率 (Hz)；t－时间s；Δy PI－突加负荷后，接力器开度的直线段调节分量。

f m-突加负荷后机组最小频率(Hz)，M p=(50.0- f m)/50.0-甩负荷后机组最小转速下降率，最大频率下降相对值，t M－从突加负荷开始至转速降至最低转速所经历的时间s，t E-从机组突加负荷时起，到机组转速相对偏差小于±0.2％(绝对值为±0.1Hz) 为止的调节时间s，即电网频率恢复到 (49.9Hz ~50.1Hz)之内的时间。

为了适应孤立电网运行动态过程的向上向下扰动的工况，在仿真参数中，设置了可以修改的仿真结果动态波形图的坐标最大值fmax和坐标最小值fmin。

仿真结果动态波形图中的仿真参数显示区，会随着坐标最小值fmin的设定而跟随移动。

恰当地选择波形图的坐标最大值fmax和坐标最小值fmin的数值，可以使仿真结果动态波形图的显示布局更为合理和清晰。

6. STXTFZ-1水轮机调节仿真决策支持系统的决策支持根据工程实际中出现的问题, STFZXT-1水轮机调节仿真决策支持系统可以进行有针对性问题的水轮机调节系统仿真,为解决实际问题和改善其动态特性提供决策支持；特别是对于水电站从事水轮机调节的技术人员和水轮机调速器生产厂家的现场调试技术人员，提供了一种快速简单可靠的仿真分析手段；也是调速器生产厂家的设计人员的理想工具。

在仿真中对仿真的动态过程的动态特性性能指标进行了分析，并对其动态特性类型进行了分类(迟缓型、优良型、振荡型等)，为如何修改PID参数以优化系统动态性能提供了决策支持。

7. 双调节机组在小电网中运行特点*电网突加20%额定负荷的单调节机组动态特性单调节机组：K12=1.0，导叶接力器关闭时间Tf=10.0s，导叶接力器开启时间Tg=20.0s。

*电网突加20%额定负荷的双调节机组动态特性桨叶接力器关闭时间Tjf=30s，桨叶接力器开启时间Tjg=30s。

*电网突减20%额定负荷的单调节机组动态特性单调节机组：K12=1.0，导叶接力器关闭时间Tf=10.0s，导叶接力器开启时间Tg=20.0s。