一種水電機組原動機模型選擇方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種適用于電力系統(tǒng)仿真的水電機組原動機模型選取方法，屬于水電機組原動機建模技術(shù)領(lǐng)域，該方法將水電機組原動機系統(tǒng)看成水輪機模型、水擊模型與調(diào)壓室?分叉管模型的組合，包含以下步驟：收集水電機組原動機資料；選擇水輪機模型；選擇水擊模型；考慮是否使用調(diào)壓室?分叉管模型；將選擇的水輪機模型、水擊模型與調(diào)壓室?分叉管模型組合后得完整的原動機模型。該方法具有選取過程簡單、適用條件清晰、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，能夠根據(jù)水輪機類型、Tw/Tr與Tf/Tr值、仿真時間與調(diào)壓室振蕩周期關(guān)系快速選擇最佳的水電機組原動機模型組合。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于水電機組原動機模型研究領(lǐng)域，具體為一種水電機組原動機模型選擇方法，該方法依據(jù)水輪機類型、Tw/Tr與Tf/Tr值、仿真時間與調(diào)壓室振蕩周期關(guān)系選擇水電機組原動機模型。
技術(shù)介紹
水電機組是電力系統(tǒng)的重要組成部分，具有開、停機速度快，能夠快速、靈活地根據(jù)電網(wǎng)需要做出調(diào)整等優(yōu)點，所以是理想的調(diào)頻、調(diào)峰和事故備用電源。水電機組原動機系統(tǒng)由引水道、調(diào)壓室-分叉管、水輪機構(gòu)成，其模型的準(zhǔn)確性對電力系統(tǒng)仿真有重大影響。以往的研究側(cè)重于水電機組原動機系統(tǒng)模型開發(fā)，研究者建立各種各樣的模型，但并未深入研究這些模型的適用條件。在大規(guī)模電力系統(tǒng)仿真中，選擇模型時通常需綜合考慮模型精度和計算量：低精度的模型參數(shù)少，計算量小，但誤差較大；復(fù)雜的高精度原動機模型可以提高仿真精度，也會顯著增加計算量。目前缺乏選擇模型的方法與指導(dǎo)性建議，因此，如何選擇適合于大規(guī)模電力系統(tǒng)仿真的水電機組原動機模型成為新的研究方向。
技術(shù)實現(xiàn)思路
針對目前模型適應(yīng)性研究的不足，本專利技術(shù)在研究模型適應(yīng)性后得到了其適用條件，從而提出一種水電機組原動機模型選擇方法，其特征在于能夠根據(jù)水電機組水輪機類型、Tw/Tr與Tf/Tr值、仿真時間與調(diào)壓室振蕩周期關(guān)系快速、靈活地選取水電機組原動機模型。本專利技術(shù)提供一種水電機組原動機模型選擇方法，包括如下步驟：步驟1在選擇水電機組原動機模型前，首先要收集水輪機、引水管道、調(diào)壓室與調(diào)速器的資料。根據(jù)建模需要，設(shè)計的資料收集表格如下，建模人員需實地調(diào)查、收集并填寫該表格。仿真時間/s水輪機類型(水斗式/混流式)水錘時間常數(shù)(Tw)/s水擊時間常數(shù)(Tr)/s接力器最短開啟或關(guān)閉時間(Tf)/s是否設(shè)置調(diào)壓室(是/否)調(diào)壓室水位上升或下降時間(Th)/s步驟2選擇水輪機模型。解析非線性模型基于水斗式水輪機的孔口出流方程推得，模型參數(shù)不因水輪機工況(出力、水頭等)的改變而變化；理想模型是解析非線性模型在理想、額定工況下的特例；有綜合特性曲線資料的水輪機可用傳遞系數(shù)模型來描述，不同工況下傳遞系數(shù)不同。由于混流式水輪機動態(tài)特性隨工況的改變而變化且其不滿足孔口出流方程，因而解析非線性模型與理想模型可能無法精確地描述混流式水輪機的動態(tài)行為。圖3為解析非線性模型、分段傳遞函數(shù)模型、分參模型與理想模型的動態(tài)過程仿真曲線，比較模型時，應(yīng)以實測曲線作為參考，但因條件限制缺乏真機試驗數(shù)據(jù)，故分析時采用高精度的分參模型仿真曲線代替實測曲線。可知，對于水斗式水輪機，建議選用解析非線性模型與理想模型；對于混流式水輪機，建議選用傳遞系數(shù)模型或者分段傳遞系數(shù)模型；若要使用解析非線性模型，首先要根據(jù)當(dāng)前仿真工況率定其參數(shù)以體現(xiàn)混流式水輪機動態(tài)特性隨工況的改變而變化的特點；但研究時缺乏水輪機原始資料，可使用理想模型。步驟3選擇水擊模型。水擊模型的選取原則是：模型能正確反映系統(tǒng)的動態(tài)特性(即動態(tài)特性原則)，且基本反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性(即穩(wěn)定性原則)，在滿足以上條件下盡量使用簡單模型。圖4以Tw＝2.0，Tw/Tr＝1/2/4時的水擊模型仿真曲線為例來說明Tw/Tr適用性條件；當(dāng)Tw/Tr＞2時，剛性水擊模型和降階彈性水擊模型的動態(tài)曲線基本吻合，由動態(tài)特性原則可知在此條件下可以選用剛性水擊模型；當(dāng)Tw/Tr≤2時，剛性模型反調(diào)峰值過大，這時剛性水擊模型不能反映系統(tǒng)的動態(tài)特性，由動態(tài)特性原則可知該選擇精確度更高的降階彈性水擊模型。圖5以Tf＝4.0，Tf/Tr＝3/6/8時的水擊模型仿真曲線為例來說明Tf/Tr適用性條件。當(dāng)Tf/Tr＞6時，剛性水擊模型和降階彈性水擊模型的動態(tài)曲線基本吻合，由動態(tài)特性原則可知在此條件下可以選擇剛性水擊模型；當(dāng)Tf/Tr≤6時，剛性模型反調(diào)峰值過大，這時剛性水擊模型不能反映系統(tǒng)的動態(tài)特性，由動態(tài)特性原則可知該選擇精確度更高的降階彈性水擊模型。圖6以Tw＝2.0，Tw/Tr＝0.25/0.5/2時水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定域來說明Tw/Tr適用性條件。與剛性水擊模型相比，降階彈性水擊模型Tw/Tr＞2時穩(wěn)定域基本相同，剛性水擊模型基本反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由穩(wěn)定性原則可知在此條件下可以選擇剛性水擊模型；Tw/Tr＜2時，系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域隨著Tw/Tr減小而縮小，剛性彈性水擊模型不能合理地描述系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)域，由穩(wěn)定性原則可知在此條件下不可以選用剛性水擊模型，而該選用降階彈性水擊模型。根據(jù)水擊模型的動態(tài)特性原則和穩(wěn)定性原則可得水擊模型的適用性條件：當(dāng)Tw/Tr≤2或Tf/Tr≤6時，建議選用降階彈性水擊模型；當(dāng)Tw/Tr＞2且Tf/Tr＞6時，可選用剛性水擊模型。步驟4考慮是否使用調(diào)壓室-分叉管模型。考慮是否使用調(diào)壓室-分叉管模型時不僅要考慮水電機組原動機系統(tǒng)的真實情況，而且要考慮仿真時間與調(diào)壓室振蕩周期的關(guān)系。某些機組引水管道較短，并未設(shè)置調(diào)壓室，這時不使用調(diào)壓室-分叉管模型。圖7以某設(shè)置有調(diào)壓室的機組減20％負荷的動態(tài)過程為例來說明調(diào)壓室-分叉管模型的適用性條件。由圖知調(diào)壓室的振蕩周期約為520秒，當(dāng)仿真時間小于1/8振蕩周期(即小于65秒)，含調(diào)壓室與不含調(diào)壓室的兩種模型的機組出力差值在2％內(nèi)，這時可不使用調(diào)壓室-分叉管模型；當(dāng)原動機引水管道有調(diào)壓室，但仿真時間大于1/8振蕩周期(即大于65秒)，由于含調(diào)壓室與不含調(diào)壓室的兩種模型的機組出力差值過大，這時要使用調(diào)壓室-分叉管模型以體現(xiàn)其對機組出力的影響。總體而言，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下有益效果：本專利技術(shù)在選擇模型過程中，將水電機組原動機看成水輪機模型、水擊模型與調(diào)壓室-分叉管模型的組合，分步驟選擇原動機模型。根據(jù)水輪機類型選擇水輪機模型，根據(jù)水錘慣性時間常數(shù)、接力器最短開啟或關(guān)閉時間與水擊時間常數(shù)的比值選擇水擊模型，根據(jù)仿真時間與調(diào)壓室振蕩周期關(guān)系考慮是否使用調(diào)壓室-分叉管模型。本專利技術(shù)方法思路清晰，易于實現(xiàn)，具有較強的實用價值。附圖說明圖1為本專利技術(shù)水電機組原動機模型選擇方法的流程圖；圖2為本專利技術(shù)水電機組原動機模型框圖；圖3為本專利技術(shù)不同水輪機模型仿真曲線；圖4為本專利技術(shù)Tw＝2.0，Tw/Tr＝1/2/4時水擊模型仿真曲線；圖5為本專利技術(shù)Tf＝4.0，Tf/Tr＝3/6/8時水擊模型仿真曲線；圖6為本專利技術(shù)Tw＝2.0，Tw/Tr＝0.25/0.5/2時本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種水電機組原動機模型選取方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：步驟1選擇水輪機模型：步驟2選擇水擊模型：步驟3考慮是否使用調(diào)壓室?分叉管模型：步驟4將選擇的水輪機模型、水擊模型與調(diào)壓室?分叉管模型組合后得完整的原動機模型。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種水電機組原動機模型選取方法，其特征在于，所述方法包括以
下步驟：
步驟1選擇水輪機模型：
步驟2選擇水擊模型：
步驟3考慮是否使用調(diào)壓室-分叉管模型：
步驟4將選擇的水輪機模型、水擊模型與調(diào)壓室-分叉管模型組合后得
完整的原動機模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述的步驟1中可
選的水輪機模型包括理想模型、解析非線性模型、傳遞系數(shù)模型，水輪機
模型適用性條件：當(dāng)水輪機為水斗式水輪機選用解析非線性模型或理想模
型；當(dāng)水輪機為混流式水輪機選擇傳遞系數(shù)模型或者分段傳遞系數(shù)模型；
當(dāng)缺乏水輪機原始資料，選擇理想模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述的步驟2中
可選的水擊模型為降階彈性水擊模型與剛性水擊模型，選擇模型的指導(dǎo)性
原則為動態(tài)特性原則與穩(wěn)定性原則。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉昌玉，何鳳軍，劉肖，田田，
申請(專利權(quán))人：華中科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：湖北;42