PSD-BPA程序内水轮机仿真模型的改进

陈琳，李玺，徐广文，孙建平，田丰

(1.华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003；2.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)



PSD-BPA程序内水轮机仿真模型的改进

陈琳1，李玺2，徐广文2，孙建平1，田丰2

(1.华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003；2.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

为提高PSD-BPA暂态程序中水轮机仿真模型的仿真精度，给电力系统稳定计算提供更加精确的机组仿真模型，以水轮机线性化模型为基准，分析水轮机仿真模型仿真结果与实际相差较大的原因，并对模型进行改进，在水轮机力矩对开度传递系数处添加机组出力P与导叶开度Y的关系曲线模块(简称出力-开度模块)，并在模型中添加偏差求取模块，形成改进的水轮机模型。对模型进行验证，仿真结果与实测曲线吻合度高，实时验证模型仿真结果是否符合标准，可大大提高水轮机仿真模型的仿真精度。

PSD-BPA暂态程序；水轮机模型；出力-开度模块；电力系统稳定计算

目前，电力系统仿真重要研究课题有励磁系统、发电机、负荷特性辨识和调速系统建模，其中，调速系统建模发展相对滞后，种类繁多[1]。国内常用的电力系统稳定计算分析软件PSD-BPA暂态程序水轮机仿真模型采用的是理想水轮机经典模型，假设水轮机在理想无损状态下、在额定工况点附近运行，并且忽略水轮机转速影响等因素[2-3]，只是对水轮机特定工况进行模拟，当工况变化时，其仿真结果与实测曲线的吻合度并不高。文献[1]针对原动机的强非线性，对非线性模型进行改进，建立了适用于电力系统稳定计算的水轮机调速系统原动机模型；文献[2]介绍了PSD-BPA暂态程序中适用于水轮机微机调速器的模型及其应用；文献[3]分别对水轮机非线性模型、线性模型和经典模型进行了动态仿真，比较研究了不同模型的适用范围。本文主要针对PSD-BPA中仿真精度不高的水轮机仿真模型进行改进，提高模型仿真精度，实时计算仿真曲线与实测曲线在反调峰值功率、反调峰时间以及调节时间上的偏差，可直接依据导则标准验证模型的仿真效果。

1 水轮机经典模型

初始工况为额定值时的小波动过程可考虑使用水轮机经典模型。水轮机经典仿真模型属于线性化模型的特例，线性化模型传递函数为[4]

(1)

式中：G(s)为线性化模型传递函数；Tw为水流惯性时间常数；e=(eheqy/ey)-eqh，eh为水轮机力矩对水头的传递系数，eqy为水轮机流量对开度传递系数，eqh为水轮机流量对水头传递系数，ey为水轮机力矩对开度的传递系数。

经典模型结构如图1所示，是线性化模型系数eqy=1,eqh=0.5,eh=1.5,ey=1条件下的结果，将引水系统设为刚性水击模型而得到，描述了水轮机输出功率P随导叶开度Y的变化规律。式(1)中的ey能较好地反映不同运行工况下水轮机一次调频的响应特性，ey=1，忽略了各种损耗以及转速的影响。

图1 水轮机经典模型结构

对某水电厂1号机组一次调频试验及现场实测数据进行仿真模型验证。图2为频率阶跃扰动+0.2 Hz时，水轮机的仿真响应与实测曲线的对比[5-6]。

1—现场实测曲线；2—模型仿真曲线。图2 水轮机模型仿真结果与实测曲线对比

由图2可以看出，水轮机模型仿真曲线与实测曲线虽然整体变化趋势相近，但吻合度不高，最后达到稳定时的稳定值也相差很大。

2 改进水轮机模型

水轮机线性化模型中的传递系数ey可以通过现场试验进行修正与验证，即在ey处添加机组出力与导叶开度关系曲线模块(简称出力-开度模块)、在模型中添加偏差求取模块，便可提高模型仿真响应曲线的吻合度并实时校验系统暂态运行结果的准确度。

2.1 出力-开度模块

在PSD-BPA暂态程序的水轮机模型中，用机组导叶开度与出力关系曲线来修正传递系数ey，用最小二乘法对机组出力与对应导叶开度的关系曲线进行拟合[7]，拟合得到两者之间的关系式形式为

P=AY3+BY2+CY+D.

(2)

图3 加入出力-开度模块的水轮机模型结构

根据某水电厂1号机组一次调频试验及现场实测数据拟合得到的参数：A=-0.223，B=-0.067，C=1.201，D=-0.240。利用此改进模型作频率阶跃扰动+0.2 Hz时的仿真响应，实测曲线与仿真响应曲线对比如图4所示。

1—现场实测曲线；2—模型仿真曲线。图4 水轮机模型仿真结果与实测曲线对比

由图4可以看出，加入出力-开度模块的仿真曲线与实测曲线的变化趋势以及最后的稳定值都高度近似，两条曲线的吻合度很高，说明加入出力-开度模块后的水轮机模型能比较准确地反映系统暂态运行过程中水轮机的实际工作状况。

2.2 偏差求取模块

根据文献[9]的导则可知，仿真建模得到的机组电功率与实测电功率误差标准满足表1的要求[9]。

表1 水轮机模型仿真与实测数据的偏差允许值

品质参数偏差允许值(实测值与仿真值的差)反调峰值功率PRP/MW±10%的功率实测变化量反调峰值时间TRP/s±0.2调节时间ts/s±2.0

表1的参数均针对水轮机频率阶跃试验，反调峰值功率PRP是指起始功率与反调功率最大值的差值；反调峰值时间TRP是指从阶跃量加入起到反调功率达到最大值时所需要的时间间隔；调节时间ts是指从起始时间开始，到被控量达到与最终稳态值之差的绝对值始终不超过5%阶跃量稳态值的最短时间，其中，将反调峰功率偏差为±10%的功率实测变化量代入可得试验实测数据是±0.24 MW。

在出力-开度模块模型中加入偏差求取模块，最终的模型结构如图5所示。

图5 加入偏差求取模块的水轮机模型结构

图5的偏差求取模块中，包含一个内部输入，输入对应时间下的实测数据；外部输入即为仿真所得数据，根据表1的3个品质参数，利用仿真与实测数据，用随机搜索法在偏差求取模块中编写相应程序，找出起始功率与反调功率最大差值所对应的点的横、纵坐标，继而求得仿真数据与实测数据的反调峰值功率偏差、反调峰值时间偏差，再利用混沌搜索法搜出满足被控量与最终稳态值之差等于5%阶跃量的稳态值条件点，确定这些点的横、纵坐标，通过对比得出调节时间的大小，继而求得仿真数据与实测数据的调节时间偏差，并将结果Perr输出到MATLAB的工作空间模块Workspace中，在Workspace中可以直接读取3个偏差值的大小[10-11]。

利用此模型可以求出图2和图4所示仿真曲线与实测曲线的各个偏差指标值，统计结果见表2。根据偏差的大小可以判断改进前后的模型仿真与实测结果的对比情况。

表2 改进前后仿真曲线与实测曲线的偏差统计

品质参数改进前模型仿真与实测偏差改进后模型仿真与实测偏差反调峰值功率PRP/MW-0.57-0.2反调峰值时间TRP/s-0.52-0.19调节时间ts/s2.651.85

将表2中改进前后的模型仿真与实测的偏差结果与表1中的标准对比，可以看出，改进前模型的仿真与实测数据的偏差和标准有一定的差距，反调峰值功率、反调峰值时间以及调节时间均超出规定值；改进后的模型，其仿真与实测数据的反调峰值功率与反调峰值时间均在规定范围以内，且调节时间也满足规定要求。由此可得，改进后的模型确实可提高仿真曲线与实测曲线的吻合度以及水轮机模型的仿真精度。

3 结束语

由以上仿真及分析可知，电力系统稳定计算分析软件PSD-BPA中的水轮机仿真模型的仿真响应曲线与实测曲线虽然整体变化趋势相近，但吻合度不高，最后达到稳定时的稳定值也相差较大。水轮机自身的非线性特征对仿真的结果有一定的影响。

在原水轮机模型中添加出力-开度模块，用机组导叶开度与出力关系实测曲线的关系式来修正取值为1的水轮机力矩对导叶开度传递系数ey，可大大提高仿真曲线与实测曲线的吻合度以及水轮机模型的仿真精度。

根据偏差模块求取的反调峰值功率偏差、反调峰值时间偏差以及调节时间偏差，可实时对模型仿真结果与标准进行对比，判断仿真模型是否满足导则要求。

本文在PSD-BPA程序中水轮机模型的基础上，利用试验数据，通过仿真比较，对模型进行改进验证，说明改进后的模型能较好仿真出水轮机在暂态运行过程中的响应过程，为电力系统暂态运行分析以及电力系统稳定计算提供更加精确的机组仿真响应模型。

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(编辑 王夏慧)

Improvement of Hydroturbine Simulation Model in PSD-BPA Program

CHEN Lin1, LI Xi2, XU Guangwen2, SUN Jianping1, TIAN Feng2

(1.School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China; 2.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

In order to improve simulation precision of hydroturbine simulation model in PSD-BPA transient program and provide more precise simulation model for stability calculation for the power system, this paper takes linear model for hydroturbine as the standard for analyzes reasons for large differences between simulation result and actual situation.It has improved the model by adding relationship curve module called output-opening module of turbine output and guide vane opening, and adding deviation calculating module in the model.It carries out verification for the model and obtains simulation result which is highly identical to actual measured curve.It is able to greatly improve simulation precision of the model by real-timely verifying whether the simulation result is satisfied for standard.

PSD-BPA transient program; hydroturbine model; output-opening module; stability calculation for power system

2016-04-18

2016-06-21

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.11.005

TK730.2

A

1007-290X(2016)11-0023-03

陈琳(1992)，女，河北石家庄人。在读硕士研究生，主要从事水电机组一次调频辅助服务领域的研究。

李玺(1984)，男，河南新乡人。工程师，工学硕士，主要研究方向为水轮发电机组状态检修与故障诊断。

徐广文(1980)，男，江苏盐城人。高级工程师，工学硕士，主要研究方向为水电机组原动机及其调节系统参数与建模。