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灯泡贯流式双调节水轮发电机组调速系统建模与仿真

文档作者：彭天波文档来源：湖北省电力试验研究院		点击数：	更新时间： 2025年06月03日
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第33卷第4期水电站机电技术
2010年8月Mechanical＆Electrical Technique of Hydmpower Station
V01．33 No．4
Aug．2010 23
灯泡贯流式双调节水轮发电机组调速系统建模与仿真
彭天波
(湖北省电力试验研究院，湖北武汉430077)
摘要：以灯泡贯流式双调节水轮发电机组为例，首先进行调速系统参数现场测试，并经分析、整理后得出了水轮机
调节系统各环节的重要参数，之后分别采用最小二乘法(LS)和基因遗传算法(GA)对原动机及调节系统建模和参数
辨识．得到非线性。自定义”模型，并与电网稳定计算通用模型PSASP进行了比较分析，从而建立了水轮机调节系统
在并网状态下的模型和数据，为电力系统仿真研究提供与实际系统状况相吻合的水轮机调节系统模型，满足了电力
系统稳定计算的要求。
关键词：灯泡贯流式机组；参数测试；调速系统建模；仿真
中图分类号：TV734．4 文献标识码：B 文章编号：1672—5387(2010)04-0023-05
某航电枢纽工程1号机组为灯泡贯流式水轮发
电机组，由东芝水电设备(杭州)有限公司生产，其主
要设备参数如下：
水轮机型号GZ(TB5003)一WP一691；最大功率
16．980 MW；额定功率15．432 MW；最大水头8．4 m；设
计水头4．7m；最小水头15m；设计流量≤366A7m％。发
电机型号SFWGl5—84—7300；额定容量16．67 MVA；
额定功率15 MW；额定电压10_5 kV；额定电流916．4 A；
额定频率50 I-Iz；额定转速71．4 r／rain；飞逸转速
240 r／rain；功率因素o．9(滞后)；转动惯量3 000 t·n12；
惯性时间常数z诵．13(额定水头)／2．06(最大水头)s。
调速器调节参数调整范围如下：
比例增益KP：0．5～20；积分增益K：0．025～10；
微分增益Kd：0—40；永态转差率bp调整范围：
0～10％；人工转速死区调整范围：0～±0．3 Hz；电气开
限调整范围：0。100％；“频率给定”(数字给定)调整
范围：45～55 Hz；“功率给定”(数字给定)调整范围：
0—100％。
调速器液压控制系统参数如下：
型号：PZWSTl50—6．3一Stars；额定工作压力：
6．3 MPa；主配压阀直径：150 mm；主配压阀最大行
程：15咖；滤芯精度：10斗m(0120D010BN／HC)；差
压发讯器发讯压差：0．2 MPa。
1调速器建模参数测试条件、测试方法与测
试结果
1．1调速器静特性试验(测量印、／x、~L等参数)
1．1．1试验条件
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)。
1．1．2试验方法
由调速器测试仪给调速器提供额定的机频输入
信号，以开度给定将导叶接力器调整到50％行程附
近。然后，将调速器处于自动运行方式，升高或降低
频率使接力器全关或全开，调整频率信号值，使之按
一个方向逐次升高或降低，在导叶接力器每次变化
稳定后，用调速器测试仪记录该次信号频率值及相
应的接力器行程、浆叶行程，分别绘制频率升高或降
低的静态特性曲线。每条曲线在接力器行程10％
一90％的范围内，测点不少于10点。
设定bt=5％，Td=2 s，Tn=0，bp=6％，分三个水头
(最大水头8．4 nl，额定水头4．7 m，最小水头1．5 m)
进行试验。
1．1．3试验结果
试验结果见表1，额定水头下的试验曲线见图1。
表1调速器静特性试验结果
羹兰警≯妻鬻蓁妻篙曩素鬻素慕嚣豢萎繁
曼娄皇鼍线性度线性度差系数差系数不准确
‘m’ ‘％’ 舭(％) 舭(％) ％(％) ％(％) 度(％)
—百r—百丽而—1河r——而r——西r——}歹r—i．79
4．7 0．007 0 0．23 0．23 5．98 5．98 1．14
1．5 0．003 6 019 0．19 5．99 5．99 0．50
收稿日期：2010—05—19
作者简介：彭天波(1966-)，男，硕士，高级工程师，从事发电厂经济运
行与控制工作。
万方数据
24 水电站机电技术第33卷
．．．＼；一＼；：：；
⋯·}⋯：＼■
．．； ：⋯、、～
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⋯、、．：¨⋯：
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图1额定水头4．7m调速器静态特性
1．2频率扰动试验(测量乩、丁d、丁h等参数)
1．2．1试验条件
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，却=0，频率给定为额定值；
机组模拟并网(断路器位置信号短接)。分别在空载、
并网一次调频模式下进行。
1．2．2试验方法
由调速器测试仪给调速器提供额定的机频输入
信号，以开度给定将导叶接力器调整到5％行程附
近。断开主接反馈，用调速器测试仪改变机组输入频
率，记录频率改变后、PID输出、导叶接力器行程变
化过程曲线。试验在调速器参故珑毫为卸=0，bt=20％，
尉=8 8，Tn=0．2 s和却=0，bt=20％，Td=8 s，Tn=0 8两
种参数组合下进行。
1．2．3试验结果
测试结果汇总见表2。以第4组bp--0，bt=20％，
列=8 s，Tn=0．2 s为代表的试验录波图见图2所示。
表2调速器控制参数测试结果
试bt(％)Td(s) 7}I(8)
蓍篆实测磊妻蒙实测标量偏蒙实测磊妻
注：表中标定偏差=(x-s)／s，K为实测值，S为标称值。
图2第4组频率扰动试验
1．3接力器关闭规律试验(测量主接最短关闭时间
丁s、最短开机时间内)
测量主接最短关闭时间A、最短开机时间瑰
结果见表3。
表3接力器关闭规律试验结果
1．4测量人工死区试验
1-4．1试验条件
蜗壳未充水，调速器处于自动运行方式。
1．4．2试验方法
用阶跃频率信号法校验调速器的转速死区，把
测试仪输出的频率信号整定为50 Hz，于额定频率
基础上每步0．01 Hz(或0．005 I-Iz)施加正(或负)的
阶跃频率偏差信号，并逐一录波；直到接力器开始产
生与此信号对应的改变，此时的频率累积偏差信号
即为人工死区。
1．4．3试验结果
经过测试调速系统人工死区为0．05 Hz。
1．5频率及开度给定扰动试验(测量接力器反应时
间丁y、桨叶反应时间丁z)
1．5．1试验条件
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)。断开主接反馈。
1．5．2试验方法
由调速器测试仪给调速器提供额定的机频输入
信号，以开度给定将导叶接力器行程调整到拐点以
上，给定频率或开度扰动，用调速器测试仪记录频率
或开度给定变化后导叶接力器行程、桨叶行程变化
过程曲线。
1．5．3试验结果
试验结果见表4、表5。
玑O仉仉m ∞0蛆∞∞ 薯|鹏㈣薹|耄| 篙翟㈣∞∞加∞如 埔∞均均坞 明伯加：2的 咱豇1吨吨 雅飘骗|曼㈣ ：暑眈坫∞∞ &amp;amp;_L仉L
万方数据
第4期彭天波：灯泡贯流式双调节水轮发电机组调速系统建模与仿真25
裹4接力器反应时间H实测值
频差㈦—五赢磊万测—量厅1丽而i—百
0．200
0．500
-0．200
-o．500
一1．05
-4．02
2．24
6．92
0．90
1．17
0．54
1．63
表5桨叶反应时间丁z实测值
频差‘“z’1磊历iF丐磊而i■瓦_■品一
测量开
1．00
—1．00
接力器开度一强
接力器开度+3％
0．500 0．01
0．．500 0．01
0．500 0．0l
0．050 0．01
1．6并网频率扰动试验(测量动态响应时间)
1．6．1试验条件
机组带负荷稳定运行，调速器处于自动运行方
式。
1．6．2试验方法
机组带70％额定负荷(10 Mw)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(从0．1 Hz、一0．1 Hz；0．2 Hz、-0．2 Hz；到
0．3 Hz、加．3 Hz，每个模拟网频信号持续60 s以上
(以接力器稳定时间为准)，频率变化范围49．70—
50．30 I-I,)；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、桨叶角度信号进行录波。
试验实际水头5．4 m，仿真水头6．0 m，开度模
式，bp=4％，bt=20％，Td=2s，Tn=8s。
1．6．3试验结果
试验数据应用于调速系统建模，其中±0．2 Hz
的频率扰动试验示波图见图3、图4所示
n ：⋯!
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⋯。～⋯。’’弋⋯
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●● ■ItW
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54铀嘲∞22
(20 7 7(7l
赫一槛_一聊雏一肇性接一钧辨一t—孵
图3+0．2Hz频率扰动试验
图4-0．2Hz频率扰动试验
2水轮机调速系统建模
现场试验完成以后，通过对试验数据进行分析、
整理，得出了水轮机调节系统各环节的重要参数。分
别采用最tb-"乘法(Ls)和基因遗传算法(GA)对原
动机及调节系统建模和参数辨识，得到非线性“自定
义”模型，并与电网稳定计算通用模型PSASP进行
了比较分析。
2．1自定义调速器模型、参数及仿真
水轮机调节系统在并网状态下的数学模型(自
定义模型)如图5一图7所示。
图5调速器导叶电气部分(控制器)模型框图
耳
H
图6调速器导叶液压系统模型框图
图7调速器桨叶控制系统模型框图
万方数据
26 水电站机电技术第33卷
模型中符号含义和参数见表6。
表6自定义调速器模型符号含义与参数
名称符号数值单位
频率给定愚％
钕机组频率R ％
葑开度给定愚P．u．
超功率给定^ p．o．
荟机组功率Pt p．u．
薪响应延时td 0．010 o
一’ 转速死区血0．0076 ％
人工频率死区类型一机械型一
人工频率死区J!f 0．100 ％
暂态转差系数肌19．824 ％
缓冲时间常数列2．000 8
加速时间常数711 0．354 s
微分衰减常数／'iv 0．286 o
永态转差系数细4．000 ％
结构类型
主接力器反应时问
电液转换环节系数
主配监阔死区
主配压阀最大值
主配压阀最小值
主配压阀最小值
两段关闭拐点
导叶开度最小值
导叶开度最大值
结构类型
主接力器反应时间
电液转换环节系数
主配压阀死区
主配压阀最大值
主配压阀最小值
电液随动型
0．500
1．000
0．300
0．023
-0．113
-0．069
32．360
0．000
100．000
电液随动型
0．500
1．∞0
0．000
O．023
-0．043
—
0
一
％
P·u·
P．u．
P-u·
％
％
％
一
0
一
％
P·u·
D．U．
得到模型后进行仿真计算。调速器导叶开度仿真
结果见图8，调速器桨叶开度仿真结果曲线见图9。
时嘱一
图8调速器模型导叶开度仿真与实测过程比较
图9调速器模型桨叶开度仿真与实测过程比较
2．2自定义机组一引水道模型、参数及仿真
水轮机机组一引水道在并网状态下的数学模型
(自定义模型)如图10所示。
图10机组一引水道模型框图
模型中符号含义和参数见表7，仿真效果见图
1l、图12所示。
表7自定义机组一引水道模型符号含义与参数
名称符号数值单位
初始导叶开度
初始功率
初始桨叶开度
最小二乘参数辨
识算法(LS)
基因遗传参数辨
识算法(GA)
瑰P．I．L
愚P．1L
中g P．仉
传递函数△|p(s)／△r(s)=
(-5．00s+1．69)／(5．38s‘2+2．00s+1．oo)
传递函数△ 爿s)／ △ 以s)=
(一4．98s+1．68)／(1．03s‘2+3．47s+1．00)
图11机组一引水道Ls法辨识效果图
图12机组一引水道CA法辨识效果图
2．3自定义模型仿真输出与实测动态过程比较
采用LS及GA法所得自定义模型仿真输出与
实测动态过程比较见图13、图14所示。
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I警
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山
口
口
导叶液压系统参数
桨叶液压系统参数
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万方数据
第4期。=====g======z日自11％；；={===彭==天==波===：=j灯=i泡；贯；流；式；双；调；=节；水l；轮=发；电==机％组==调：速系统建模与仿真 27
田
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嫠70
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0 10 20 30 加卯印70 即卯
图13 Ls法自定义模型仿真输出与实测动态过程比较
芒坞
嫠7口
晒
脚
芒
嫠卸
蠢
加
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芒印
篡∞
加
O 10 ∞ 30 柏∞ 劬70 ∞ ∞
0 10 20 30 柏∞ ∞ 70 ∞ 蚰
表8 PSASP模型符号含义与参数
燮盟缒丝
澳崾莎时勒虹电倍数J|r6 1．000 一一一——
碛负反馈放大f撇危重000 誓
软贴稠奶啪数邱Q198 一
百f邵渐程上限懈Q 023 Au 酉己f邵珩聊嘶-0．113 Au
忖瞍孀姗L000 导啊勰枷血 Au Q 000 Au 调速瓤f Q 0076 nu 软反确川獭五z000 s
俪啪球州伺{；}数五Q500 s
水锤时间常数罱6130 s
TW／2 乃a065 s 喇勋必}5日寸7l撇肋Q 000 s 过懒口L000 一发电盹翳獬用15．000 姗系统莓髓$ 100．000 胍
P[-Vm 删Q150 一
图14 GA法自定义模型仿真输出与实测动态过程比较图16LS法自定义模型与PsAsP模型的动态过程比较
2．4水轮机调节系统在并网状态下的自定义模型与
PSASP模型的比较
PSASP模型见图15所示，其模型符号含义及参
数见表8
PSASP模
，本次在l号机组建立的自定义模型与
型的动态过程比较见图16、图17。
图15 PSASP模型框图
垂∞
图17 GA法自定义模型与PSASP模型的动态过程比较
3结论与建议
根据该电站1号机组的现场实测参数和数据，
建立了1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，
并与电网稳定计算通用模型PSASP进行了比较，可
以看出，自定义模型更能反映原动机及调节系统实
际情况，在电力系统稳定计算中采用效果显著。

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