抽水蓄能電站水機(jī)電系統(tǒng)計算仿真的若干問題分析

1、】8抽水蓄能電站工程建設(shè)文集2008抽水蓄能電站水機(jī)電系統(tǒng)計算仿真的若干問題分析周建旭蔡付林胡 明(河海大學(xué)【摘要】結(jié)合若干仿真問題.提出調(diào)壓室局部損失系數(shù)的確定應(yīng)盡可能結(jié)合實際的局部流態(tài),以從數(shù)據(jù)輸入側(cè) 實現(xiàn)調(diào)壓室涌浪過程的實時仿真。分析機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的仿真和調(diào)速器的可調(diào)性之間的關(guān)系,以真實再現(xiàn)導(dǎo)葉 運動過程和水力一機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)特性。給出不同于常規(guī)電站的典型過渡工況的仿真要點以及一種簡便易行的無功 功率調(diào)節(jié)仿真實現(xiàn)方法?！娟P(guān)鍵詞】抽水蓄能電站仿真調(diào)壓室導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律無功功率1前言抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中的主要作用是調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用,包括抽水、抽水調(diào)相、 發(fā)電、發(fā)電調(diào)相和靜止五個

2、基本運行工況,可逆式機(jī)組存在雙向旋轉(zhuǎn),輸水系統(tǒng)中存在雙向水流,與常規(guī) 機(jī)組比較,抽水蓄能機(jī)組運行工況較多,工況轉(zhuǎn)換多樣而復(fù)雜1。因此,抽水蓄能電站水機(jī)電系統(tǒng)計算仿 真是抽水蓄能電站仿真機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)問題和難點。抽水蓄能電站水機(jī)電系統(tǒng)計算仿真涉及面廣,包括輸水 系統(tǒng)、可逆式機(jī)組、調(diào)速器、發(fā)電電動機(jī)和勵磁機(jī)等,而水力一機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真是抽水蓄能電站水機(jī)電 系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵模塊,要求準(zhǔn)確實時地反映機(jī)組參量,以及輸水系統(tǒng)中各水力元件和特征位置瞬態(tài)參數(shù)的 動態(tài)過程。因此,結(jié)合影響水力一機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真程度的主要影響因素調(diào)壓室阻抗孔口局部損失系 數(shù)和導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律,進(jìn)行深入的仿真研究,進(jìn)而分析抽水蓄能電站不同于

3、常規(guī)電站2的典型過渡工況的仿 真要點,以全面實現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)特性的準(zhǔn)確仿真。2調(diào)壓室阻抗孔口局部損失系數(shù)2.1阻抗孔口局部損失系數(shù)的確定通常,依據(jù)DL/T 5058-1996水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范的規(guī)定,流進(jìn)/流出調(diào)壓室的水頭損失可按11,2式Ah-砭V r(u為阻抗孔口流速計算擬定,定義局部損失系數(shù)亭=1/#,阻抗孔流量系數(shù)可以在 甲厶g0.60"一0.80之間選取;或者查膜板式調(diào)壓室的水頭損失曲線和帶連接短管式調(diào)壓室的水頭損失曲線得到。 在實際的抽水蓄能電站中,調(diào)壓室的形式以及與隧洞的連接形式多樣,實際流進(jìn)/流出調(diào)壓室的局部損失 系數(shù)與規(guī)范確定的數(shù)值(簡稱為規(guī)范值之間可能存在一定的偏差

4、,雖然對調(diào)壓室涌浪分析結(jié)果的影響在 允許的范圍以內(nèi),但從仿真角度而言,阻抗孔口局部損失系數(shù)輸入“失真”。因此,在可能條件下,考慮 調(diào)壓室節(jié)點可能出現(xiàn)的各種流態(tài)(包括分流和合流,采用不同分流比情況下流進(jìn)/流出調(diào)壓室局部損失系 數(shù)的成果,進(jìn)行計算仿真。2.2算例仿真分析某抽水蓄能電站設(shè)置阻抗式引水調(diào)壓室,阻抗孔口直徑為4.3m,調(diào)壓室豎井(斷面3直徑為9.0m, 上游引水隧洞(斷面1直徑為6.2m,下有壓力管道(斷面2直徑為5.4m,由DL/T 5058-1996水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范可知:當(dāng)水流流進(jìn)調(diào)壓室時近似取伊=0.60,局部損失系數(shù)62.7778; 當(dāng)水流流出調(diào)壓室時近似取9一O.80,局部

5、損失系數(shù)島=1.5625。在局部模型試驗中采用總流斷面 的流速水頭作為基準(zhǔn)流速水頭,因此結(jié)合不同的分合流過渡流態(tài),分別把流進(jìn)/流出調(diào)壓室的局部損 失系數(shù)規(guī)范值轉(zhuǎn)化到相應(yīng)的基準(zhǔn)流速水頭,以作比較,見表l。圖1和圖2為流進(jìn)/流出調(diào)壓室局部 損失系數(shù)的變化規(guī)律。抽水蓄能電站土建工程與機(jī)電設(shè)備設(shè)計 j】9表1可能出現(xiàn)的六種分合流過渡流態(tài)和進(jìn)出調(diào)壓室的局部損失系數(shù)編號 a b C d e f(分流比為1 38.507(2,3 21.334(3,2l _lIl; 球 輯 駐 窿籟 幡 水 羈 齄 喔稿幡水蝸箍喧f13(流態(tài)c卜一一-f23(流態(tài)c圖1流人調(diào)壓室的局部損失系數(shù)變化規(guī)律一p2(搋悉d卜毋 (說

6、態(tài).,一,7_,.二;流出調(diào)壓室的分流比毋l(流態(tài)f一毋2(流態(tài)f 惹:3。0冰22譬。148圖2流出調(diào)壓室的局部損失系數(shù)變化規(guī)律由圖1和圖2分析可知:在分流和合流情況下,流進(jìn)/流出調(diào)壓室的局部損失系數(shù)不是常數(shù),應(yīng)是一 個與流態(tài)、分流比和阻抗孔大小均有關(guān)的變量;從數(shù)值上分析,規(guī)范值為流進(jìn)/流出調(diào)壓室的分流比為1時的局部損失系數(shù),兩者數(shù)值較為接近。3導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律3.1可逆式機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律因抽水蓄能電站可逆式機(jī)組的過流特性比較復(fù)雜,與常規(guī)機(jī)組存在較大的差別,當(dāng)水力一機(jī)械系統(tǒng)發(fā) 生過渡過程時,機(jī)組蝸殼進(jìn)口內(nèi)水壓力的變化不僅與機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律有關(guān),而且與機(jī)組轉(zhuǎn)速的上升密切 有關(guān),可能會導(dǎo)致蝸殼進(jìn)口最

7、大內(nèi)水壓力較難滿足調(diào)節(jié)保證計算要求。因此,對機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的選擇 提出了更高的要求,常采用的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律4包括:先快速關(guān)至一較小開度后慢關(guān)的兩段折線關(guān)閉規(guī) 律;先拒動后關(guān)閉的兩段折線關(guān)閉規(guī)律;三段折線關(guān)閉規(guī)律,先快關(guān)導(dǎo)葉,在機(jī)組轉(zhuǎn)速上升接近并達(dá) 到最大值直至下降的某一時間段內(nèi),保持導(dǎo)葉開度基本不變,以保證蝸殼進(jìn)口內(nèi)水壓力上升的幅值減小, 后快速關(guān)閉。先拒動后關(guān)閉的兩段折線關(guān)閉規(guī)律的拒動控制開度可隨實際運行開度變化且易于實現(xiàn),而三 段折線關(guān)閉規(guī)律的實現(xiàn)比較復(fù)雜。3.2導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的仿真實現(xiàn)某抽水蓄能電站,通過導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化發(fā)現(xiàn)無論采用直線關(guān)閉規(guī)律或兩段折線關(guān)閉規(guī)律(見圖3,機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大內(nèi)

8、水壓力均超過原調(diào)?？刂浦怠Ｒ虼?考慮采用三段折線關(guān)閉規(guī)律,以保證蝸殼進(jìn)口內(nèi) 水壓力上升的幅值減小,優(yōu)化得到的三段關(guān)閉規(guī)律為:Ts=23s,k=2.0s,婦=0.76,%=15.0s, %=o.73,見圖4,此時機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大內(nèi)水壓力等均滿足調(diào)節(jié)保證計算要求。j20抽水蓄能電站工程建設(shè)文集2008圖3機(jī)組導(dǎo)葉二段關(guān)閉規(guī)律 間7'1080.60402(L2,兒2(丁乙.y.、 、 5lO 152025 f(s圖4機(jī)組導(dǎo)葉三段關(guān)閉規(guī)律對于實際抽水蓄能電站的調(diào)速器而言,機(jī)組導(dǎo)葉采用三段關(guān)閉規(guī)律,工程實現(xiàn)比較困難,在設(shè)計和運 行允許的情況下,可以提高蝸殼進(jìn)口最大內(nèi)水壓力的控制值,以保證能夠找到

9、一合理的導(dǎo)葉二段優(yōu)化關(guān)閉 規(guī)律(見圖3?；谏鲜龇治?該抽水蓄能電站蝸殼進(jìn)口最大內(nèi)水壓力的調(diào)?？刂浦堤岣?0.0m,得到 導(dǎo)葉二段關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化計算結(jié)果為:Ts=35s,Tm=2.5s,%一O.66,對應(yīng)的機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大內(nèi)水壓 力小于新的控制值,最大轉(zhuǎn)速上升值和尾水管進(jìn)口最小內(nèi)水壓力也滿足調(diào)節(jié)保證計算要求。由此可知,雖 然提高調(diào)?？刂浦?對鋼管的強(qiáng)度設(shè)計和施工設(shè)計提出了更高的要求,但是機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律明顯簡化, 易于穩(wěn)定可靠的實現(xiàn)。鑒于抽水蓄能電站機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的多樣性和實現(xiàn)的復(fù)雜性,在進(jìn)行導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律仿真時,要求相 應(yīng)的模塊具有良好的通用性,能夠?qū)崿F(xiàn)包括三段關(guān)閉規(guī)律在內(nèi)的多種導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

10、的仿真,且要求能夠方 便、快捷和光滑的切換,以真實再現(xiàn)導(dǎo)葉運動過程和水力一機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)特性。4典型工況的仿真實現(xiàn)在實現(xiàn)機(jī)組導(dǎo)葉啟閉規(guī)律和流進(jìn)/流出調(diào)壓室的流態(tài)模擬等子模塊的仿真后,基于輸水系統(tǒng)的特征線 法,結(jié)合調(diào)速器和機(jī)組狀態(tài)方程的分析模塊,以及相應(yīng)的邊界條件,建立水力一機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真的分析 模塊,可實現(xiàn)抽水蓄能電站水力一機(jī)械系統(tǒng)所有過渡過程的仿真。在此,簡要分析有別于常規(guī)電站動態(tài)過 程的抽水蓄能電站典型工況的仿真實現(xiàn)。4.1水輪機(jī)工況啟動過程機(jī)組水輪機(jī)工況啟動過渡過程指機(jī)組從停機(jī)狀態(tài)打開導(dǎo)葉,在水流作用下開始轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)速上升,達(dá)到圖5水輪機(jī)工況啟動的升速過程 同步后并人電網(wǎng)的過程。調(diào)速器的順

11、序動作為:打開機(jī)組導(dǎo)葉至某一開度 (稍大于相應(yīng)的空載開度,依靠水流推動機(jī)組轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動;在機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到 90%額定轉(zhuǎn)速時,投入PID調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)機(jī)組頻率至額定值,此時導(dǎo)葉開度 停留在空載開度附近,即通過調(diào)速器調(diào)節(jié)使機(jī)組在空載開度下建立額定轉(zhuǎn) 速,見圖5。4.2水泵工況啟動過程可逆機(jī)組在水泵工況的啟動過渡過程可分為升速階段和增加抽水流量階段。升速階段的過渡過程與水泵的啟動方式密切相關(guān),不同的水泵工況啟動方式對應(yīng)不同的升速過程, 如以靜止變頻器為主要手段、背靠背為輔助手段的啟動方式,則以實現(xiàn)靜止變頻器的動態(tài)仿真為前提條 件;而增加抽水流量階段的過渡過程則一般與啟動方式無關(guān)。(1在升速階段,機(jī)組由電動發(fā)電

12、機(jī)拖動,轉(zhuǎn)速從零上升到接近水泵方向的同步轉(zhuǎn)速,機(jī)組并網(wǎng),轉(zhuǎn) 輪室逐漸排氣充水,輸入功率逐漸增大,轉(zhuǎn)輪內(nèi)外側(cè)的壓差逐漸升高,待轉(zhuǎn)輪外側(cè)(導(dǎo)葉內(nèi)側(cè)的水壓達(dá) 到規(guī)定值(約為理論最高揚程的50%后,準(zhǔn)備打開導(dǎo)葉,在此過程中整個輸水道的過流量始終為零。 因此,這一階段的過渡過程仿真實際上就是轉(zhuǎn)輪在空氣及水中以水泵方向升速的動態(tài)仿真,主要結(jié)合常用 的靜止變頻器啟動仿真模型計算轉(zhuǎn)輪在空氣中的升速過程,用轉(zhuǎn)輪室充水排氣模型計算機(jī)組并網(wǎng)后到導(dǎo)葉 開啟前的充水過程。若升速結(jié)束后,機(jī)組并網(wǎng)并繼續(xù)保持轉(zhuǎn)輪在空氣中運行即可實現(xiàn)機(jī)組抽水方向調(diào)相的抽水蓄能電站土建工程與機(jī)電設(shè)備設(shè)計 】2J仿真。(2在增加抽水流量階段,機(jī)組

13、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在水泵工況同步轉(zhuǎn)速,打開導(dǎo)葉或閥門按給定規(guī)律開啟到, 抽水流量逐漸增加,即水泵啟動過程。4.3水泵工況斷電過渡過程可逆機(jī)組在水泵工況斷電的過渡過程仿真與水輪機(jī)工況甩負(fù)荷過渡過程仿真的主要區(qū)別在于:水泵工 況穩(wěn)定運行時,流量Q、轉(zhuǎn)速咒的方向與水輪機(jī)工況相反,表現(xiàn)為負(fù)值。依據(jù)實際抽水蓄能電站的運行情況和可能的故障問題,機(jī)組導(dǎo)葉按給定關(guān)閉規(guī)律正常關(guān)閉或者拒動, 相應(yīng)參量的動態(tài)仿真過程存在明顯的差別。對于機(jī)組轉(zhuǎn)速而言:若導(dǎo)葉正常關(guān)閉,轉(zhuǎn)速動態(tài)曲線如圖6 (a所示,轉(zhuǎn)速大小和方向與導(dǎo)葉關(guān)閉時間密切相關(guān),此時,可依靠電氣制動和機(jī)械制動減速直至靜止, 在滿足一定條件下,采用較短的導(dǎo)葉關(guān)閉時間,可以避

14、免機(jī)組轉(zhuǎn)速反向而較快實現(xiàn)靜止工況;若導(dǎo)葉拒 動,轉(zhuǎn)輪在反向水流作用下沿等開度線過渡運行,轉(zhuǎn)速動態(tài)曲線如圖6(b所示,轉(zhuǎn)速大小和變化趨勢 取決于可逆式機(jī)組在水輪機(jī)制動工況和反水泵工況的特性,特別與可能的“S”特性密切相關(guān),故障解除 后,同樣可依靠自身阻力矩、電氣制動和機(jī)械制動減速直至靜止。4.4水泵工況切換至水輪機(jī)工況 400 當(dāng)系統(tǒng)中其他電站出現(xiàn)事故解列時,喜j【 正處于抽水工況的可逆式機(jī)組需盡快投入喜一200發(fā)電工況運行。此時,緊急切斷輸入功率, 一:f 機(jī)組馬上甩負(fù)荷(用泵抽水,不停機(jī),主0閥開度不變,導(dǎo)葉關(guān)閉至空載開度,電動機(jī)解列,水流反向,在反向水流的沖擊作用下,轉(zhuǎn)速由水泵工況額定轉(zhuǎn)速

15、減小至零,并反向至水輪機(jī)方向旋轉(zhuǎn),調(diào)整導(dǎo)葉開度,600360。l 120毫一120t一360-600廠、 -,一 |/1224364860O 20406080100 f(s f(s (a (b圖6機(jī)組抽水?dāng)嚯姽r轉(zhuǎn)速動態(tài)仿真曲線(a導(dǎo)葉正常關(guān)閉f(b導(dǎo)葉拒動轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速咒,換相倒閘,機(jī)組并網(wǎng)、導(dǎo)葉打開使機(jī)組進(jìn)入發(fā)電運行。因此,該過渡工況的仿真 實際上包括水泵斷電過渡過程的計算仿真(導(dǎo)葉關(guān)至空載開度和水輪機(jī)工況增減負(fù)荷過渡過程的計算 仿真?？赡媸綑C(jī)組由水輪機(jī)工況切換至水泵工況一般無快速要求,不采用直接轉(zhuǎn)換,由發(fā)電工況至靜止工 況,繼而轉(zhuǎn)換為抽水工況,相當(dāng)于水輪機(jī)工況至靜止工況和水泵啟動工況的

16、組合。4.5水泵方向調(diào)相工況切換至抽水工況,進(jìn)而切換至靜止工況機(jī)組調(diào)相轉(zhuǎn)抽水主要包括轉(zhuǎn)輪室充水排氣和導(dǎo)葉開啟兩個階段,可分別采用相應(yīng)的模型來仿真。其 中,導(dǎo)葉開啟階段機(jī)組不解列,轉(zhuǎn)速保持額定轉(zhuǎn)速不變,導(dǎo)葉開啟,機(jī)組抽水流量增大,相當(dāng)于抽水工況 增減負(fù)荷的仿真實現(xiàn)。而抽水切換為抽水方向調(diào)相的過程仿真與之相反。正常情況下,水泵工況停機(jī)先是 關(guān)導(dǎo)葉,在導(dǎo)葉關(guān)至一定開度后再斷開主機(jī)出口開關(guān)與電網(wǎng)解列。4.6無功功率調(diào)節(jié)的仿真建模在抽水蓄能電站正常運行過程中,機(jī)組可能進(jìn)行調(diào)相運行或依據(jù)電網(wǎng)需要進(jìn)行無功功率Q調(diào)節(jié),因 此在抽水蓄能電站水機(jī)電系統(tǒng)仿真中必須真實展現(xiàn)水電站實際的無功功率調(diào)節(jié)。無功功率調(diào)節(jié)與勵磁

17、控制 系統(tǒng)密切相關(guān),可通過調(diào)節(jié)勵磁電流Jr來實現(xiàn),輸出無功功率的大小還跟電網(wǎng)和機(jī)組的運行方式以及機(jī) 組的出力密切相關(guān)。因發(fā)電機(jī)和勵磁機(jī)調(diào)節(jié)控制的基本模塊是微分調(diào)節(jié),相應(yīng)的調(diào)節(jié)過程必然是一振蕩過 程;同時現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)不可能覆蓋電站運行的全部范圍,不易準(zhǔn)確找到設(shè)定無功功率下的勵磁電流,而且 從仿真的角度而言也不一定合理。因此,可建立以勵磁電流調(diào)節(jié)為主要方式的無功功率調(diào)節(jié)仿真模塊,經(jīng) 過訂正模型,采用變步長迭代的方式簡便而準(zhǔn)確地實現(xiàn)無功功率調(diào)節(jié)的實時仿真,即依據(jù)實時的物理參數(shù) 實時調(diào)節(jié)步長,向設(shè)定值逼近。與其他模型技術(shù)比較,該仿真技術(shù)簡便且易于實現(xiàn),而且充分考慮了模型 微分環(huán)節(jié)的動態(tài)特性,使仿真過程與現(xiàn)場實際調(diào)節(jié)過程不僅目標(biāo)一致,而且過程一致,逼真而直觀地展現(xiàn) 水電站系統(tǒng)實際的動態(tài)過程。122抽水蓄能電站工程建設(shè)文集2008某抽水蓄能電站結(jié)合機(jī)組帶額定負(fù)荷發(fā)電運行和發(fā)電方向調(diào)相運行工況,采用訂正模型仿真技術(shù)進(jìn)行 無功功率調(diào)節(jié)的仿真,并且與現(xiàn)場實測過程線比較分析,表明相應(yīng)的動態(tài)仿真誤差小于lO o.4,特別是在 無功功率調(diào)節(jié)的局部范圍內(nèi)動態(tài)仿真誤差小于5%,全面逼真地實現(xiàn)了抽水蓄能電站運行中無功功率的調(diào) 節(jié)仿真。5結(jié)語抽水蓄能電站水機(jī)電系統(tǒng)計算仿真