水轮机及引水系统模型水流惯性时间常数修正系统和方法与流程

1.本发明属于电网中水电机组调节领域，具体涉及水轮机及引水系统模型水流惯性时间常数修正系统和方法。


背景技术：

2.云南电网异步联网运行后，大型水电机组调速器在调节过程中，由于机组导叶的快速开启或关闭导致机组流量突然改变而引发水锤效应，进而引起有功功率的反调。这种现象对系统呈相位滞后并提供负阻尼，易诱发系统超低频振荡现象，严重恶化系统稳定运行，在电力稳定计算中，表征水锤效应的主要参数为水轮机及引水系统模型中的水流惯性时间常数(tw)。
3.水流惯性时间常数的定义为引水管道中的水流在额定水头hr作用下，流量从零增加到额定流量qr所需的时间，它表征过水管道中水流惯性的大小，一般可通过引水管道设计参数获得。但是在水电机组实际运行过程中，运行水头在不断变化，机组流量也会随着负荷工况点的改变而改变，导致水流惯性时间常数的实际值也在不断变化，与设计值存在较大偏差。为解决水流惯性时间常数实际值与设计值存在偏差的问题，同时为满足电力系统稳定计算全工况仿真，需对传统水轮机及引水系统进行改进，引入水流惯性时间常数修正系数。


技术实现要素：

4.本发明推导并提供了一种水流惯性时间常数的修正方法，通过引入水流惯性时间常数修正系数，解决了水流惯性时间常数实际值与设计值存在偏差的问题，提高了电力系统稳定计算全工况仿真的效率和精度。
5.本发明通过数学推导得出水流惯性时间常数修正系数，并通过现场试验，实测出不同运行水头和运行工况下水电机组有功功率反调规律，通过对水轮机及引水系统模型添加水流惯性时间常数修正系数并进行有功功率反调仿真，仿真结果证明了所提出的水流惯性时间常数修正系数的有效性和准确性，具有实用价值。
6.本发明的技术方案具体如下：
7.一种水轮机及引水系统模型中水流惯性时间常数修正系统，包括采集器和处理器；处理器根据采集器采集的数据进行如下处理：
8.对同一并网运行机组，选取若干运行水头，在每个运行水头下选取相同的若干个工况点，进行导叶给定阶跃扰动，记录运行水头、有功功率、机组流量的输出曲线，分析有功功率反调规律；
9.对传统水轮机及引水系统模型进行改进，引入与有功功率反调线性关系的有功功率始值和水流惯性时间常数修正系数，获得改进后水轮机及引水系统模型：
10.11.其中：p表示有功功率，mw；p
i0
为运行负荷工况，即有功功率初始值，mw；y表示导叶开度，％；f(y)表示在不同水头下导叶开度与有功功率进行三段修正；tw表示水流惯性时间常数；s表示拉普拉斯算子；
12.基于改进后水轮机及引水系统模型，结合运行机组的水流惯性时间常数设计值，对不同运行水头下的不同工况点进行有功功率反调仿真校核，检验改进后水轮机及引水系统模型和水流惯性时间常数系数的有效性与准确性。
13.进一步地，所述水流惯性时间常数修正系数为运行水头与机组流量的关系系数，当运行水头发生变化时，统计机组在不同运行水头下带额定负荷时的流量，则可得随运行水头而变化的水流惯性时间常数修正系数。
14.进一步地，水流惯性时间常数修正系数为：
[0015][0016]
其中：f(h
t
)＝qi(i＝1、2、3...)，表示不同运行水头下，机组带额定负荷时的流量；q0表示水轮机额定流量，m3/s；hi表示运行水头，m；h0表示额定水头，m。
[0017]
进一步地，所述有功功率反调变化规律是指由水锤效应引起的有功功率反调随着负荷升高而增大，与负荷近似呈线性关系，同一负荷水头越低有功功率反调越大。
[0018]
进一步地，对传统水轮机及引水系统进行改进是，对导叶开度与有功功率进行三段修正处理，选取实测三段有功功率和对应的导叶开度。
[0019]
进一步地，有功功率初始值是指机组在某个工况点运行时未发生有功功率反调时的初始功率。
[0020]
本发明还涉及的水轮机及引水系统模型中水流惯性时间常数修正方法，按以下进行：
[0021]
对同一并网运行机组，选取若干运行水头，在每个运行水头下选取相同的若干个工况点，进行导叶给定阶跃扰动，记录运行水头、有功功率、机组流量的输出曲线，分析有功功率反调规律；
[0022]
对传统水轮机及引水系统模型进行改进，引入与有功功率反调线性关系的有功功率初始值和水流惯性时间常数修正系数，获得改进后水轮机及引水系统模型：
[0023][0024]
其中：p表示有功功率，mw；p
i0
为运行负荷工况，即有功功率初始值，mw；y表示导叶开度，％；f(y)表示在不同水头下导叶开度与有功功率进行三段修正；tw表示水流惯性时间常数；s表示拉普拉斯算子；
[0025]
基于改进后水轮机及引水系统模型，结合运行机组的水流惯性时间常数设计值，对不同运行水头下的不同工况点进行有功功率反调仿真校核，检验改进后水轮机及引水系统模型和水流惯性时间常数系数的有效性与准确性。
[0026]
进一步地，水流惯性时间常数修正系数为：
[0027][0028]
其中：f(hi)＝qi(i＝1、2、3...)，表示不同运行水头下，机组带额定负荷时的流量；
q0表示水轮机额定流量，m3/s；hi表x运行水头，m；h0表示额定水头，m。
[0029]
与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：
[0030]
1、本发明提供的水流惯性时间常数修正系数填补了一项空白；
[0031]
2、本发明通过引入水流惯性时间常数修正系数，对传统水轮机及引水系统模型进行了改进，具有实用价值；
[0032]
3、本发明直接通过水流惯性时间常数修正系数和有功功率初始值关联水轮机及引水系统模型，在仿真时无需修改水流惯性时间常数设计值，可实现在不同运行水头及多个工况点下的有功功率反调变化，测试方法简单，测试值准确，提高了电力系统稳定计算全工况仿真的效率和精度。
附图说明
[0033]
图1是传统水轮机及引水系统模型框图；
[0034]
图2是改进水轮机及引水系统模型框图；
[0035]
其中：qi为运行水头下额定负荷时的机组流量.m3/s；
[0036]hi
为运行水头，m；
[0037]
h1、h2、h3为不同运行水头下导叶开度与有功功率的关系曲线；
[0038]
图3是108m水头600mw工况仿真与实测有功功率对比图；
[0039]
图4是108m水头480mw工况仿真与实测有功功率对比图；
[0040]
图5是108m水头240mw工况仿真与实测有功功率对比图；
[0041]
图6是113.8m水头600mw工况仿真与实测有功功率对比图；
[0042]
图7是113.8m水头480mw工况仿真与实测有功功率对比图；
[0043]
图8是113.8m水头240mw工况仿真与实测有功功率对比图；
[0044]
图9是117m水头600mw工况仿真与实测有功功率对比图；
[0045]
图10是117m水头480mw工况仿真与实测有功功率对比图；
[0046]
图11是117m水头240mw工况仿真与实测有功功率对比图。
具体实施方式
[0047]
下面将结合本技术实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0048]
除非另外定义，本技术实施例中使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”、“横”以及“竖”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的
描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
[0049]
本实施例的水轮机及引水系统模型中水流惯性时间常数修正系统，包括采集器和处理器；处理器根据采集器采集的数据进行如下处理：
[0050]
对同一并网运行机组，选取三个运行水头，在每个运行水头下选取相同的三个工况点，进行导叶给定阶跃扰动，记录运行水头、有功功率、机组流量的输出曲线，分析有功功率反调规律；
[0051]
对传统水轮机及引水系统模型进行改进，引入与有功功率反调线性关系的有功功率初始值和水流惯性时间常数修正系数，获得改进后水轮机及引水系统模型：
[0052][0053]
其中：p表示有功功率，mw；p
i0
为运行负荷工况，即有功功率初始值，mw；y表示导叶开度，％；f(y)表示在不同水头下导叶开度与有功功率进行三段修正；tw表示水流惯性时间常数；s表示拉普拉斯算子；
[0054]
基于改进后水轮机及引水系统模型，结合运行机组的水流惯性时间常数设计值，对不同运行水头下的不同工况点进行有功功率反调仿真校核，检验改进后水轮机及引水系统模型和水流惯性时间常数系数的有效性与准确性。
[0055]
本实施例中，水流惯性时间常数修正系数的数学推导如下：
[0056]
1)额定水头、额定流量(额定负荷)下的水流惯性时间常数为：
[0057][0058]
式中：q0为水轮机额定流量，m3/s；h0为额定水头，m；l为相应每段引水管道的长度，m；s为每段引水管道的截面积，m；g为重力加速度，m/s2。
[0059]
2)不同运行水头、不同负荷下的水流惯性时间常数为：
[0060][0061]
式中：p
i0
为运行负荷工况(有功功率初始值)，mw；qi为运行水头下额定负荷时的机组流量，m3/s；q0水轮机额定流量，m3/s；hi为运行水头，m；h0为额定水头，m；l为相应每段引水管道的长度，m；s为每段引水管道的截面积，m；g为重力加速度，m/s2。
[0062]
3)统计不同运行水头下，机组带额定负荷时的流量，即：
[0063]
f(hi)＝qi(i＝1、2、3...)
[0064]
由此可得：
[0065][0066]
综上，水流惯性时间常数修正系数为：
[0067][0068]
本实施例中，水流惯性时间常数修正系数为运行水头与机组流量的关系系数，当运行水头发生变化时，统计机组在不同运行水头下带额定负荷时的流量，则可得随运行水头而变化的水流惯性时间常数修正系数。
[0069]
有功功率反调变化规律是指由水锤效应引起的有功功率反调随着负荷升高而增大，与负荷近似呈线性关系，同一负荷水头越低有功功率反调越大。
[0070]
传统水轮机及引水系统模型如图1所示，传统水轮机及引水系统三段修正是水电机组导叶开度与有功功率为非线性关系，对导叶开度与有功功率进行了三段修正处理，选取实测三段有功功率和对应的导叶开度。有功功率初始值是指机组在某个工况点运行时未发生有功功率反调时的初始功率。
[0071]
改进后水轮机及引水系统模型如图2所示，是引入了与有功功率反调线性关系的有功功率初始值和水流惯性时间常数修正系数，修正系数为运行水头与不同运行水头下机组带额定负荷时的流量的关系系数。
[0072]
需要说明的是，应理解以上装置的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现；也可以全部以硬件的形式实现；还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。
[0073]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在可读存储介质中，或者从一个可读存储介质向另一个可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0074]
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，cpu)、网络处理器(network processor，np)等；还可以是数字信号处理器(digital signalprocessing，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
[0075]
本实施例的水轮机及引水系统模型中水流惯性时间常数修正方法，按以下进行：
[0076]
对同一并网运行机组，选取若干运行水头，在每个运行水头下选取相同的若干个工况点，进行导叶给定阶跃扰动，记录运行水头、有功功率、机组流量的输出曲线，分析有功功率反调规律；
[0077]
对传统水轮机及引水系统模型进行改进，引入与有功功率反调线性关系的育功功率初始值和水流惯性时间常数修正系数，获得改进后水轮机及引水系统模型：
[0078][0079]
其中：p表示有功功率，mw；p
i0
为运行负荷工况，即有功功率初始值，mw；y表示导叶
开度，％；f(y)表示在不同水头下导叶开度与有功功率进行三段修正；tw表示水流惯性时间常数；s表示拉普拉斯算子。
[0080]
基于改进后水轮机及引水系统模型，结合运行机组的水流惯性时间常数设计值，对不同运行水头下的不同工况点进行有功功率反调仿真校核，检验改进后水轮机及引水系统模型和水流惯性时间常数系数的有效性与准确性。
[0081]
作为一个具体的修正实例：
[0082]
某巨型水电站，水轮机类型立轴混流式，引水系统采用单管单机方式，额定功率600mw、额定水头111m、额定流量597.95m3/s、水流惯性时间常数设计值2s。
[0083]
分别在108m、113.8m、117m三个运行水头下，机组带240mw、480mw、600mw有功功率，对调速器施加导叶给定阶跃量，实测有功功率反调曲线；统计机组在三个水头下带额定负荷600mw时的流量分别为601.32m3/s、561.72m3/s、548.49m3/s，将水头与流量数据代入图2所示模型(f(hi)＝qi(i＝1、2、3...))，则可得水流惯性时间常数系数的三段修正模型。
[0084]
水流惯性时间常数修正系数为：
[0085][0086]
其中：f(hi)＝qi(i＝1、2、3...)，表示不同运行水头下，机组带额定负荷时的流量；q0表示水轮机额定流量，m3/s；hi表示运行水头，m；h0表示额定水头，m。
[0087]
用改进后水轮机及引水系统模型和上述测得水流惯性时间常数修正系数分别在108m、113.8m、117m三个运行水头下进行仿真，仿真参数设置：水流惯性时间常数设计值2s、有功功率初始值为240mw、480mw、600mw，最终得出仿真有功功率反调曲线。
[0088]
仿真有功功率反调曲线和实测有功功率反调曲线对比如图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11所示；
[0089]
在108m、113.8m、117m水头下机组工况点参数、仿真与实测有功功率反调值及水流惯性时间常数修正系数结果如表1。
[0090]
表1：仿真与实测结果对比
[0091][0092]
通过上述试验可以看出，在同一水头下，随着负荷的升高，水流惯性时间常数修正系数近似线性增大，利用其仿真所得曲线如图3、图4、图5所示，仿真有功功率曲线非常接近实测曲线，有功功率反调值基本吻合；在不同水头下，修正系数会随着水头与流量的变化而
改变，利用其仿真所得曲线如图3、图6、图9所示，有功功率反调值也基本吻合。
[0093]
上述实例验证了本专利推导出的水流惯性时间常数修正系数的正确性；在不同运行水头及运行工况下，利用添加了修正系数的改进模型进行仿真时，其仿真结果均基本接近实测结果。
[0094]
改进后模型实现了不同运行水头与工况下有功功率动态变化仿真，较好反映了反调值的变化规律，比传统模型相比提高了电力系统稳定计算精度。