一种水电机组原动机模型选择方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于电力系统仿真的水电机组原动机模型选取方法，属于水电机组原动机建模技术领域，该方法将水电机组原动机系统看成水轮机模型、水击模型与调压室‑分叉管模型的组合，包含以下步骤：收集水电机组原动机资料；选择水轮机模型；选择水击模型；考虑是否使用调压室‑分叉管模型；将选择的水轮机模型、水击模型与调压室‑分叉管模型组合后得完整的原动机模型。该方法具有选取过程简单、适用条件清晰、易于实现等优点，能够根据水轮机类型、Tw/Tr与Tf/Tr值、仿真时间与调压室振荡周期关系快速选择最佳的水电机组原动机模型组合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水电机组原动机模型研究领域，具体为一种水电机组原动机模型选择方法，该方法依据水轮机类型、Tw/Tr与Tf/Tr值、仿真时间与调压室振荡周期关系选择水电机组原动机模型。
技术介绍
水电机组是电力系统的重要组成部分，具有开、停机速度快，能够快速、灵活地根据电网需要做出调整等优点，所以是理想的调频、调峰和事故备用电源。水电机组原动机系统由引水道、调压室-分叉管、水轮机构成，其模型的准确性对电力系统仿真有重大影响。以往的研究侧重于水电机组原动机系统模型开发，研究者建立各种各样的模型，但并未深入研究这些模型的适用条件。在大规模电力系统仿真中，选择模型时通常需综合考虑模型精度和计算量：低精度的模型参数少，计算量小，但误差较大；复杂的高精度原动机模型可以提高仿真精度，也会显著增加计算量。目前缺乏选择模型的方法与指导性建议，因此，如何选择适合于大规模电力系统仿真的水电机组原动机模型成为新的研究方向。
技术实现思路
针对目前模型适应性研究的不足，本专利技术在研究模型适应性后得到了其适用条件，从而提出一种水电机组原动机模型选择方法，其特征在于能够根据水电机组水轮机类型、Tw/Tr与Tf/Tr值、仿真时间与调压室振荡周期关系快速、灵活地选取水电机组原动机模型。本专利技术提供一种水电机组原动机模型选择方法，包括如下步骤：步骤1在选择水电机组原动机模型前，首先要收集水轮机、引水管道、调压室与调速器的资料。根据建模需要，设计的资料收集表格如下，建模人员需实地调查、收集并填写该表格。仿真时间/s水轮机类型(水斗式/混流式)水锤时间常数(Tw)/s水击时间常数(Tr)/s接力器最短开启或关闭时间(Tf)/s是否设置调压室(是/否)调压室水位上升或下降时间(Th)/s步骤2选择水轮机模型。解析非线性模型基于水斗式水轮机的孔口出流方程推得，模型参数不因水轮机工况(出力、水头等)的改变而变化；理想模型是解析非线性模型在理想、额定工况下的特例；有综合特性曲线资料的水轮机可用传递系数模型来描述，不同工况下传递系数不同。由于混流式水轮机动态特性随工况的改变而变化且其不满足孔口出流方程，因而解析非线性模型与理想模型可能无法精确地描述混流式水轮机的动态行为。图3为解析非线性模型、分段传递函数模型、分参模型与理想模型的动态过程仿真曲线，比较模型时，应以实测曲线作为参考，但因条件限制缺乏真机试验数据，故分析时采用高精度的分参模型仿真曲线代替实测曲线。可知，对于水斗式水轮机，建议选用解析非线性模型与理想模型；对于混流式水轮机，建议选用传递系数模型或者分段传递系数模型；若要使用解析非线性模型，首先要根据当前仿真工况率定其参数以体现混流式水轮机动态特性随工况的改变而变化的特点；但研究时缺乏水轮机原始资料，可使用理想模型。步骤3选择水击模型。水击模型的选取原则是：模型能正确反映系统的动态特性(即动态特性原则)，且基本反映系统的稳定性(即稳定性原则)，在满足以上条件下尽量使用简单模型。图4以Tw＝2.0，Tw/Tr＝1/2/4时的水击模型仿真曲线为例来说明Tw/Tr适用性条件；当Tw/Tr＞2时，刚性水击模型和降阶弹性水击模型的动态曲线基本吻合，由动态特性原则可知在此条件下可以选用刚性水击模型；当Tw/Tr≤2时，刚性模型反调峰值过大，这时刚性水击模型不能反映系统的动态特性，由动态特性原则可知该选择精确度更高的降阶弹性水击模型。图5以Tf＝4.0，Tf/Tr＝3/6/8时的水击模型仿真曲线为例来说明Tf/Tr适用性条件。当Tf/Tr＞6时，刚性水击模型和降阶弹性水击模型的动态曲线基本吻合，由动态特性原则可知在此条件下可以选择刚性水击模型；当Tf/Tr≤6时，刚性模型反调峰值过大，这时刚性水击模型不能反映系统的动态特性，由动态特性原则可知该选择精确度更高的降阶弹性水击模型。图6以Tw＝2.0，Tw/Tr＝0.25/0.5/2时水轮机调节系统稳定域来说明Tw/Tr适用性条件。与刚性水击模型相比，降阶弹性水击模型Tw/Tr＞2时稳定域基本相同，刚性水击模型基本反映系统的稳定性，由稳定性原则可知在此条件下可以选择刚性水击模型；Tw/Tr＜2时，系统稳定区域随着Tw/Tr减小而缩小，刚性弹性水击模型不能合理地描述系统的稳定区域，由稳定性原则可知在此条件下不可以选用刚性水击模型，而该选用降阶弹性水击模型。根据水击模型的动态特性原则和稳定性原则可得水击模型的适用性条件：当Tw/Tr≤2或Tf/Tr≤6时，建议选用降阶弹性水击模型；当Tw/Tr＞2且Tf/Tr＞6时，可选用刚性水击模型。步骤4考虑是否使用调压室-分叉管模型。考虑是否使用调压室-分叉管模型时不仅要考虑水电机组原动机系统的真实情况，而且要考虑仿真时间与调压室振荡周期的关系。某些机组引水管道较短，并未设置调压室，这时不使用调压室-分叉管模型。图7以某设置有调压室的机组减20％负荷的动态过程为例来说明调压室-分叉管模型的适用性条件。由图知调压室的振荡周期约为520秒，当仿真时间小于1/8振荡周期(即小于65秒)，含调压室与不含调压室的两种模型的机组出力差值在2％内，这时可不使用调压室-分叉管模型；当原动机引水管道有调压室，但仿真时间大于1/8振荡周期(即大于65秒)，由于含调压室与不含调压室的两种模型的机组出力差值过大，这时要使用调压室-分叉管模型以体现其对机组出力的影响。总体而言，与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术在选择模型过程中，将水电机组原动机看成水轮机模型、水击模型与调压室-分叉管模型的组合，分步骤选择原动机模型。根据水轮机类型选择水轮机模型，根据水锤惯性时间常数、接力器最短开启或关闭时间与水击时间常数的比值选择水击模型，根据仿真时间与调压室振荡周期关系考虑是否使用调压室-分叉管模型。本专利技术方法思路清晰，易于实现，具有较强的实用价值。附图说明图1为本专利技术水电机组原动机模型选择方法的流程图；图2为本专利技术水电机组原动机模型框图；图3为本专利技术不同水轮机模型仿真曲线；图4为本专利技术Tw＝2.0，Tw/Tr＝1/2/4时水击模型仿真曲线；图5为本专利技术Tf＝4.0，Tf/Tr＝3/6/8时水击模型仿真曲线；图6为本专利技术Tw＝2.0，Tw/Tr＝0.25/0.5/2时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水电机组原动机模型选取方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1选择水轮机模型：步骤2选择水击模型：步骤3考虑是否使用调压室‑分叉管模型：步骤4将选择的水轮机模型、水击模型与调压室‑分叉管模型组合后得完整的原动机模型。

【技术特征摘要】
1.一种水电机组原动机模型选取方法，其特征在于，所述方法包括以
下步骤：
步骤1选择水轮机模型：
步骤2选择水击模型：
步骤3考虑是否使用调压室-分叉管模型：
步骤4将选择的水轮机模型、水击模型与调压室-分叉管模型组合后得
完整的原动机模型。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述的步骤1中可
选的水轮机模型包括理想模型、解析非线性模型、传递系数模型，水轮机
模型适用性条件：当水轮机为水斗式水轮机选用解析非线性模型或理想模
型；当水轮机为混流式水轮机选择传递系数模型或者分段传递系数模型；
当缺乏水轮机原始资料，选择理想模型。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述的步骤2中
可选的水击模型为降阶弹性水击模型与刚性水击模型，选择模型的指导性
原则为动态特性原则与稳定性原则。
4.根据权利要求3所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘昌玉，何凤军，刘肖，田田，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42