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（广西桂能科技发展有限责任公司 广西南宁 530007）
摘要：并网的发电机组原动机及调速系统的控制方式与调节特性，直接反映机组对电网频率波动的响应能力，影响电网的发供电品质及安全稳定运行。为保证电网与电厂的安全稳定运行，建立原动机及调节系统的数学模型，检验发电机组的控制方式及调节特性，实现电网的稳定性计算与分析意义十分重大。
关键词：调节系统；参数辨识；仿真建模
概述
原动机及其调速控制系统对电力系统动态稳定以及中长期稳定性都有显著的影响。在电力系统稳定计算中采用不同的原动机及其调速控制系统模型和参数，其计算结果会产生较大的差异。因此需要能正确反映实际运行设备运行状态的数学模型和参数，使得计算结果真实可靠。
通过对电网典型主力机组的原动机、励磁和调速系统模型和参数进行调查和测试，为系统稳定分析及电网日常生产调度提供准确的计算数据，是保证电网安全运行和提高劳动生产率的有效措施，具有重要的社会意义和经济效益。
一、参数实测过程
1、控制器模型参数PID值测试
调速器的控制器的计算模块都是由一些基本的比例、积分、加减等模块组合而成。因此，选取了基本的比例、积分模块进行了模型参数辨识，根据测试结果再结合现场的参数设置，即可得出其整个控制器模型的模型参数。
现场测试模型参数PID时，若永态转差系数bp为零，则得到PID调节器输出YPID对其输入频差◆┫AZ的传递函数。
比例系数Kp是水轮机调节系统的接力器行程相对偏差与输入阶跃量被控参量相对偏差之比的负数。
积分系数Ki是水轮机调节系统的接力器速度与给定的被控参量相对偏差之比的负数。
微分系数Kd是水轮机调节系统的接力器行程相对偏差与给定的被控参量相对变化率之比的负数。
2、永态转差系数测试
试验时，将bp设置为整定值，切除人工死区。设定比例增益Kp为中间值，积分Ki增益为最大值，微分增益Kd为最小值（或bt、Td和Tn置于最小值）。在额定频率的基础上，输入恒定频率偏差信号，使接力器全关后全开，在导叶接力器每次变化稳定后，记录该次信号频率值与相应的接力器行程。采用一元线性回归处理，可以得到永态转差系数bp，迟缓率ix，非线性度误差ε。
3、执行机构模型参数测试
在现场进行导叶开关动作特性试验，根据导叶的开关变化速率辨识可得其导叶开启时间常数To和导叶关闭时间常数Tc。
在现场进行了5%阶跃量的试验，使导叶PID输出一个小阶跃，令接力器关闭速度小于其最大关闭速度，以测试接力器速度限制没有动作时的电液伺服系统特性。由于机组的电液伺服系统可以看作一个并联PID系统，从而根据最小乘法，辨识拟合可得到其电液伺服系统的模型参数Kp、Ki、Kd。
4、接力器时间常数Ty测试
开环增益置于整定值，Kp、Ki置于最大值，Kd置于最小值（或bt、Td和Tn置于最小值）。调整好有关中位，使接力器能稳定于任意中间位置。然后在额定频率的基础上，阶跃稳定的额定频差信号，施加其绝对值逐次增加的正负阶跃频率信号，测量频率信号和相应的接力器速度。
或者切除导叶反馈，在规定的压力降下，把主配分别整定在不同行程，按开启/关闭方向逐次使主配从中间位置迅速移动到整定位置。记录每次开启关闭过程的主配行程和导叶接力器位移。
最后，根据测试数据绘制曲线，对曲线进行一元线性拟合得到直线方程，计算主接力器反应时间常数Ty。
5、一次调频死区测试
水轮发电机组调速系统必须具备一次调频功能，模型调速器传递函数原理图都应存在一次调频死区，为保证发电机组安全运行，使并网运行机组随时适应电网负荷和频率的变化，提高电能质量及电网频率的控制水平，就必须充分发挥发电机组一次调频能力，而测试准确的一次调频固有死区非常重要。测试时，将人工频率死区设置为0.05Hz，输入频率信号源，测试PID输出变化情况，记录PID输出发生改变时的频差信号
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，只有输入的频差信号
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大于频率死区范围0.05Hz，一次调频死区功能有效，所以，一次调频固有死区等于实测频率死区减去设置人工频率死区。
6、原动机模型参数测试
在现场实测中，并网发电的机组在开度模式下进行一次调频频率阶跃试验，机组在相应频率扰动下产生功率变化，并有明显的水锤效应现象。这种水锤效应现象是水轮发电机组发生功率波动时的特有调节现象，据此可辨识水锤效应时间常数Tw。
二、建模与仿真过程
采用中国电科院PSD仿真软件，根据现场实测及辨识的结果，得出所用控制模型的稳定计算用参数，在BPA的模型中进行仿真。
1、调速控制系统及原动机模型
水轮机调节系统传递函数模型框图一般有：开度控制模式、功率控制模式和频率控制模式。并网后控制方式为开度闭环控制，可以投入一次调频功能。
调速系统的液压系统为数字控制环节的执行机构，由综合放大环节、电液转换环节、配压阀及主接力器等环节构成，模型中另有部分速率限制、限幅等非线性环节组成。
2、稳定用计算模型参数
根据现场一次调频试验结果，其一次调频功能死区为
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，由于稳定计算模型需要填写的死区为
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对应
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转，则折算为稳定计算的频差死区为：
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pu。一次调频负荷限制为10%，则近似转换为频率的标么值为
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。根据现场实测结果，对于BPA程序用户，选用GM/GM+卡GA和Tw卡进行模型仿真计算。
2、BPA仿真校核
在PSD仿真软件中进行并网频率阶跃仿真，发电机模型采用单机无穷大模型，参数采用实际运行中的水轮发电机组参数，励磁系统模型机参数采用设计参数。原动机及调速器是结合在一起的模型，采用机组实测及稳定计算用模型得出模型参数，通过将模型仿真结果与一次调频动作结果比对，验证了调速系统及其原动机模型参数的正确性，模型参数就可以用于电力系统稳定计算。
三、分析与研究过程
1、辨识得出不同的执行机构模型参数，由于水电站的调节保护计算，提供的水轮机的开启特性，开机和关机速度基本上是一样的，导叶开启时间常数To和导叶关闭时间常数Tc差距大，分析研究表明辨识得到其电液伺服系统的模型参数上升和下降就不相同，在稳定计算中不可能提供两种不同的模型参数，在BPA的执行机构模型参数取平均值。
2、一次调频试验时，发现有功调节不能同步与一次调频动作指令，两者存在一定的时间差，根据对试验的分析与研究，这一现象可能有两个原因：一是一次调死区模块设置无效；二是一次调频动作指令信号为电气信号，它的计算周期与有功调节指令计算周期不一致，出现时间的滞后性。三是机组存在机械死区。
3、水轮机特性受水头等影响较大，特别是适逢枯水期时，试验水头比较低时，出现比较大的Tw值，这是因为水轮发电机组突增或突减都会引起水击，水击压力的绝对值与水流惯性时间常数Tw成正比，而Tw与甩负荷前的静水头成反比，所以静水头越小，水击压力绝对值越大，Tw值就越大。时间常数Tw是水轮机组特征数值之一，与机组的流道长度以及容量大小等因素有关。
四、参数优化与结果
1、对于双调机组而言，桨叶对功率的贡献比较大，增加有功时桨叶协联机组效率比较高，往往是同样的频差变化，增加的功率比减少的功率大。所以在GM卡模型参数中，在给定的模型基础之上增加了频率系数KW，该系数放在频率死区后面，主要考虑水轮机在不同出力点其出力变化速率不同。且如机组为双调机组，桨叶的变化对机组的出力影响是不能忽略的，又由于不同出力点机组协联关系的不对称，为弥补桨叶变化对出力的贡献，需要改变频率系数KW值来弥补。
2、由于实际转桨式机组桨叶接力器时间常数Tyr一般小于1s，且大多水轮发电机组不具备方便可行的测试条件，Tyr难以实测，所以建模时可以令Tyr取值为1s，即忽略桨叶反应时间环节的影响，对模型仿真结果影响不大，亦简化了建模和实测工作。
3、在稳定计算时，机组发电机出现震荡，可以修改单机无穷大母线的电抗标幺值来优化，也可通过潮流收敛性来判定发电机励磁参数是否存在问题，优化励磁参数比例积分KV和调压增益KA对原动机及调速系统模型仿真有很大的帮助。
结束语
通过现场电液伺服系统最大动作速度测试、小幅度的动作特性测试；原动机阶跃响应测试；开度方式一次调频试验测试。在测试结果的基础上，得出了调速系统及其原动机的BPA稳定计算用模型参数。通过将仿真结果与一次调频动作结果比对，验证了调速控制系统及其原动机模型参数的正确性。为系统稳定分析及电网日常生产调度提供准确的计算依据。可供电力系统稳定分析计算使用。
参考文献：
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