某水电厂水轮机调速器空载运行特性的仿真分析

2020.10 EPEM
97
发电运维
Power Operation
某水电厂水轮机调速器空载运行特性的
仿真分析
国家电投云南国际云南滇能禄劝电磷开发有限公司甲岩水电厂 付忠林
摘要：根据某电厂水轮发电机组空载频率摆动试验和空载频率扰动试验的实测波形曲线，利用基于MATLAB的水轮机调节仿真决策系统进行仿真并分析。

关键词：调速器；空载运行特性；空载频率摆动；空载频率扰动；仿真
水
轮机调速器担负着机组转速控制和有功负荷的调整，以及机组开停机、并网、紧急停机等控制任务；当水轮发电机组并入大电网运行时承担电网的
一次调频任务和二次调频任务，对电网的频率稳定和电能质量至关重要[1]。

水轮机调节控制系统的空载特性包括机组转速（频率）摆动特性和转速（频率）扰动特性，在水轮发电机组空载运行过程中必须满足相关国家标准和行业标准。

水轮机调节控制系统的空载频率动态试验，是用来检查水轮机调速器在机组空载运行时水轮机调节系统稳定性能和快速、单调趋近于稳定值的动态性能，一般要求在水电厂现场必须进行该项试验，用来确定水轮机调速器空载工况较优的PID 参数，以保证被控水轮发电机组有优良的空载运行特性，从而控制机组开机后快速地同期并网和甩负荷后机组稳定在空载运行[2]。

利用基于MATLAB 的水轮机调节仿真决策系统对水轮机控制系统的空载频率动态特性进行仿真，在水轮机调速器新投运调试和试验时，不用多次重复试验就可快速确定水轮机调速器空载工况较优的PID 参数，同时能直观地反映引水系统参数、水轮发电机组参数和调速器参数对水轮机调节控制系统空载动态特性的影响[3-4]。

1 水轮发电机组空载频率摆动特性仿真分析
某水轮发电机组调速器的空载PID 参数实际设置
为K P =4、K I =0.1、K D =1，现场开展空载频率摆动试验的试验结果：在自动工况下水轮发电机组3min 的频率摆动值为-0.025~0.026Hz，即该水轮发电机组3min 的转速摆动相对值为-0.05%~0.052%。

根据该水轮发电机组空载频率摆动试验的试验结果和水轮机调速器空载PID 实际参数，利用基于MATLAB 的水轮机调节仿真决策系统进行仿真，仿真结果如下：
图1仿真结果得出：同一水轮发电机组，水轮机调速器比例增益K P 、积分增益K I 、微分增益K D 的取值都对水轮发电机组空载频率的摆动有一定的影响：比例增益K P 越大空载频率摆动值越小，稳态精度越高[5]；图2仿真结果得出：一定范围内，积分增益KI 越大空载频率摆动值越小，但积分增益K I 过大、波动次数增多，空载频率摆动值反而变大；图3仿真结果得出：一定范围内，微分增益K D 越大空载频率摆动值越小，但微分增益K D 过大波动次数反而增多。

2 水轮发电机组空载频率扰动特性仿真分析
某水轮发电机组调速器的空载PID 参数实际设置为K P =4、K I =0.1、K D =1，现场空载频率4Hz （48Hz~52Hz）扰动试验的试验结果：超调量为0.14Hz（3.5%），频率变化衰减度为0%，调节时间为4.55s。

根据该水轮发电机组的空载频率4Hz 扰动试验的试验结果和水轮机调速器空载PID 实际参数，利用基于MATLAB 的水轮机调节仿真决策系统进行仿真，仿真结果显示：同一水轮发电机组，水轮
98 EPEM 2020.
10
发电运维
Power Operation
机调速器比例增益K P 、调速器积分增益K I 、调速器微分增益K D 的取值对水轮发电机组空载频率扰动性能都有影响。

图4仿真结果得出：在一定的范围内，比例增益K P 越大，调节时间越短，稳态精度越高；但比例增益K P 过大超调会加大，波动次数增多，反而导致调节时间增长。

比较起来红色实线（机组实际曲线）比例增益的动态过程较理想。

图5仿真结果得出：积分系数K I 越大，波动次数增多，调节时间越长，超调量增大；积分系数K I 太大会引起过调，导致系统振荡。

比较起来红色实线（机组实际曲线）积分增益的动态过程较理想，综合比例增益K P 和积分增益K I 对机组空载频率扰动特性的影响来讲，比例增益K P 的取值对水轮发电机组空载频率扰动特性的影响较强，而积分增益K I 的取值对水轮发电机组空载频率扰动特性的影响相对较弱。

图6仿真结果得出：一定的范围内，微分增益K D 越大，超调量越小，调节时间越短；但微分增益K D 过大、波动次数增多，反而导致调节时间增长，系统稳定裕度变小，甚至导致系统振荡。

比较起来红色实线（水轮发电机组实际曲线）微分增益的动态过程较理想，综合比例增益K P 和微分增益K D 对机组空载频率扰动特性的影响来讲，比例增益K P 的取值对水轮发电机组空载频率扰动特性的影响较强，而微分增益K D 的取值对水轮发电机组空载频率扰动特性的影响相对微弱，但微分增益K D 取较大值有利于抑制水轮发电机组频率动态过程的超调现象。

3 结语
根据现场试验实测和仿真分析，某水电厂水轮机调速器空载运行特性非常理想，调速器的PID 参数设置合理。

利用基于MATLAB 的水轮机调节仿真决策系统对水轮机控制系统的空载频率动态特性进行仿真，可快速确定水轮机调速器空载工况较优的PID 参数，减少水电厂现场试验的次数，同时能直观地反映引水系统参数、水轮发电机组参数和调速器参数对水轮机调节控制系统空载动态特性的影响。

同一水轮发电机组，水轮机调速器比例增益K P 、积分增益K I 、微分增益K D 的取值对水轮发电机组空载频率的摆动特性都有一定的影响。

同一水轮发电机组，水轮机调速器比例增益K P 、积分增益K I 的取值对水轮发电机组空载频率扰动特性有明显的影响，微分增益K D 的取值对水轮发电机组空载频
率扰动特性有一定的影响。

参考文献
[1]魏守平.水轮机调节.武汉:华中科技大学出版社, 2009.
[2]魏守平.水轮机调节系统的动态过程特性.水电自动化与大坝监测,2012.
[3]魏守平.水轮机调节系统仿真.武汉:华中科技大学出版社,2011.
[4]罗旋,魏守平.基于MATLAB 的水轮机调节系统仿真.水电站机电技术,2005,3.
[5]魏守平,卢本捷.水轮机调速器的PID 调节规律.水力发电学报,2003,4.
图2 积分增益K I 对机组空载频率摆动特性
影响仿真曲线图3 微分增益K D 对机组空载频率摆动特性影响仿真曲线
图4 比例增益K P 对机组空载频率扰动特性
的影响的仿真曲线图5 积分增益K I 对机组空载频率扰动特性影响仿真曲线图6 微分增益K D 对机组空载频率扰动特性影响仿真曲线
图1 比例增益K P 对机组空载频率摆动特性
影响仿真曲线。