抽水蓄能电站水机电系统计算仿真的若干问题分析

1、】8抽水蓄能电站工程建设文集2008抽水蓄能电站水机电系统计算仿真的若干问题分析周建旭蔡付林胡 明(河海大学【摘要】结合若干仿真问题.提出调压室局部损失系数的确定应尽可能结合实际的局部流态,以从数据输入侧 实现调压室涌浪过程的实时仿真。分析机组导叶关闭规律的仿真和调速器的可调性之间的关系,以真实再现导叶 运动过程和水力一机械系统动态特性。给出不同于常规电站的典型过渡工况的仿真要点以及一种简便易行的无功 功率调节仿真实现方法。【关键词】抽水蓄能电站仿真调压室导叶关闭规律无功功率1前言抽水蓄能电站在电力系统中的主要作用是调峰填谷、调频、调相和事故备用,包括抽水、抽水调相、 发电、发电调相和静止五个

2、基本运行工况,可逆式机组存在双向旋转,输水系统中存在双向水流,与常规 机组比较,抽水蓄能机组运行工况较多,工况转换多样而复杂1。因此,抽水蓄能电站水机电系统计算仿 真是抽水蓄能电站仿真机的关键技术问题和难点。抽水蓄能电站水机电系统计算仿真涉及面广,包括输水 系统、可逆式机组、调速器、发电电动机和励磁机等,而水力一机械系统动态仿真是抽水蓄能电站水机电 系统仿真的关键模块,要求准确实时地反映机组参量,以及输水系统中各水力元件和特征位置瞬态参数的 动态过程。因此,结合影响水力一机械系统动态仿真程度的主要影响因素调压室阻抗孔口局部损失系 数和导叶关闭规律,进行深入的仿真研究,进而分析抽水蓄能电站不同于

3、常规电站2的典型过渡工况的仿 真要点,以全面实现系统动态特性的准确仿真。2调压室阻抗孔口局部损失系数2.1阻抗孔口局部损失系数的确定通常,依据DL/T 5058-1996水电站调压室设计规范的规定,流进/流出调压室的水头损失可按11,2式Ah-砭V r(u为阻抗孔口流速计算拟定,定义局部损失系数亭=1/#,阻抗孔流量系数可以在 甲厶g0.60"一0.80之间选取;或者查膜板式调压室的水头损失曲线和带连接短管式调压室的水头损失曲线得到。 在实际的抽水蓄能电站中,调压室的形式以及与隧洞的连接形式多样,实际流进/流出调压室的局部损失 系数与规范确定的数值(简称为规范值之间可能存在一定的偏差

4、,虽然对调压室涌浪分析结果的影响在 允许的范围以内,但从仿真角度而言,阻抗孔口局部损失系数输入“失真”。因此,在可能条件下,考虑 调压室节点可能出现的各种流态(包括分流和合流,采用不同分流比情况下流进/流出调压室局部损失系 数的成果,进行计算仿真。2.2算例仿真分析某抽水蓄能电站设置阻抗式引水调压室,阻抗孔口直径为4.3m,调压室竖井(断面3直径为9.0m, 上游引水隧洞(断面1直径为6.2m,下有压力管道(断面2直径为5.4m,由DL/T 5058-1996水电站调压室设计规范可知:当水流流进调压室时近似取伊=0.60,局部损失系数62.7778; 当水流流出调压室时近似取9一O.80,局部

5、损失系数岛=1.5625。在局部模型试验中采用总流断面 的流速水头作为基准流速水头,因此结合不同的分合流过渡流态,分别把流进/流出调压室的局部损 失系数规范值转化到相应的基准流速水头,以作比较,见表l。图1和图2为流进/流出调压室局部 损失系数的变化规律。抽水蓄能电站土建工程与机电设备设计 j】9表1可能出现的六种分合流过渡流态和进出调压室的局部损失系数编号 a b C d e f(分流比为1 38.507(2,3 21.334(3,2l _lIl; 球 辑 驻 窿籁 幡 水 羁 齄 喔稿幡水蜗箍喧f13(流态c卜一一-f23(流态c图1流人调压室的局部损失系数变化规律一p2(搋悉d卜毋 (说

6、态.,一,7_,.二;流出调压室的分流比毋l(流态f一毋2(流态f 惹:3。0冰22譬。148图2流出调压室的局部损失系数变化规律由图1和图2分析可知:在分流和合流情况下,流进/流出调压室的局部损失系数不是常数,应是一 个与流态、分流比和阻抗孔大小均有关的变量;从数值上分析,规范值为流进/流出调压室的分流比为1时的局部损失系数,两者数值较为接近。3导叶关闭规律3.1可逆式机组导叶关闭规律因抽水蓄能电站可逆式机组的过流特性比较复杂,与常规机组存在较大的差别,当水力一机械系统发 生过渡过程时,机组蜗壳进口内水压力的变化不仅与机组导叶关闭规律有关,而且与机组转速的上升密切 有关,可能会导致蜗壳进口最

7、大内水压力较难满足调节保证计算要求。因此,对机组导叶关闭规律的选择 提出了更高的要求,常采用的导叶关闭规律4包括:先快速关至一较小开度后慢关的两段折线关闭规 律;先拒动后关闭的两段折线关闭规律;三段折线关闭规律,先快关导叶,在机组转速上升接近并达 到最大值直至下降的某一时间段内,保持导叶开度基本不变,以保证蜗壳进口内水压力上升的幅值减小, 后快速关闭。先拒动后关闭的两段折线关闭规律的拒动控制开度可随实际运行开度变化且易于实现,而三 段折线关闭规律的实现比较复杂。3.2导叶关闭规律的仿真实现某抽水蓄能电站,通过导叶关闭规律优化发现无论采用直线关闭规律或两段折线关闭规律(见图3,机组蜗壳进口最大内

8、水压力均超过原调保控制值。因此,考虑采用三段折线关闭规律,以保证蜗壳进口内 水压力上升的幅值减小,优化得到的三段关闭规律为:Ts=23s,k=2.0s,妇=0.76,%=15.0s, %=o.73,见图4,此时机组蜗壳进口最大内水压力等均满足调节保证计算要求。j20抽水蓄能电站工程建设文集2008图3机组导叶二段关闭规律 间7'1080.60402(L2,儿2(丁乙.y.、 、 5lO 152025 f(s图4机组导叶三段关闭规律对于实际抽水蓄能电站的调速器而言,机组导叶采用三段关闭规律,工程实现比较困难,在设计和运 行允许的情况下,可以提高蜗壳进口最大内水压力的控制值,以保证能够找到

9、一合理的导叶二段优化关闭 规律(见图3。基于上述分析,该抽水蓄能电站蜗壳进口最大内水压力的调保控制值提高40.0m,得到 导叶二段关闭规律的优化计算结果为:Ts=35s,Tm=2.5s,%一O.66,对应的机组蜗壳进口最大内水压 力小于新的控制值,最大转速上升值和尾水管进口最小内水压力也满足调节保证计算要求。由此可知,虽 然提高调保控制值,对钢管的强度设计和施工设计提出了更高的要求,但是机组导叶关闭规律明显简化, 易于稳定可靠的实现。鉴于抽水蓄能电站机组导叶关闭规律的多样性和实现的复杂性,在进行导叶关闭规律仿真时,要求相 应的模块具有良好的通用性,能够实现包括三段关闭规律在内的多种导叶关闭规律

10、的仿真,且要求能够方 便、快捷和光滑的切换,以真实再现导叶运动过程和水力一机械系统动态特性。4典型工况的仿真实现在实现机组导叶启闭规律和流进/流出调压室的流态模拟等子模块的仿真后,基于输水系统的特征线 法,结合调速器和机组状态方程的分析模块,以及相应的边界条件,建立水力一机械系统动态仿真的分析 模块,可实现抽水蓄能电站水力一机械系统所有过渡过程的仿真。在此,简要分析有别于常规电站动态过 程的抽水蓄能电站典型工况的仿真实现。4.1水轮机工况启动过程机组水轮机工况启动过渡过程指机组从停机状态打开导叶,在水流作用下开始转动,转速上升,达到图5水轮机工况启动的升速过程 同步后并人电网的过程。调速器的顺

11、序动作为:打开机组导叶至某一开度 (稍大于相应的空载开度,依靠水流推动机组转轮转动;在机组转速达到 90%额定转速时,投入PID调节,调节机组频率至额定值,此时导叶开度 停留在空载开度附近,即通过调速器调节使机组在空载开度下建立额定转 速,见图5。4.2水泵工况启动过程可逆机组在水泵工况的启动过渡过程可分为升速阶段和增加抽水流量阶段。升速阶段的过渡过程与水泵的启动方式密切相关,不同的水泵工况启动方式对应不同的升速过程, 如以静止变频器为主要手段、背靠背为辅助手段的启动方式,则以实现静止变频器的动态仿真为前提条 件;而增加抽水流量阶段的过渡过程则一般与启动方式无关。(1在升速阶段,机组由电动发电

12、机拖动,转速从零上升到接近水泵方向的同步转速,机组并网,转 轮室逐渐排气充水,输入功率逐渐增大,转轮内外侧的压差逐渐升高,待转轮外侧(导叶内侧的水压达 到规定值(约为理论最高扬程的50%后,准备打开导叶,在此过程中整个输水道的过流量始终为零。 因此,这一阶段的过渡过程仿真实际上就是转轮在空气及水中以水泵方向升速的动态仿真,主要结合常用 的静止变频器启动仿真模型计算转轮在空气中的升速过程,用转轮室充水排气模型计算机组并网后到导叶 开启前的充水过程。若升速结束后,机组并网并继续保持转轮在空气中运行即可实现机组抽水方向调相的抽水蓄能电站土建工程与机电设备设计 】2J仿真。(2在增加抽水流量阶段,机组

13、转速稳定在水泵工况同步转速,打开导叶或阀门按给定规律开启到, 抽水流量逐渐增加,即水泵启动过程。4.3水泵工况断电过渡过程可逆机组在水泵工况断电的过渡过程仿真与水轮机工况甩负荷过渡过程仿真的主要区别在于:水泵工 况稳定运行时,流量Q、转速咒的方向与水轮机工况相反,表现为负值。依据实际抽水蓄能电站的运行情况和可能的故障问题,机组导叶按给定关闭规律正常关闭或者拒动, 相应参量的动态仿真过程存在明显的差别。对于机组转速而言:若导叶正常关闭,转速动态曲线如图6 (a所示,转速大小和方向与导叶关闭时间密切相关,此时,可依靠电气制动和机械制动减速直至静止, 在满足一定条件下,采用较短的导叶关闭时间,可以避

14、免机组转速反向而较快实现静止工况;若导叶拒 动,转轮在反向水流作用下沿等开度线过渡运行,转速动态曲线如图6(b所示,转速大小和变化趋势 取决于可逆式机组在水轮机制动工况和反水泵工况的特性,特别与可能的“S”特性密切相关,故障解除 后,同样可依靠自身阻力矩、电气制动和机械制动减速直至静止。4.4水泵工况切换至水轮机工况 400 当系统中其他电站出现事故解列时,喜j【 正处于抽水工况的可逆式机组需尽快投入喜一200发电工况运行。此时,紧急切断输入功率, 一:f 机组马上甩负荷(用泵抽水,不停机,主0阀开度不变,导叶关闭至空载开度,电动机解列,水流反向,在反向水流的冲击作用下,转速由水泵工况额定转速

15、减小至零,并反向至水轮机方向旋转,调整导叶开度,600360。l 120毫一120t一360-600厂、 -,一 |/1224364860O 20406080100 f(s f(s (a (b图6机组抽水断电工况转速动态仿真曲线(a导叶正常关闭f(b导叶拒动转速达到额定转速咒,换相倒闸,机组并网、导叶打开使机组进入发电运行。因此,该过渡工况的仿真 实际上包括水泵断电过渡过程的计算仿真(导叶关至空载开度和水轮机工况增减负荷过渡过程的计算 仿真。可逆式机组由水轮机工况切换至水泵工况一般无快速要求,不采用直接转换,由发电工况至静止工 况,继而转换为抽水工况,相当于水轮机工况至静止工况和水泵启动工况的

16、组合。4.5水泵方向调相工况切换至抽水工况,进而切换至静止工况机组调相转抽水主要包括转轮室充水排气和导叶开启两个阶段,可分别采用相应的模型来仿真。其 中,导叶开启阶段机组不解列,转速保持额定转速不变,导叶开启,机组抽水流量增大,相当于抽水工况 增减负荷的仿真实现。而抽水切换为抽水方向调相的过程仿真与之相反。正常情况下,水泵工况停机先是 关导叶,在导叶关至一定开度后再断开主机出口开关与电网解列。4.6无功功率调节的仿真建模在抽水蓄能电站正常运行过程中,机组可能进行调相运行或依据电网需要进行无功功率Q调节,因 此在抽水蓄能电站水机电系统仿真中必须真实展现水电站实际的无功功率调节。无功功率调节与励磁

17、控制 系统密切相关,可通过调节励磁电流Jr来实现,输出无功功率的大小还跟电网和机组的运行方式以及机 组的出力密切相关。因发电机和励磁机调节控制的基本模块是微分调节,相应的调节过程必然是一振荡过 程;同时现场实测数据不可能覆盖电站运行的全部范围,不易准确找到设定无功功率下的励磁电流,而且 从仿真的角度而言也不一定合理。因此,可建立以励磁电流调节为主要方式的无功功率调节仿真模块,经 过订正模型,采用变步长迭代的方式简便而准确地实现无功功率调节的实时仿真,即依据实时的物理参数 实时调节步长,向设定值逼近。与其他模型技术比较,该仿真技术简便且易于实现,而且充分考虑了模型 微分环节的动态特性,使仿真过程与现场实际调节过程不仅目标一致,而且过程一致,逼真而直观地展现 水电站系统实际的动态过程。122抽水蓄能电站工程建设文集2008某抽水蓄能电站结合机组带额定负荷发电运行和发电方向调相运行工况,采用订正模型仿真技术进行 无功功率调节的仿真,并且与现场实测过程线比较分析,表明相应的动态仿真误差小于lO o.4,特别是在 无功功率调节的局部范围内动态仿真误差小于5%,全面逼真地实现了抽水蓄能电站运行中无功功率的调 节仿真。5结语抽水蓄能电站水机电系统计算仿真