一種水輪機(jī)特性仿真方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)的仿真領(lǐng)域，具體為一種水輪機(jī)特性仿真方法及裝置。本發(fā)明通過輸入接力器行程信號(hào)和機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)，然后完成信號(hào)延遲、增量計(jì)算、系數(shù)傳遞、水頭計(jì)算、流量計(jì)算、力矩計(jì)算及仿真計(jì)算參數(shù)的自適應(yīng)，最后完成水輪機(jī)力矩的輸出。采用本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法，可以方便地根據(jù)工況進(jìn)行傳遞系數(shù)的調(diào)整，使該方法具有更好的適應(yīng)性。
【專利說明】一種水輪機(jī)特性仿真方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)的仿真領(lǐng)域，具體為一種水輪機(jī)特性仿真方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]水輪機(jī)是進(jìn)行水能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換的裝置，是水電站和抽水蓄能電站的重要組成部分。也是構(gòu)成水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，在水電機(jī)組正常開機(jī)、空載運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行、增減負(fù)荷、正常停機(jī)等過程中，水輪機(jī)的特性對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有著重要的影響。水輪機(jī)特性的仿真是水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真和電力系統(tǒng)仿真的重要一環(huán)。
[0003]水輪機(jī)特性仿真一般有三種方法:線性水輪機(jī)模型、非線性水輪機(jī)模型以及理想水輪機(jī)模型。非線性水輪機(jī)模型能較好的描述水輪機(jī)在不同工況下的真實(shí)特性，但需進(jìn)行反復(fù)迭代計(jì)算，計(jì)算工作量大，收斂速度慢，一般用于水電站水力與機(jī)械過渡過程的計(jì)算，不適用于電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真。理想水輪機(jī)模型不能反映水輪機(jī)的特性，實(shí)際上不同型號(hào)的水輪機(jī)，其特性差異甚大。而線性水輪機(jī)模型則不能適應(yīng)工況變化的需要，不能用于電力系統(tǒng)遭受大擾動(dòng)的情況，甚至不能滿足AGC (Automatic Generation Control,即自動(dòng)發(fā)電量控制)調(diào)節(jié)的需要。為此，需探索水輪機(jī)特性新的仿真方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種能真實(shí)反映水輪機(jī)特性的仿真方法與
>J-U裝直。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供的方案是:一種水輪機(jī)特性仿真方法，包括如下步驟。
[0006]步驟一，將水輪機(jī)接力器的數(shù)值與經(jīng)延遲后的數(shù)值相減，得到水輪機(jī)接力器的增量數(shù)值；將機(jī)組轉(zhuǎn)速數(shù)值與經(jīng)延遲后的數(shù)值相減，得到機(jī)組轉(zhuǎn)速的增量數(shù)值；將水輪機(jī)流量數(shù)值與經(jīng)延遲后的數(shù)值相減，得到水輪機(jī)流量的增量數(shù)值。
[0007]步驟二，將由步驟一得到的水輪機(jī)流量的增量乘以傳遞系數(shù)kl后的值與水輪機(jī)接力器的增量乘以傳遞系數(shù)k2后的值相減，然后再減去機(jī)組轉(zhuǎn)速的增量乘以傳遞系數(shù)k3后的值，得到水輪機(jī)水頭增量。
[0008]步驟三，將由步驟二得到的水輪機(jī)水頭增量數(shù)值經(jīng)過水輪機(jī)流量計(jì)算模塊經(jīng)各積分計(jì)算后得到水輪機(jī)流量仿真數(shù)值。
[0009]步驟四，將由步驟一得到的水輪機(jī)接力器的增量數(shù)值經(jīng)過傳遞系數(shù)k4，機(jī)組轉(zhuǎn)速的增量數(shù)值經(jīng)過傳遞系數(shù)k5后，與由步驟二得到的水輪機(jī)水頭增量數(shù)值經(jīng)過傳遞系數(shù)k6相加，得到水輪機(jī)力矩增量數(shù)值，該水輪機(jī)力矩增量數(shù)值與經(jīng)延遲后的力矩?cái)?shù)值進(jìn)行迭加得到所需的水輪機(jī)力矩仿真數(shù)值。
[0010]本發(fā)明還提供一種使用上述水輪機(jī)特性仿真方法的仿真裝置，包括水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器行程輸入模塊、機(jī)組轉(zhuǎn)速輸入模塊、水輪機(jī)力矩輸出模塊和仿真計(jì)算參數(shù)適應(yīng)模塊；
水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器行程輸入模塊一路經(jīng)接力器行程信號(hào)延遲模塊接至接力器行程增量計(jì)算模塊，另一路直接連至接力器行程增量計(jì)算模塊；該接力器行程增量計(jì)算模塊的輸出一路經(jīng)接力器行程水頭傳遞系數(shù)接至水輪機(jī)水頭增量計(jì)算模塊，另一路經(jīng)接力器行程力矩傳遞系數(shù)接至水輪機(jī)力矩增量計(jì)算模塊。
[0011]機(jī)組轉(zhuǎn)速輸入模塊一路經(jīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)延遲模塊接至機(jī)組轉(zhuǎn)速增量計(jì)算模塊8，另一路直接連至機(jī)組轉(zhuǎn)速增量計(jì)算模塊；該機(jī)組轉(zhuǎn)速增量計(jì)算模塊的輸出一路經(jīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速水頭傳遞系數(shù)接至水輪機(jī)水頭增量計(jì)算模塊，另一路經(jīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速力矩傳遞系數(shù)接至水輪機(jī)力矩增量計(jì)算模塊。
[0012]水輪機(jī)水頭增量計(jì)算模塊的輸出一路經(jīng)水輪機(jī)水頭力矩傳遞系數(shù)接至水輪機(jī)力矩增量計(jì)算模塊，另一路接水輪機(jī)流量計(jì)算模塊；該水輪機(jī)流量計(jì)算模塊的輸出一路經(jīng)水輪機(jī)流量信號(hào)延遲模塊接至水輪機(jī)流量增量計(jì)算模塊，另一路直接連至水輪機(jī)流量增量計(jì)算模塊。
[0013]水輪機(jī)流量增量計(jì)算模塊又經(jīng)水輪機(jī)流量水頭傳遞系數(shù)接至水輪機(jī)水頭增量計(jì)算模塊。
[0014]水輪機(jī)力矩增量計(jì)算模塊的輸出接到水輪機(jī)力矩計(jì)算模塊。
[0015]水輪機(jī)力矩計(jì)算模塊的輸出一方面經(jīng)水輪機(jī)力矩信號(hào)延遲模塊作用于本模塊的輸入，另一方面經(jīng)水輪機(jī)力矩輸出模塊將水輪機(jī)力矩輸出。
[0016]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)與積極效果:1、采用線性化描述水輪機(jī)的特性；2、采用適應(yīng)模塊反映水輪機(jī)運(yùn)行工況的改變，使得線性化模型可適用于大波動(dòng)過渡過程的仿真分析；
3、提高了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程計(jì)算速度；4、可用于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真與復(fù)雜電力系統(tǒng)的仿真。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)方框圖。
[0018]圖2是本發(fā)明實(shí)施例一的原理框圖。
[0019]圖3為本發(fā)明實(shí)施例二的原理框圖。
[0020]其中，1、接力器行程輸入模塊，2、機(jī)組轉(zhuǎn)速輸入模塊，3、接力器行程信號(hào)延遲模塊，4、機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)延遲模塊，5、水輪機(jī)流量信號(hào)延遲模塊，6、水輪機(jī)力矩信號(hào)延遲模塊，7、接力器行程增量計(jì)算模塊，8、機(jī)組轉(zhuǎn)速增量計(jì)算模塊，9、水輪機(jī)流量增量計(jì)算模塊，10、接力器行程水頭傳遞系數(shù)，11、機(jī)組轉(zhuǎn)速水頭傳遞系數(shù)，12、水輪機(jī)流量水頭傳遞系數(shù)，13、水輪機(jī)水頭增量計(jì)算模塊，14、水輪機(jī)流量計(jì)算模塊，15、接力器行程力矩傳遞系數(shù)，16、機(jī)組轉(zhuǎn)速力矩傳遞系數(shù)，17、水輪機(jī)水頭力矩傳遞系數(shù)，18、水輪機(jī)力矩增量計(jì)算模塊，19、水輪機(jī)力矩計(jì)算模塊，20、水輪機(jī)力矩輸出模塊，21、仿真計(jì)算參數(shù)適應(yīng)模塊，22、DSP實(shí)施模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0022]本實(shí)施例提供一種水輪機(jī)特性仿真方法，包括如下步驟。
[0023]步驟一，將水輪機(jī)接力器的數(shù)值與經(jīng)延遲后的數(shù)值相減，得到水輪機(jī)接力器的增量數(shù)值；將機(jī)組轉(zhuǎn)速數(shù)值與經(jīng)延遲后的數(shù)值相減，得到機(jī)組轉(zhuǎn)速的增量數(shù)值；將水輪機(jī)流量數(shù)值與經(jīng)延遲后的數(shù)值相減，得到水輪機(jī)流量的增量數(shù)值。
[0024]步驟二，將由步驟一得到的水輪機(jī)流量的增量數(shù)值經(jīng)過傳遞系數(shù)kl后與水輪機(jī)接力器的增量數(shù)值經(jīng)過傳遞系數(shù)k2后相減，然后再減去機(jī)組轉(zhuǎn)速的增量乘以傳遞系數(shù)k3后的值，得到水輪機(jī)水頭增量。
[0025]步驟三，將由步驟二得到的水輪機(jī)水頭增量數(shù)值經(jīng)過水輪機(jī)流量計(jì)算模塊經(jīng)各積分計(jì)算后得到水輪機(jī)流量仿真數(shù)值。
[0026]步驟四，將由步驟一得到的水輪機(jī)接力器的增量數(shù)值經(jīng)過傳遞系數(shù)k4，機(jī)組轉(zhuǎn)速的增量數(shù)值經(jīng)過傳遞系數(shù)k5后，與由步驟二得到的水輪機(jī)水頭增量數(shù)值經(jīng)過傳遞系數(shù)k6相加，得到水輪機(jī)力矩增量數(shù)值，該水輪機(jī)力矩增量數(shù)值與經(jīng)延遲后的力矩?cái)?shù)值進(jìn)行迭加得到所需的水輪機(jī)力矩仿真數(shù)值。
[0027]本仿真的基本原理是計(jì)算水輪機(jī)的力矩增量與水頭增量，
Ak = — k2hy -k3Ax
Am = k^Ay + k5ISx + k6Ah
g = | L1Lkdt
并采用遞推計(jì)算公式計(jì)算水輪機(jī)力矩:
Mi = M^1 + Am
其中:AA為水頭增量，Ag為流量增量，Ly為接力器行程增量，Lh為水頭增量，為機(jī)組轉(zhuǎn)速增量,Am為水輪機(jī)力矩增量w為水輪機(jī)流量，為水輪機(jī)輸出力矩，^j_i為前一計(jì)算時(shí)步的水輪機(jī)力矩 < 力計(jì)算步長；為流量水頭傳遞系數(shù)為開度水頭傳遞系數(shù)，h為轉(zhuǎn)速水頭傳遞系數(shù)；h為開度力矩傳遞系數(shù)，為轉(zhuǎn)速力矩傳遞系數(shù)，^為水頭力矩傳遞系數(shù)，k為流量積分系數(shù)。
[0028]本發(fā)明還提供一種使用前述水輪機(jī)特性仿真方法的仿真裝置，如圖1和圖2所示，包括水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器行程輸入模塊1、機(jī)組轉(zhuǎn)速輸入模塊2、水輪機(jī)力矩輸出模塊20和仿真計(jì)算參數(shù)適應(yīng)模塊21。
[0029]水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器行程輸入模塊I 一路經(jīng)接力器行程信號(hào)延遲模塊3接至接力器行程增量計(jì)算模塊7，另一路直接連至接力器行程增量計(jì)算模塊7 ;該接力器行程增量計(jì)算模塊7的輸出一路經(jīng)接力器行程水頭傳遞系數(shù)10接至水輪機(jī)水頭增量計(jì)算模塊13，另一路經(jīng)接力器行程力矩傳遞系數(shù)15接至水輪機(jī)力矩增量計(jì)算模塊18。
[0030]機(jī)組轉(zhuǎn)速輸入模塊2 —路經(jīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)延遲模塊4接至機(jī)組轉(zhuǎn)速增量計(jì)算模塊8，另一路直接連至機(jī)組轉(zhuǎn)速增量計(jì)算模塊8 ;該機(jī)組轉(zhuǎn)速增量計(jì)算模塊8的輸出一路經(jīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速水頭傳遞系數(shù)11接至水輪機(jī)水頭增量計(jì)算模塊13，另一路經(jīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速力矩傳遞系數(shù)16接至水輪機(jī)力矩增量計(jì)算模塊18。
[0031]水輪機(jī)水頭增量計(jì)算模塊13的輸出一路經(jīng)水輪機(jī)水頭力矩傳遞系數(shù)17接至水輪機(jī)力矩增量計(jì)算模塊18，另一路接水輪機(jī)流量計(jì)算模塊14 ;該水輪機(jī)流量計(jì)算模塊14的輸出一路經(jīng)水輪機(jī)流量信號(hào)延 遲模塊5接至水輪機(jī)流量增量計(jì)算模塊9，另一路直接連至水輪機(jī)流量增量計(jì)算模塊9。
[0032]水輪機(jī)流量增量計(jì)算模塊9又經(jīng)水輪機(jī)流量水頭傳遞系數(shù)12接至水輪機(jī)水頭增量計(jì)算模塊13。
[0033]水輪機(jī)力矩增量計(jì)算模塊18的輸出接到水輪機(jī)力矩計(jì)算模塊19。
[0034]水輪機(jī)力矩計(jì)算模塊19的輸出一方面經(jīng)水輪機(jī)力矩信號(hào)延遲模塊6作用于本模塊的輸入，另一方面經(jīng)水輪機(jī)力矩輸出模塊20將水輪機(jī)力矩輸出。
[0035]接力器行程輸入模塊I和機(jī)組轉(zhuǎn)速輸入模塊2的輸出同時(shí)接至仿真計(jì)算參數(shù)適應(yīng)模塊21，仿真計(jì)算參數(shù)適應(yīng)模塊21的輸出作用于六個(gè)傳遞系數(shù)模塊(模塊10、11、12和15、16、17)，用于根據(jù)運(yùn)行工況的不同實(shí)時(shí)更改傳遞系數(shù)的值，實(shí)現(xiàn)對(duì)工況的適應(yīng)。
[0036]上述接力器行程輸入模塊I和機(jī)組轉(zhuǎn)速輸入模塊2均由調(diào)理電路構(gòu)成，直接輸入外部的電壓或電流信號(hào)；接力器行程信號(hào)延遲模塊3、機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)延遲模塊4、水輪機(jī)流量信號(hào)延遲模塊5和水輪機(jī)力矩信號(hào)延遲模塊6均由運(yùn)算放大器(如LM124)和電阻電容構(gòu)成；接力器行程增量計(jì)算模塊7、機(jī)組轉(zhuǎn)速增量計(jì)算模塊8、水輪機(jī)流量增量計(jì)算模塊9、水輪機(jī)水頭增量計(jì)算模塊13、水輪機(jī)流量計(jì)算模塊14、水輪機(jī)力矩增量計(jì)算模塊18和水輪機(jī)力矩計(jì)算模塊19均由運(yùn)算放大器(如LM741)構(gòu)成；接力器行程水頭傳遞系數(shù)10、機(jī)組轉(zhuǎn)速水頭傳遞系數(shù)11、水輪機(jī)流量水頭傳遞系數(shù)12、接力器行程力矩傳遞系數(shù)15、機(jī)組轉(zhuǎn)速力矩傳遞系數(shù)16和水輪機(jī)水頭力矩傳遞系數(shù)17均通過選取合適的電阻值實(shí)現(xiàn)，水輪機(jī)力矩輸出模塊20由信號(hào)放大電阻給外部提供電壓信號(hào)。
[0037]本仿真方法可方便地由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，圖3給出了基于DSP系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，接力器行程輸入模塊I和機(jī)組轉(zhuǎn)速輸入模塊2均由調(diào)理電路與ADC芯片構(gòu)成，水輪機(jī)力矩輸出模塊20由DAC芯片與信號(hào)放大電路實(shí)現(xiàn)。圖中，由ADC (接力器行程輸入模塊I)完成接力器行程信號(hào)的輸入、由ADC (機(jī)組轉(zhuǎn)速輸入模塊2)完成機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)的輸入，由DSP實(shí)施模塊22完成信號(hào)延遲、增量計(jì)算、系數(shù)傳遞、水頭計(jì)算、流量計(jì)算、力矩計(jì)算及仿真計(jì)算參數(shù)的自適應(yīng)，由DAC (水輪機(jī)力矩輸出模塊20)完成水輪機(jī)力矩的輸出。采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，可以方便地根據(jù)工況進(jìn)行傳遞系數(shù)的調(diào)整，使該方法具有更好的適應(yīng)性。
[0038]ADC,即 Analog to Digital Converter,模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
[0039]DAC,即 Digital to Analog Converter,數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。
[0040]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)或變形，這些改進(jìn)或變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種水輪機(jī)特性仿真方法，包括如下步驟: 步驟一，將水輪機(jī)接力器的數(shù)值與經(jīng)延遲后的數(shù)值相減，得到水輪機(jī)接力器的增量；將機(jī)組轉(zhuǎn)速數(shù)值與經(jīng)延遲后的數(shù)值相減，得到機(jī)組轉(zhuǎn)速的增量；將水輪機(jī)流量數(shù)值與經(jīng)延遲后的數(shù)值相減，得到水輪機(jī)流量的增量； 步驟二，將由步驟一得到的水輪機(jī)流量的增量乘以傳遞系數(shù)kl后的值與水輪機(jī)接力器的增量乘以傳遞系數(shù)k2后相減，然后再減去機(jī)組轉(zhuǎn)速的增量乘以傳遞系數(shù)k3后的值，得到水輪機(jī)水頭增量； 步驟三，將由步驟二得到的水輪機(jī)水頭增量經(jīng)過水輪機(jī)流量計(jì)算模塊經(jīng)各積分計(jì)算后得到水輪機(jī)流量仿真數(shù)值； 步驟四，將由步驟一得到的水輪機(jī)接力器的增量經(jīng)過傳遞系數(shù)k4，機(jī)組轉(zhuǎn)速的增量經(jīng)過傳遞系數(shù)k5后，與由步驟二得到的水輪機(jī)水頭增量經(jīng)過傳遞系數(shù)k6相加，得到水輪機(jī)力矩增量，該水輪機(jī)力矩增量與經(jīng)延遲后的力矩?cái)?shù)值進(jìn)行迭加得到所需的水輪機(jī)力矩仿真數(shù)值。
2.一種使用如權(quán)利要求1所述的水輪機(jī)特性仿真方法的仿真裝置，其特征在于:包括水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器行程輸入模塊、機(jī)組轉(zhuǎn)速輸入模塊、水輪機(jī)力矩輸出模塊和仿真計(jì)算參數(shù)適應(yīng)模塊；所述水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器行程輸入模塊一路經(jīng)接力器行程信號(hào)延遲模塊接至接力器行程增量計(jì)算模塊，另一路直接連至接力器行程增量計(jì)算模塊；該接力器行程增量計(jì)算模塊的輸出一路經(jīng)接力器行程水頭傳遞系數(shù)接至水輪機(jī)水頭增量計(jì)算模塊，另一路經(jīng)接力器行程力矩傳遞系數(shù)接至水輪機(jī)力矩增量計(jì)算模塊；所述機(jī)組轉(zhuǎn)速輸入模塊一路經(jīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)延遲模塊接至機(jī)組轉(zhuǎn)速增量計(jì)算模塊，另一路直接連至機(jī)組轉(zhuǎn)速增量計(jì)算模塊；該機(jī)組轉(zhuǎn)速增量計(jì)算模塊的輸出一路經(jīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速水頭傳遞系數(shù)接至水輪機(jī)水頭增量計(jì)算模塊，另一路經(jīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速力矩傳遞系數(shù)接至水輪機(jī)力矩增量計(jì)算模塊；所述水輪機(jī)水頭增量計(jì)算模塊的輸出一路經(jīng)水輪機(jī)水頭力矩傳遞系數(shù)接至水輪機(jī)力矩增量計(jì)算模塊，另一路接水輪機(jī)流量計(jì)算模塊；該水輪機(jī)流量計(jì)算模塊的輸出一路經(jīng)水輪機(jī)流量信號(hào)延遲模塊接至水輪機(jī)流量增量計(jì)算模塊，另一路直接連至水輪機(jī)流量增量計(jì)算模塊；所述水輪機(jī)流量增量計(jì)算模塊又經(jīng)水輪機(jī)流量水頭傳遞系數(shù)接至水輪機(jī)水頭增量計(jì)算模塊；所述水輪機(jī)力矩增量計(jì)算模塊的輸出接到水輪機(jī)力矩計(jì)算模塊；所述水輪機(jī)力矩計(jì)算模塊的輸出一方面經(jīng)水輪機(jī)力矩信號(hào)延遲模塊作用于本模塊的輸入，另一方面經(jīng)水輪機(jī)力矩輸出模塊將水輪機(jī)力矩輸出。
【文檔編號(hào)】G05B17/02GK103488096SQ201310402351
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】郭琦, 韓偉強(qiáng), 程遠(yuǎn)楚, 李偉, 張廣濤 申請(qǐng)人:南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司, 武漢大學(xué)