| 标题 | 安哥拉洛马乌水电站引水系统小波动过渡过程和稳定性分析 |
| 范文 | 赖成联 刘惠娟 摘要：为研究对不同工况下，洛马乌（Lomaum）电站带孤网负荷运行时的小波动过渡过程和稳定性，采用当永态转差系数bp为零时，调速器（PID调节器和电液随动系统）传递函数为数学模型，采用遍历法对调速器的参数优化计算。结果表明所研究方案的调节系统是稳定的，在五台机组同时带大孤负荷时，调节系统稳定性较差；在部分机组带孤负荷和机组空载时，调节系统稳定性较好。 关键词：水电站；引水系统；小波动；稳定性；遍历法 中图分类号：TK730.4文献标志码：A文章编号： 16721683（2015）002004303 1工程概况 洛马乌（Lomaum）水电站位于安哥拉本格拉省（Benguela）的卡通贝拉（Catumbela）河上，引水式电站，装机容量65 MW，电站安装5台卧式机组，5台水轮发电机组均设有调压阀。2009年对该电站进行修复设计，修复设计后电站装机4台，其中1号、2号机组单机容量为10 MW，3号和4号机组单机容量为15 MW，预留5号机的机坑。 电站分两期建设，一期装4台立式水轮发电机组；二期装5号水轮发电机组，5号机组的容量应根据调节保证计算的成果进行优选，故而本次水力过渡过程的计算和研究方案为：1号、2号机组单机容量为10 MW小机，3号和4号机组单机容量为15 MW大机，5号机为15 MW大机。由于安哥拉洛马乌水电站接入的电网容量较小，初步估算本电站装机容量约占接入的电网容量的40%。故本文讨论水电站带孤网负荷运行时的稳定性问题。 2数学模型和计算方法 在分析调节系统稳定性和动态特性时，必须设置调速系统数学模型，本文采用在Kp、Ki和Kd空间中寻优的方法，即当永态转差系数bp为零时，调速器（PID调节器和电液随动系统）传递函数为： G（s）=Kps+Ki[]s+Kds[]Tss+11[]Tys+1 式中：Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分增益；Ty、Ts分别为接力器、微分时间常数；S为拉普拉斯算子； 调速器参数优化计算采用遍历法，由于Kp、Ki和Kd之间交互作用明显，一般不能使用简单的正交法，故直接采用遍历法求取优化的参数组合。如能找到一组或若干组调速器参数组合，使系统是稳定的并有较好的动态过程，那么该系统是稳定的。如果找不到这样的调速器参数组合，那么该系统是不稳定的或者是稳定的但动态特性达不到要求。同样如果存在一定范围的调节系统稳定域或者调压室断面面积大于需要的稳定断面面积，那么系统是稳定的，反之系统是不稳定的。 3小波动稳定性复核分析 3.1调速器参数优化计算 采用遍历法对下列工况进行调速器参数优化计算，结果见表1-表7。 表1为优化目标3号机参数。优化调速器参数整定为：Kp=0.6，Ki=0.2，Kd=1.2，调速时间32.9 s，最大转速偏差为0.069 17。 表1上游水位1 061.0 m，五台机带孤网额定负荷，施加10%减负荷扰动 调节时间/s[]Kp[]Ki[]Kd 55.24[]0.6[]0.2[]0 55.06[]0.6[]0.2[]0.3 41.68[]1.2[]0.3[]0.6 37.42[]1.5[]0.3[]0.9 32.9[]0.6[]0.2[]1.2 33.22[]0.6[]0.2[]1.5 表2为优化目标3号机参数。优化调速器参数整定为：Kp=0.6，Ki=0.2，Kd=0.0，调速时间25.14 s，最大转速偏差为0.06960。 表2上游水位1 061.0 m，三台大机带孤网额定负荷，施加10%减负荷扰动 调节时间/s[]Kp[]Ki[]Kd 25.14[]0.6[]0.2[]0 26.08[]0.6[]0.2[]0.3 表3为优化目标1号机参数。优化调速器参数整定为：Kp=0.9，Ki=0.2，Kd=0.3。调速时间32.22 s，最大转速偏差0.062 07 表3上游水位1 061.0 m，三台小机带孤网额定负荷，施加10%减负荷扰动 调节时间/s[]Kp[]Ki[]Kd 34.16[]1.8[]0.2[]0 32.22[]0.9[]0.2[]0.3 33.46[]0.9[]0.2[]0.6 表4为优化目标3号机参数。优化调速器参数整定为：Kp=1.2，Ki=0.3，Kd=0.3。调速时间19.74 s，最大转速偏差0.046 02。 表4上游水位1 061.0 m，一台大机带孤网额定负荷，施加10%减负荷扰动 调节时间/s[]Kp[]Ki[]Kd 22.78[]0.9[]0.2[]0 19.74[]1.2[]0.3[]0.3 20.08[]1.2[]0.3[]0.6 表5为优化目标1号机参数。优化调速器参数整定为：Kp=1.5，Ki=0.3，Kd=0.9。调速时间21.64 s，最大转速偏差0.046 22。 表5上游水位1 061.0 m，一台小机带孤网额定负荷，施加10%减负荷扰动 调节时间/s[]Kp[]Ki[]Kd 26.26[]2.1[]0.3[]0 26.16[]2.1[]0.3[]0.3 26.04[]2.1[]0.3[]0.6 21.64[]1.5[]0.3[]0.9 21.88[]1.5[]0.3[]1.2 表6为优化调速器参数。整定为：Kp=0.9，Ki=0.1，Kd=0.0。调速时间14.46 s，最大转速偏差0.006 05 表6上游水位1 061.0 m，一台大机空载，施加10%增频扰动 调节时间/s[]Kp[]Ki[]Kd 14.46[]0.9[]0.1[]0 15.42[]0.9[]0.1[]0.3 表7为优化调速器参数。整定为：Kp=2.7，Ki=0.1，Kd=1.5。调速时间11.82 s，最大转速偏差0.009 91 表7上游水位1 061.0 m，一台小机空载，施加10%增频给扰动 调节时间/s[]Kp[]Ki[]Kd 15.66[]1.2[]0.1[]0 14.34[]1.5[]0.1[]0.3 13.54[]1.8[]0.1[]0.6 12.88[]2.1[]0.1[]0.9 12.28[]2.4[]0.1[]1.2 11.82[]2.7[]0.1[]1.5 11.90[]2.7[]0.1[]1.8 上述计算中，引水道糙率为平均值。由计算结果可见，在孤网运行时，在上述的各种工况中，调节系统原则上是稳定的。 在带孤网负荷运行分析中，负荷的性质有重要影响。水泵、风机等叶片式机械的自调整系数为1，对系统稳定是有利的；电热负荷的自调整系数为-1，对系统稳定是不利的。计算时设定负荷自调整系数为0，若孤网中有较多的电热负荷，则可能影响系统的稳定性。 3.2线性系统调速器参数稳定域计算 对7种不同工况进行线性系统调速器参数稳定域计算，结果见表8。 表8线性系统调速器参数稳定域计算 工况[]比例增益Kp近似最大值[]积分增益Ki近似最大值 [BHDG1*2]上游1 061.0 m，五台机带孤网额定负荷[]3.5[]0.9 [BHDW]上游1 061.0 m，三台大机带孤网额定负荷[]3.5[]0.9 [BH]上游1 061.0 m，两台小机带孤网额定负荷[]5[]1.1 [BH]上游1 061.0 m，一台大机带孤网额定负荷[]8.7[]3.4 [BH]上游1 061.0 m，一台小机带孤网额定负荷[]8.7[]2.7 [BH]上游1 061.0 m，一台大机空载[]大[]大 [BH]上游1 061.0 m，一台小机空载[]大[]大 注：上表计算成果取平均糙率。 在调速器参数稳定域图上，等Kd曲线将KpKi平面分成两部分，在曲线左侧的区域为稳定域，在曲线的右侧为不稳定域。应该说明，稳定域只表明，当调速器参数选在该范围内，调节系统的调整根具有负的实部，因此在理论上系统是稳定的。若实部的绝对值太小，那么过渡过程的时间将很长，若虚部太大，过渡过程会有强烈的振荡，在工程上是不能用的。 本电站五台机同时带孤网大负荷时，调节系统稳定域较小，但还是有一定的范围。随着同时工作的机组台数减少，调节系统稳定域逐步扩大。因此本电站调节系统原则上时稳定的。 3.3线性系统调压室断面稳定域计算 对5种工况进行调压室断面稳定域计算，结果见表9。 表9调压室稳定断面计算结果 工况[]稳定断面/m2 [BHD]上游1 061.0 m，五台机带孤网额定负荷[]32 [BHDW]上游1 061.0 m，三台大机带孤网额定负荷[]30 [BH]上游1 061.0 m，两台小机带孤网额定负荷[]22 [BH]上游1 061.0 m，一台大机带孤网额定负荷[]18 [BH]上游1 061.0 m，一台小机带孤网额定负荷[]20 注：上表计算成果引水道损失系数取最小值。 在调压室断面稳定域图上，等Kp线将SKi平面分成两部分，在曲线的左上部为稳定域，在曲线的右下部为不稳定域。当调压室实际面积大于曲线规定的面积，系统是稳定的。本电站调压室在高程1 054 m以上，实际面积78.54 m2，超过所需稳定断面，因此系统是稳定的。 4结语 通过对方案（1号、2号机组单机容量为10 MW小机，3号和4号机组单机容量为15 MW大机，5号机为15 MW大机）的小波动过渡过程和稳定性分析表明，该方案调节系统是稳定的，在五台机组同时带大孤负荷时，调节系统稳定性较差；在部分机组带孤负荷和机组空载时，调节系统稳定性较好。由于本电站设有调压阀，一般小波动时，调压阀不会开启，导叶运动较慢，因此小波动过渡过程调节时间较长，频率超调节量较大。由于增加第5台机组会导致水力损伤加大，故建议计算和分析电站的水力损失和能量损失。[HJ1.7mm]参考文献： [1]洛马乌水电站修复工程水力过渡过程仿真计算成果报告[D].2010. [2]DL50581996，水电站调压室设计规范[S]. [3]赖旭，朱渊岳.罗湾水电站引水系统过渡过程研究[J].中国农村水利水电，2003（5），7071. [4]陈德亮.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，1995. |
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