1、27朱安平等：某水电站调速系统参数测试与建模分析1调速系统主要技术参数及调节范围机组在电力系统负荷高峰时，通过调速系统调整水轮机导叶开度将水的势能转换为机组旋转的机械能，通过发电机将机械能转换为电能1。调速系统的主要任务之一就是要把系统频率对于其额定值的偏移限制在相当小的范围内2，电力系统发电与负载的不平衡，会导致系统频率的变化，调速系统自动检测频率的变化方向和大小做出相应的负荷调整3，从而达到系统的有功平衡，实现电力系统频率在规定的范围内。调速系统参数的正确性和可靠性对于系统调节至关重要4。调速系统的主要任务是保证机组在额定转速附近5，跟踪电网频率保证机组转速满足并网的条件，在发电并网工况下
2、，接受监控系统下达的功率指令，调整机组有功出力6。调速系统参数的测试是非常重要的，调速性能参数对机组的安全稳定运行具有一定的意义（见表 1 和表 2）7。表 1调速系统主要技术参数Table1Maintechnicalparametersofthegovernorsystem项目型号/参数电柜型号SAFR-2000H 型测频方式残压测频+齿盘测频电源电压及供电方式DC 220V/AC 220V 交直流双重供电油压装置额定油压6.3MPa表 2调速系统各电气参数及调节范围Table2 Theelectricparametersandregulatingrangeofthegovernorsyst
3、em参数/功能范围备注比例系数KP0 20一次调频整定值为 5积分系数KI0 10一次调频整定值为 5微分系数KD0 5一次调频整定值为 1一次调频死区E0 1Hz一次调频整定值为 0.05Hz永态转差系数bP0 10%一次调频整定值为 4%2调速控制系统模型2.1调速系统 PID 模型水电站 1 号机组采用 SAFR-2000H 型调速系统8。并网后控制方式为开度闭环控制，可以投入一次调频功能9，根据厂家提供的资料，其控制系统结构如图 1 所示。调速系统采用 PID（比例积分微分调节）调节规律，各参数的设定范围为：KP=0 20，KI=0 10（1/s），KD=0 5（s）。参数实测过程包括
4、对一次调频 PID 参数的校验。该测试机组为混流式机组，导叶开度电压输出等于 PID 输出电压，PID输出电压经过综合放大机构驱动主配压阀阀芯运动，主配压阀阀芯运动带动导叶接力器运动，构成液压随动机构。2.2调速系统执行机构模型水电站机组执行机构为电液转换型执行机构10，由一级液压放大系统、主配压阀及主接力器等环节构成11。该模型中另有部分速度限制、限幅等非线性环节。经过归并简化，可用如图 2 所述的模型描述。某水电站调速系统参数测试与建模分析朱安平1，陈潇雅1，刘志坚2，徐天奇3，田业4（1国网新源安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽省六安市237000；2昆明理工大学，云南省昆明市650500；
5、3云南民族大学，云南省昆明市650500；4国网北京送变电有限公司，北京市102401）摘要：通过对水电站调速系统参数进行测试，为区域电网系统仿真研究提供与实际相吻合的调节系统模型参数。以该模型为基准，对某水电站 1 号机组调速系统进行现场测试，满足试验要求，为保证机组及电网安全、稳定运行提供了可靠依据。关键词：水电站；调速系统；参数测试；建模分析中图分类号：TM312文献标识码：A学科代码：570.30DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2023.02.005基金项目：国家自然科学基金项目“智能电网无线 HART 网络多层多源汇聚关键技术研究”（61761049）；国家
6、自然科学基金项目“工业级严格实时无线传感网在云南智能电网的关键技术研究”（61461055）。28水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023 2.3试验测点选择全部试验测点如表 3 所示。表 3试验测点配置表Table3Configurationtableoftestpoints测点名称信号说明机组频率发电机出口 TV 二次侧信号导叶开度导叶位移传感器输出信号PID 输出调速系统 AO 输出信号导叶开度给定调速系统 AO 输出信号主配位
7、置信号主配位移传感器输出信号机组功率功率变送器输出信号一次调频动作/复归调速系统 DO 输出信号2.3.1静特性试验采用调速器自动运行方式进行静特性试验，在调速器触摸屏分别设置 bP值为 4.0%和 6.0%，实测 bP值与设定 bP值基本一致。其结果如表 4 所示。表 4静特性实验数据Table4 Staticcharacteristictestdata项目永态转差系数 bP/%转速死区 ix/%非线性度/%面板设定值实测值A 套44.0160.0150.027B 套4.0260.020.035A 套66.0260.0190.048B 套6.040.030.07611324+Bpdu/dt1
8、/s1/sKKKKIn1 Out1YnldPgv前馈系数前馈模式切换导叶行程给定功率给定功率反馈频差人工失灵区调差系数调差模式切换积分积分增益微分增益微分累计增速限制导叶给定比例增益空载开度图 1机组调速系统 PID 控制原理框图Figure 1PID control principle block diagram of the governor system11s1+T2s1/TC1/TOPMAXPMINKPPCVKIKDsPGVLVDTVELcloseVELopens+油动机延时开启/关闭调门指令调门开度电液转换PID模块图 2电液伺服系统模型Figure 2Model of electr
9、o-hydraulic servo speed control system29朱安平等：某水电站调速系统参数测试与建模分析A套和B套面板bP实测值与面板设定值存在一定的偏差，设定值越大，转速死区值也会变大，非线性度也随着变大。A套和 B 套仿真结果如图 3 和图 4 所示。/bPiX/图 3A 套静特性试验曲线（bP=4%）Figure 3Set a static characteristic test curve（bP=4%）/bPiX/图 4B 套静特性试验曲线（bP=6%）Figure 4Static characteristic test curve of B set（bP=6%）2
10、.3.2频率死区校验如图 5 所示，人工频率死区 Ef设为 0.05Hz，以 0.001Hz步长模拟机频由 50.000Hz 逐次降到 49.950Hz 附近，随后稳定并返回 50.000Hz，然后再由 50.000Hz 逐次加到 50.050Hz 附近，随后稳定并返回。实测结果如表 5 所示。实测结果表明：当机组频率越过人工死区设定值，调速系统动作，导叶动作正常，当频率偏差在人工死区范围内时，导叶开度不随频率改变而动作，频率死区的设定值与实际校核值存在的偏差在允许范围内。表 5频率死区校验数据Table5 Frequencydeadbandverificationdata项目频率方向实际动作
11、值/Hz实际返回值/Hz回差/HzA 套频率上升50.05150.0440.007频率下降49.94949.9560.007B 套频率上升50.05150.0440.007频率下降49.94949.9550.00630水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,20233PID 参数校验3.1参数KP校验设 置 bP=0%、KI=0、KD=0、Ef=0.00Hz，KP置 于 待 校验值（分别设为 4、5、6），对调节器加一频率阶跃扰动信号（0.3
12、0Hz、0.50Hz），记录频率改变后调节器输出信号、导叶开度变化曲线等。以其中一组参数为例进行计算（KP=5、KI=0、KD=0、bP=0%、Ef=0.00Hz、f=0.50Hz），模拟机频由 50.00Hz 变为50.50Hz，有效频差为 0.50Hz，有效频差相对值为 0.01，PID调节输出变化量为 4.982%（相对值为 0.04982），则实测 KP值为 0.04982/0.01=4.982，实测值与待校验值基本一致（见图 6）。KP设定值与实测值对比如表 6 所示。表 6KP设定值与实测值对比数据汇总Table6SummaryofcomparisondatabetweenKPse
13、tvalueandmeasuredvalue设定值检测值50 50.3050 49.7050 50.5050 49.5043.9884.0324.0054.00555.0464.9854.9825.03165.9716.0236.0075.9893.2参数KI校验校验时设置 bP=0%、KP=0、KD=0、Ef=0.00Hz，KI置于待校验值（分别设为 4、5、6），对调节器加一频率阶跃扰动信号（0.30Hz、0.50Hz），记录频率改变后调节器输出信号、主配位移信号/%/%/Hz导叶开度/%图 5频率死区校验曲线Figure 5Frequency dead time calibration
14、curve50.650.450.250.00024651015202530051015202530仿真机频/Hz导叶开度/%时间/s时间/s实测导叶开度仿真导叶开度图 6KP校验 PID 调节输出仿真波形与实测波形对比图Figure 6Comparison diagram of KP verification PID regulation output simulation waveform and measured waveform31朱安平等：某水电站调速系统参数测试与建模分析导叶开度变化曲线等。以其中一组参数为例进行计算（KP=0.0、KI=5、KD=0、bP=0%、Ef=0.00Hz、
15、f=0.50Hz），试验曲线见图 7。KI设定值为 5，模拟机频由 50.00Hz 变为 50.50Hz，有效频差为0.50Hz，有效频差相对值为 0.01，PID 调节输出波形为一斜线，该斜线拟合后的直线方程斜率为 k=0.05038，计算出 KI=（0.05038）/（0.01）=5.038，实测值与待校验值基本一致（见图 7）。KI设定值与实测值对比如表 7 所示。4020070758085909510070758085909510050.650.450.250.0仿真机频/HzPID输出/%时间/s时间/s实测PID输出仿真PID输出图 7KI校验 PID 调节输出仿真波形与实测波形对
16、比图Figure 7 Comparison diagram of KI verification PID regulation output simulation waveform and measured waveform 表 7KI设定值与实测值对比数据汇总Table7 SummaryofcomparisondatabetweenKIsetvalueandmeasuredvalue设定值检测值50 50.3050 49.7050 50.5050 49.5044.0774.0614.0344.06155.0235.0255.0385.02266.1356.1626.1036.166 3.3参数KD校验设 置 bP=0%、KP=0、KI=0，Ef=0.00Hz，KD置 于 待 校验值（分别设为 1、2、3），对调节器加一频率阶跃扰动信号（0.30Hz、0.50Hz），记录频率改变后调节器输出信号、导叶开度变化曲线等。通过模拟负载运行状态，选取其中一组参数为例进行计算（KP=0、KI=0、KD=1、bP=0%、Ef=0.00Hz、f=0.50Hz），计算出微分衰减时间常数 T1v=0.2
