一种水电站区域电网黑启动建模与仿真方法与流程

1.本技术属于电力电网技术领域，尤其涉及一种水电站区域电网黑启动建模与仿真方法。


背景技术：

[0002]“黑启动”是指电网由于故障而崩溃停运后或者机组即将进行首次投运时，系统全部停电或未送电，处于全“黑”状态。通过自身能力恢复机组厂用电源供应，并保证主电源机组顺利启动，最终实现整个系统的恢复和供电。在一个机组容量较少的局部区域电网，发生全电网崩溃的情况是常见的，这样也使整个电力系统的恢复过程也变的比较简单、容易。对一个电力系统较小同时经常发生崩溃的电网而言，需要一个比较可靠的、机组容量又比较大的电站来完成整个电力系统的黑启动。
[0003]
目前，依靠水电站来带动目标区域电网黑启动是首要选择。带动目标区域电网黑启动需考虑多种黑启动电源之间的协调、黑启动过程的稳定性控制，稳定控制中一般包含系统电压、频率稳定问题，包括黑启动送电过程的发电机自励磁、线路过电压问题以及黑启动过程厂用电辅机的启动电流冲击引发的频率、电压问题，并配合了对应环节的仿真论证分析。
[0004]
然而目标区域电网系统规模小，抗扰动能力弱，黑启动每个细分步骤都有可能出现问题，保险起见，应当进行全环节仿真，确保每个步骤都能够满足稳定性要求。对于目标区域电网的工程试验也是基于大规模互联电网的既定方案加以修改，不确定性因素较多，无法得到充分校验。


技术实现要素：

[0005]
本技术提供一种水电站区域电网黑启动建模与仿真方法，可用于解决现有技术中黑启动每个细分步骤都有可能出现问题，不确定性因素较多，无法得到充分校验的问题。
[0006]
本技术提供一种水电站区域电网黑启动建模与仿真方法，包括：
[0007]
步骤一，根据目标区域电网系统中的元件，在simulink模块库中选取电力系统元件；
[0008]
步骤二，将选取的电力系统元件放置在simulink相应的位置上并按照目标区域电网系统中的元件进行连接；
[0009]
步骤三，根据目标区域电网系统中的元件对simulink模块库中选取的电力系统元件进行参数设定；
[0010]
步骤四，确定powergui模块中的仿真步长、仿真类型以及仿真求解器；
[0011]
步骤五，启动仿真，启动仿真，直至仿真曲线满足预设曲线。
[0012]
可选的，所述根据目标区域电网系统中的元件，在simulink模块库中选取电力系统元件，包括：
[0013]
在simpowersystem库中选择标幺制下的标准同步电机模块；
[0014]
在simpowersystem库中选择三相双绕组变压器模块或三相三绕组变压器模块；
[0015]
在simpowersystem库中选择π形等值模块或分布参数等值模块；
[0016]
在simpowersystem库中选择单相rlc并联负荷模块。
[0017]
可选的，所述根据目标区域电网系统中的元件对simulink模块库中选取的电力系统元件进行参数设定，包括：
[0018]
标准同步电机模块的参数设定包括：设定模型，转子类型，额定功率、电压、频率和励磁电流，惯量、阻尼系数和极对数，电抗、d轴和q轴的时间常数；
[0019]
三相双绕组变压器模块或三相三绕组变压器模块的参数设定包括：一次绕组连接方式，一次绕组的线电压有效值、电阻和漏抗，二次绕组的连接方式，二次绕组的线电压有效值、电阻和漏抗；
[0020]
π形等值模块或分布参数等值模块的参数设定包括：线路的频率，输电线路单位长度的电阻，输电线路单位长度的电感，输电线路单位长度的电容，输电线路的长度；
[0021]
单相rlc并联负荷模块的参数设定包括：三相负荷的连接方式，额定线电压，额定频率，有功功率，感性无功功率，容性无功功率。
[0022]
可选的，所述参数设定标准同步电机模块、三相双绕组变压器模块或三相三绕组变压器模块、π形等值模块或分布参数等值模块以及单相rlc并联负荷模块的参数设定可以依据设备的铭牌、出厂说明书以及参数辨识进行选定。
[0023]
可选的，所述启动仿真，检查仿真曲线是否满足预设曲线包括：
[0024]
在仿真开始前，选择离散discrete算法，仿真的结束时间取0.2s，利用powergui模块设置采样时间为s，开始仿真，打开示波器，得到系统电压电流波、频率变化曲线，检查得到系统电压电流波、频率变化曲线是否满足预设曲线。
[0025]
本技术提供一种水电站区域电网黑启动建模与仿真方法，包括根据目标区域电网系统中的元件，在simulink模块库中选取电力系统元件；将选取的电力系统元件放置在simulink相应的位置上并按照目标区域电网系统中的元件进行连接；根据目标区域电网系统中的元件对simulink模块库中选取的电力系统元件进行参数设定；确定powergui模块中的仿真步长、仿真类型以及仿真求解器；启动仿真，直至仿真曲线满足预设曲线。采用上述方法，解决了现有技术中黑启动每个细分步骤都有可能出现问题，不确定性因素较多，无法得到充分校验的问题。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1为本技术实施例部分提供的一种水电站区域电网黑启动建模与仿真方法的工作流程示意图；
[0028]
图2为本技术实施例部分提供的目标区域的局部电网系统图；
[0029]
图3为本技术实施例部分提供的按照目标区域的电网系统图连接的局部电力系统元件连接图。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0031]
如图1所示，本技术提供一种水电站区域电网黑启动建模与仿真方法，包括：
[0032]
步骤s101，根据目标区域电网系统中的元件，在simulink模块库中选取电力系统元件。
[0033]
本步骤中，在simpowersystem库中选择标幺制下的标准同步电机模块。
[0034]
在simpowersystem库中选择三相双绕组变压器模块或三相三绕组变压器模块。
[0035]
在simpowersystem库中选择π形等值模块或分布参数等值模块。
[0036]
在simpowersystem库中选择单相rlc并联负荷模块。
[0037]
步骤s102，将选取的电力系统元件放置在simulink相应的位置上并按照目标区域电网系统中的元件进行连接。
[0038]
如图2和图3所示，本步骤中，按照目标区域的电网系统图的连接，连接各电力系统元件。
[0039]
步骤s103，根据目标区域电网系统中的元件对simulink模块库中选取的电力系统元件进行参数设定。
[0040]
本步骤中，标准同步电机模块的参数设定包括：设定模型，转子类型，额定功率、电压、频率和励磁电流，惯量、阻尼系数和极对数，电抗、d轴和q轴的时间常数；
[0041]
三相双绕组变压器模块或三相三绕组变压器模块的参数设定包括：一次绕组连接方式，一次绕组的线电压有效值、电阻和漏抗，二次绕组的连接方式，二次绕组的线电压有效值、电阻和漏抗；
[0042]
π形等值模块或分布参数等值模块的参数设定包括：线路的频率，输电线路单位长度的电阻，输电线路单位长度的电感，输电线路单位长度的电容，输电线路的长度；
[0043]
单相rlc并联负荷模块的参数设定包括：三相负荷的连接方式，额定线电压，额定频率，有功功率，感性无功功率，容性无功功率。
[0044]
参数设定标准同步电机模块、三相双绕组变压器模块或三相三绕组变压器模块、π形等值模块或分布参数等值模块以及单相rlc并联负荷模块的参数设定可以依据设备的铭牌、出厂说明书以及参数辨识进行选定。
[0045]
步骤s104，确定powergui模块中的仿真步长、仿真类型以及仿真求解器。
[0046]
步骤s105，启动仿真，直至仿真曲线满足预设曲线。
[0047]
本步骤中，在仿真开始前，选择离散discrete算法，仿真的结束时间取0.2s，利用powergui模块设置采样时间为s。开始仿真，打开示波器，得到系统电压电流波、频率变化曲线，检查得到系统电压电流波、频率变化曲线是否满足预设曲线。
[0048]
选取电力系统元件时，在simpowersystems库中同步电机模块模拟了隐极或凸极同步电机的动态模型。它可通过机械功率的设置实现同步电机的发电机运行状态或电动机运行状态(发电机运行模式时机械功率为正值、电动机运行模式时机械功率为负值)。
[0049]
simpowersystems库中提供了3种同步电机模块，用于对三相隐极和凸极同步电机
进行动态建模，它包括标幺制下的同步电机的基本模型(p.u.基本同步电机模块)，国际单位制下的基本模型(s.i.基本同步电机模块)和标幺制下的标准模型(p.u.标准同步电机模块)。黑启动建模中选择标幺制下的标准模型。
[0050]
在simpowersystems库中，提供的三相双绕组和三相三绕组变压器模块。由于三相三绕组变压器的参数设置与三相双绕组变压器的参数设置类似。按照具体要求进行选择。
[0051]
在simpowersystems库中，提供了输电线路的模型有π形等值模块和分布参数等值模块。
[0052]
simpowersystems库利用r、l、c的串联或并联组合，提供了4个静态负荷模型模块，即单相rlc并联负荷模块、单相rlc串联负荷模块、三相rlc并联负荷模块、三相rlc串联负荷模块。在黑启动建模中选择单相rlc并联负荷模块即可。
[0053]
依据实际对应元件，在发电机模型中完成如下参数选定：
[0054]
preset model(设定模型)；
[0055]
show detailed parameters(显示详细参数)；
[0056]
rotor type(转子类型)；
[0057]
nom.power,volt.and freq(额定功率、电压、频率和励磁电流)；
[0058]
coeff of inertia friction factor and pole pairs(惯量、阻尼系数和极对数)；
[0059]
init cond(初始条件)：这里参数由powergui模块来完成；
[0060]
reactances(电抗)：d轴同步电抗x、暂态电抗x、次暂态电抗x"，q轴同步电抗xq、暂态电抗x、次暂态电抗x"，漏抗x，所有参数均为标幺值；
[0061]
daxis time constants，qaxis time constants(d轴和q轴时间常数)：d轴和q轴时间常数的类型，分为开路和短路两种；
[0062]
time constants(时间常数)：d轴和q轴的时间常数(s)，包括d轴开路暂态时间常数，短路暂态时间常数，d轴开路次暂态时间常数，短路暂态时间常数，q轴开路暂态时间常数，短路暂态时间常数，q轴开路次暂态时间常数，短路暂态时间常数，这些时间常数和时间常数列表中的定义一致。
[0063]
依据实际对应元件，需要对变压器参数选定的有：
[0064]
units(单位)：变压器参数的单位可选择有名值(si)或标幺值(pu)。在黑启动建模中需要设置参数主要有：额定功率和额定频率变压器的额定功率和额定频率(hz)；
[0065]
winding 1(abc)connection(一次绕组连接方式)：一次绕组的连接方式选择；
[0066]
winding parameters(一次绕组的参数)：一次绕组的线电压有效值(v)、电阻(pu)和漏抗(pu)；
[0067]
winding 2(abc)connection(二次绕组的连接)：二次绕组的连接方式选择；
[0068]
winding parameters(二次绕组的参数)：二次绕组的线电压有效值(v)、电阻(pu)和漏抗(pu)；
[0069]
依据实际对应元件，输电线路的模型需要选定的参数有：
[0070]
frequency used for rlc specifications(线路参数的频率)：一般设置为50即可，单位为hz；
[0071]
resistance per unit length(输电线路单位长度的电阻)：线路单位长度的正序
和零序电阻，单位为0/km；
[0072]
inductance per unit length(输电线路单位长度的电感)：线路单位长度的正序和零序电感，单位为h/km；
[0073]
capacitance per unit length(输电线路单位长度的电容)：线路单位长度的正序和零序电容，单位为f/km。
[0074]
length(输电线路的长度)：输电线路长度，单位为km。
[0075]
依据实际对应元件，负荷模型中设定以下参数：
[0076]
configuration(三相负荷的连接方式)：三相负荷的连接方式包括中性点接地的y形联结、中性点不接地的y形联结、中性点通过其他设备的联结和三角形联结；
[0077]
nominal phase
‑
to
‑
phase voltage vn(额定线电压)：负荷的额定线电压；
[0078]
nominal frequency fn(额定频率)：负荷的额定频率；
[0079]
active power p(有功功率)：负荷的有功功率；
[0080]
inductive reactive power ql(感性无功功功率)：三相负荷的感性无功功率；
[0081]
capacitive reactive power qc(容性无功功率)：三相负荷的容性无功功率。
[0082]
水电站的引水以及水轮机系统、调速系统、励磁系统需要通过现场测试、参数辨识的方法获得。
[0083]
引水水轮机及其调速系统的需要的参数选定包括：
[0084]
servo
‑
motor(接力器)：接力器为一个一阶系统，包含参数有增益ka和时间常数ta，以秒(s)为单位，通过调速器出厂说明书可获得。
[0085]
gate opening limits(导叶开度限制)：包括导叶开度的下限和上限gmin和gmax(pu)，以及导叶开度速度下限和上限的vgmin和vgmax(pu/s)，通过调速器出厂说明书获得。
[0086]
permanent droop and regulator(下垂系数以及调节器)：调速器的静态增益等于反馈回路中下降rp的倒数，即下垂系数。pid调节器具有比例增益kp、积分增益ki和微分增益kd。pid的高频增益受到时间常数为td(s)的一阶低通滤波器的限制。这些参数均通过参数辨识方法获得。
[0087]
hydraulic turbine(水轮机)：速度偏差阻尼系数d和引水系统时间tw(s)。偏差阻尼系数默认为0，而引水系统时间通过管道长度计算得到。
[0088]
droop reference(下垂参考)：指定反馈回路的输入：导叶开度位置偏差(设置为1)或水轮机输出功率偏差(设置为0)，默认设置为0
[0089]
initial mechanical power(初始机械功率)：水轮机输出初始机械功率pm0(pu)。该值由powergui模块的潮流实用程序自动更新。
[0090]
励磁系统参数也是通过实测来进行选定，具体的参数有
[0091]
low
‑
pass filter time constant(低通滤波器时间常数)：代表定子端电压传感器的一阶系统的时间常数tr，以秒(s)为单位.default is 20e
‑
3。
[0092]
regulator gain and time constant(调节器增益和时间常数)：代表主调节器的一阶系统的增益ka和时间常数ta，以秒(s)为单位。通过实际测试进行选定。
[0093]
exciter(励磁机)：代表励磁机的一阶系统的增益ke和时间常数te，以秒(s)为单位。默认为[1,0]。
[0094]
transient gain reduction(瞬态增益降低)：代表超前滞后补偿器的一阶系统的
时间常数tb(以秒(s)为单位)和tc(以秒(s)为单位)。默认设置为0。
[0095]
damping filter gain and time constant(滤波器增益和时间常数)：表示微分反馈的一阶系统的增益kf和时间常数tf，以秒(s)为单位.default is[0.001,0.1]。
[0096]
regulator output limits and gain(励磁调节输出限制和增益)：电压调节器的输出限制上下限efmin和efmax。上限为恒定且等于efmax，或可变的并且等于整流的定子端电压vtf乘以比例增益kp。如果kp设置为0，则前者适用。如果kp设置为正值，则后者适用。
[0097]
initial values of terminal voltage and field voltage(端电压和励磁电压初值)：由powergui模块的潮流实用程序自动更新。默认值为[1.01.28]。
[0098]
完成前面的步骤后，将simpowersystems库中powergui模块添加到系统中。在powergui模块中完成仿真类型以及分析工具的选择。在该步骤中，要反复检查初始状态与潮流计算和电机初始化的设置。
[0099]
电机初始化的设置包括电机潮流分布(machine load flow)：显示电机列表中选中电机的潮流分布。
[0100]
电机(machines)：显示简化同步电机、同步电机、非同步电机和三相动态负荷模块的名称。选中该列表中的电机或负荷后，才能进行参数设置。
[0101]
节点类型(bus type)：选择节点类型。对于“pv节点”可以设置电机的端口电压和有功功率；对于“pq节点”可以设置节点的有功功率和无功功率；对于“平衡节点”可以设置端电压的有效值和相角，同时需要估计有功功率值。如果选择了非同步电机模块，则仅需要输入电机的机械功率即可；如果选择了三相动态负荷模块，则需要设置该负荷的有功功率和无功功率。
[0102]
终端电压uab(terminal voltage uab)：对选中电机的输出线电压进行设置。有功功率(active power)：设置选中电机或负荷的有功功率。
[0103]
预估有功功率(active power guess)：如果电机的节点类型为平衡节点则显示该项，用来设置迭代开始时电机的有功功率。
[0104]
无功功率(reactive power)：设置选中电机或负荷的无功功率。
[0105]
电压uan的相角(phase of uan voltage)：当电机的节点类型设置为平衡节点时，该文本框被激活，指定选中电机a相相电压的相角。
[0106]
负荷潮流初始状态(load flow initial condition)：常常选择默认设置“自动(auto)”，使得迭代前系统自动调节负荷潮流初始状态。如果选择“从前一结果开始(start fromprevious solution)”，则负荷潮流的初始值为上次仿真结果。如果改变电路参数、电机的功率分布和电压后负荷潮流不收敛，就可以选择这个选项。
[0107]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本技术进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本技术的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本技术精神和范围的情况下，可以对本技术技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本技术的范围内。本技术的保护范围以所附权利要求为准。