一种轴流转桨式水轮机原动机模型参数辨识方法与流程

1.本发明涉及一种轴流转桨式水轮机原动机模型参数辨识方法。


背景技术：

2.福建省水资源丰富，水力发电所占比重远超过其他省份，水电行业是福建经济的基础性支柱产业之一。水轮机是一种将水的势能转变为动能的原动机，与发电机相连可最终转换成电能，并通过电网供给用户。电力系统的规定频率为50hz，其偏差范围一般不得超过
±
0.2hz，而有功功率的平衡决定了电力系统频率的稳定。电力系统的负荷是始终波动、难以预测的，其波动幅度有时能达到电网总容量的3%左右，波动周期在几秒到几十分钟不等。电力系统故障，如三相短路等，也会造成电网频率突变，对电力系统安全运行与用户体验造成较大影响。因此，水轮发电机组的核心任务之一就是在电网频率偏离额定值时，及时调节有功功率限制电网频率变化。有功功率的准确调节，离不开水轮机原动机的精确建模，水轮机原动机模型的搭建及其参数辨识，对于电力系统分析、运行、规划和控制参数优化设计有着重要的指导作用。
3.水轮机分类众多，根据能量转换形式的不同，水轮机可分为反击式水轮机与冲击式水轮机，反击式水轮机利用水流的势能和动能做功，冲击式水轮机利用水流的动能做功。根据水流流经转轮的形式的不同，反击式水轮机又分为混流式水轮机、轴流式水轮机、斜流式水轮机和贯流式水轮机。其中，轴流式水轮机的水流沿转轮轴向流入、轴向流出，水流方向始终平行于主轴，广泛应用于中低水头、大流量电站。轴流式水轮机根据其转轮叶片在运行中能否转动，又可分为轴流定桨式水轮机与轴流转桨式水轮机，轴流定桨式机组负荷仅通过导叶开度调节，而轴流转桨式机组负荷通过桨叶与导叶开度同时调节，桨叶与导叶之间保持一种协联关系。轴流转桨式水轮机有较多优点，相比于混流式水轮机，轴流转桨式水轮机转轮叶片少、过流面积大，在发电机组出力相同、运行水头相同时，较小的单位流量即可获得较大的单位转速，因此可缩小水轮机尺寸，降低电厂投资。轴流转桨式水轮机导叶与桨叶协联调节，能够适应水头、负荷变动大的水电站，拓宽了机组高效率运行范围，提高了水轮机的平均运行效率。从机组稳定性、运行效率、建设成本、保持生态平衡方面来看，轴流转桨式水轮机仍是今后中低水头水电站重点应用的机型。但轴流转桨式水轮机导叶与桨叶都可调节，原动机模型参数较多，为模型参数辨识工作带来困难。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种轴流转桨式水轮机原动机模型参数辨识方法，该方法将原动机模型划分为导叶环节与桨叶环节，结合退协联的现场试验方式，依次辨识导叶环节与桨叶环节参数，提升了辨识效率与准确性。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种轴流转桨式水轮机原动机模型参数辨识方法，采用退协联的试验方式，测出导叶与桨叶分别动作对机械功率的影响，并将原动机模型分为导叶环节与桨叶环节分别辨识，依次辨识各环节参数。
6.在本发明一实施例中，该方法具体包括如下步骤：s1、导叶环节辨识导叶环节需要辨识的参数有a、b、k
p
、tw，其中a、b为修正系数，k
p
、tw通过试验数据进行辨识；现场试验采用退协联、定桨叶、导叶阶跃
±
6%的方法测得试验数据，通过在包括matlab、simulink的仿真软件中建立导叶环节模型，输入导叶开度阶跃指令，并与实测数据进行对比，即可辨识出k
p
、tw；导叶阶跃
±
6%两组试验数据都要满足偏差允许值，如不满足则重新辨识k
p
、tw；s2、桨叶环节辨识桨叶环节需要辨识的参数有k、k
pr
、kr；现场试验采用退协联、定导叶、桨叶阶跃
±
6%的方法测得试验数据；通过在包括matlab、simulink的仿真软件中建立桨叶环节模型，输入桨叶开度阶跃指令，并与实测数据进行对比，即可辨识出k、k
pr
、kr；桨叶阶跃
±
6%两组试验数据都要满足偏差允许值，如不满足则重新辨识k、k
pr
、kr；s3、开环试验校核导叶环节辨识与桨叶环节辨识过程中，已依次辨识并校核a、b、k
p
、tw、k、k
pr
、kr共7个模型参数，为确保模型参数辨识的准确性，还需对辨识出的参数进行开环试验结果仿真校核，开环试验在导叶桨叶协联状态，导叶阶跃6%条件下测得；在包括matlab、simulink的仿真软件中建立轴流转桨式水轮机原动机模型，并填入已辨识出的7个参数，输入导叶与桨叶阶跃曲线，输出机械功率，并与实测结果进行对比；仿真结果与实测结果的偏差必须满足偏差允许值，如不满足则优化a、b，重新进行导叶环节与桨叶环节辨识，直至满足偏差允许值。
7.相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法将原动机模型划分为导叶环节与桨叶环节，结合退协联的现场试验方式，依次辨识导叶环节与桨叶环节参数，提升了辨识效率与准确性。
附图说明
8.图1为系统辨识方法示意图。
9.图2为水轮机及引水系统简化模型。
10.图3为本发明环节划分示意图。
11.图4为本发明模型参数辨识流程图。
具体实施方式
12.下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
13.本发明一种轴流转桨式水轮机原动机模型参数辨识方法，采用退协联的试验方式，测出导叶与桨叶分别动作对机械功率的影响，并将原动机模型分为导叶环节与桨叶环节分别辨识，依次辨识各环节参数。
14.以下为本发明具体实现过程。
15.如图1所示为系统辨识方法示意图。系统辨识就是通过观测一个系统的输入与输出之间的关系，来确定描述该系统的数学模型。系统辨识有三个要素：数据、模型类和准则，辨识就是按照一个评价准则在一组模型类中选择一个与输入输出数据拟合程度最好的模
型。
16.对于毫无先验知识的系统，仅以输入与输出的关系实现系统辨识，属于黑箱问题。黑箱问题一般采用线性差分方程假定模型结构，并通过输入输出关系辨识得到差分方程系数，此方法无法得到系统内部的真实情况，因此不宜采用。对于大多数工程系统，可以通过分析其物理过程确定系统的基本结构，使问题“灰色化”，所建立的基本结构模型中通常包含有各种待定的模型参数，可以通过对真实系统进行辨识来确定。
17.如图2所示为依据真实物理过程建立的轴流转桨式水轮机及其引水系统简化刚性水击模型。其中y、yr为导叶开度与桨叶开度；k
p
、k、k
pr
、kr分别为待辨识系数；a、b为常数；tw为水流惯性时间常数；pm为轴流转桨式水轮机机械功率。原动机模型参数辨识的过程即是确定待辨识参数的过程，以现场试验测得的导叶、桨叶开度作为输入，机械功率作为输出，辨识确定原动机模型中的各个参数。
18.为此本发明提出一种轴流转桨式水轮机原动机模型参数辨识方法，轴流转桨水轮机导叶与桨叶协联动作，其原动机模型如图2所示，有a、b、k
p
、tw、k、k
pr
、kr共7个参数需要辨识。由于导叶开度与桨叶开度对机械功率的作用互相耦合，常规辨识方法较难准确辨识出7个模型参数。本发明开创了一种全新的轴流转桨式水轮机原动机模型参数辨识方法，采用退协联的试验方式，测出导叶与桨叶分别动作对机械功率的影响，并将原动机模型分为导叶环节与桨叶环节分别辨识，依次辨识各环节参数，提升了辨识效率与准确性。环节划分示意图如图3所示，导叶环节需要辨识的参数有a、b、k
p
、tw，桨叶环节辨识的参数有k、k
pr
、kr。本发明的轴流转桨机式水轮机原动机参数辨识可分为三个过程：导叶环节辨识、桨叶环节辨识和开环试验校核，每一辨识过程都要进行仿真值与实测值对比，并满足表1所示的偏差允许值。
19.表1 水轮机负载试验仿真与实测的偏差允许值指标名称允许偏差（=实测值-仿真值）反调峰值功率p
rp
±
10%的功率实测变化量反调峰值时间t
rp
±
0.2s调节时间ts±
2.0s1、导叶环节辨识导叶环节需要辨识的参数有a、b、k
p
、tw，其中a、b为修正系数，通常取a=1.0、b=0.5，k
p
、tw通过试验数据进行辨识。为了避免桨叶动作带来的导叶环节参数辨识困难，现场试验采用退协联、定桨叶、导叶阶跃
±
6%的方法测得试验数据。通过在matlab/simulink等仿真软件中建立导叶环节模型，输入导叶开度阶跃指令，并与实测数据进行对比，即可辨识出k
p
、tw。导叶阶跃
±
6%两组试验数据都要满足表1所示偏差允许值，如不满足则重新辨识k
p
、tw。
20.2、桨叶环节辨识桨叶环节包含的参数有a、b、tw、k、k
pr
、kr，其中a、b、tw在导叶环节辨识中已经确定，因此需要辨识的参数仅有k、k
pr
、kr。现场试验采用退协联、定导叶、桨叶阶跃
±
6%的方法测得试验数据。通过在matlab/simulink等仿真软件中建立桨叶环节模型，输入桨叶开度阶跃指令，并与实测数据进行对比，即可辨识出k、k
pr
、kr。桨叶阶跃
±
6%两组试验数据都要满足表1所示偏差允许值，如不满足则重新辨识k、k
pr
、kr。
21.3、开环试验校核导叶环节辨识与桨叶环节辨识过程中，已依次辨识并校核了a、b、k
p
、tw、k、k
pr
、kr共7个模型参数，为了确保模型参数辨识的准确性，还需对辨识出的参数进行开环试验结果仿真校核，开环试验在导叶桨叶协联状态，导叶阶跃6%条件下测得。在matlab/simulink等仿真软件中建立轴流转桨式水轮机原动机模型，并填入已辨识出的7个参数，输入导叶与桨叶阶跃曲线，输出机械功率，并与实测结果进行对比。仿真结果与实测结果的偏差必须满足表1所示的偏差允许值，如不满足则优化a、b，重新进行导叶环节与桨叶环节辨识，直至三个辨识过程的实测与仿真结果全部满足表1所示指标要求。
22.将本发明的轴流转桨式水轮机原动机模型参数辨识方法以流程图的形式进行总结，结果如图4所示。
23.以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。