基于电网频率控制的水电站调压室设置条件研究

本项目基于电网频率控制对水轮机调节系统并网运行的要求，对调压室设置条件进行了深入的研究。明确了电网频率控制对水电机组动态响应过程的要求，为调压室设置条件的研究提供了衡量标准；建立了并列运行水电机组参与电网频率控制的非线性数学模型，并开发了相应的数值计算软件；通过数值仿真，分析了水电机组分别在孤网及并大网方式下的频率调节动态响应过程，研究了引水系统水流惯性、机组容量占电网比重、水轮机特性等因素对调节品质的影响，并找出了影响水电机组调节品质的最不利工况；从理论上分析了水电机组频率控制动态响应过程，并基于电网频率控制的要求从理论上得出了水电机组调压室的设置条件，完善了水电站调压室设计理论，极大推动了我国水电站调压室设计水平的进步。

调压室的主要作用是减小压力管道的水流惯性，满足调节保证的要求，同时提高水电站调节系统的动态响应能力以满足电网频率控制的要求。目前我国调压室设计中未考虑电网频率控制对水电机组的要求，不仅给水轮机调节带来了极大困难，而且危害到整个电网的稳定及供电质量。本项目拟从电网频率控制对水电站的要求入手，采用理论分析与数值仿真相结合的方法，对调压室设置条件进行深入研究。主要研究内容为：根据现代电力系统的特点，明确电网频率控制对水电机组调节系统动态特性的要求，建立并列运行水电机组参与电网频率控制的非线性数学模型，并基于水电站实际运行数据对数学模型进行修正；利用数值计算研究水电机组参与电网频率控制的动态性能，找出主要影响因素，阐明影响机理；在此基础上研究动态品质与调压室设置条件之间的关系，利用非线性数学分析方法得出满足电网频率控制要求的水电站调压室设置条件，完善水电站调压室设计理论。

频率误差研究背景

虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，其主要技术构成是PC机加上特定仪器硬件和应用软件，形成既有传统仪器功能，同时又具备特殊功能的仪器，具有开放性和功能软件模块化等优点。通过软件实现对检测数据的显示、存储以及分析处理，大大缩小了仪器硬件的成本和体积。在TD-SCDMA系统中，频率误差是无线通信中比较重要的性能指标，存在频率误差的信号会影响到系统的正确解调。笔者提出了基于虚拟仪器的测量频率误差的方法，方便与其他测量算法一起构成一个综合的测试系统。该方法通过对接收信号解调、还原得到参考信号，利用参考信号和接收信号的相位误差的线性拟合求得频率误差。

频率误差TD - SCDMA信号的相位和频率误差

在Uu接口发射端的物理层，高层来的数据经过信道编码和复用后，进行数据调制。把2个连续的二进制比特映射成一个复数值的数据符号，映射关系如表1所示。

在复值映射后，复值数据符号被扩频和加扰，加上训练序列成帧。这样就产生了码片数率的复值数据流。为了消除码间串扰，数据流中的每一个复值码片的实部和虚部分离后经过脉冲成形滤波，最后进行QPSK调制发射。频率误差指的是发射机和接收机用于调制的载波频率之间的误差。

频率误差分析数据的选取

为了准确地比较发射信号和接收信号，可以将发射端和接收端的训练序列作为分析对象。因为在接收端能够确定发射端的训练序列，而对于数据区的数据，其准确性有待于正确的解调。在接收端，可以直接获得经过调制的训练序列的矢量，但是并不能直接用它来与接收信号的训练序列对比。因为RRC滤波不能完全消除码间串扰，会使得训练序列中含有数据区的信息，所以要在接收端得到训练序列的时候也需要考虑发射端数据的影响。在接收机处，利用训练序列同步之后，直接解调数据区得到原始比特，然后让这些比特再经过整个发射过程得到理想的发射信号T′。在这个过程中，可以认为上下变频的过程是理想的，不会对信号产生影响，只考虑发射机和接收机本身的频率误差。因此这个过程包括解调到比特，再从比特调制到复值信号后就是T′。这个过程叫做信号还原，如图2所示。对比144B的还原信号训练序列和接收信号训练序列的星座图，可得到相位误差序列。 2100433B

随着我国西部地区水力资源的开发利用及对环境保护的日益重视，气垫调压室在高水头、长输水系统的水电站建设中具有重大的推广应用价值。但目前对气垫调压室的研究多为上世纪70 年代挪威的水电建设经验总结，资料较为零散，缺乏细致的分析论证。本项目拟通过理论分析与数值模拟，在模型试验与水力过渡过程计算成果分析的基础上，结合现场原型观测数据的反演分析，建立含气垫调压室及机组的输水发电系统整体数学模型，确定气垫调压室在水电站输水系统中的设置位置；制定气室面积、高度与安全水深选取原则。根据气垫调压室密闭气体真实动态特性、水锤波反射性能、运行稳定性要求，针对国内在建与拟建的含气垫调压室的水电站输水系统，合理选取气垫调压室体型参数、运行控制模式并提出事故防治对策，为气垫调压室在水电站输水发电系统中的优化设计、安全运行提供理论指导及实践依据。

适用于水电站3级及以下上游气垫式调压室的设计。水电站2级及以上气垫式调压室设计应进行专门研究。