水輪機調(diào)速系統(tǒng)分析與建模

1、水輪機調(diào)速系統(tǒng)分析與建模袁方 2012202080056武漢大學動力與機械學院1水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)各個模塊組成水輪機調(diào)速系統(tǒng)主要由壓力引水系統(tǒng)、調(diào)速器電氣部分、液壓隨動系統(tǒng)、水輪機、發(fā)電機、電網(wǎng)組成。如圖1所示。壓力引水系統(tǒng)水輪機發(fā)電機斷路器電網(wǎng)壓力油系統(tǒng)液壓隨動系統(tǒng)機 組 頻 率給定調(diào)速器有功圖1水輪機調(diào)速系統(tǒng)它是一個集水、機、電為一體的綜合控制系統(tǒng)。1）調(diào)速器電氣部分：主要實現(xiàn)系統(tǒng)的控制規(guī)律和控制算法，針對不同的過程有不 同的控制策略。主要體現(xiàn)在不同的控制規(guī)律和不同的控制參數(shù)上，控制參數(shù)主 要包含比例系數(shù)（Kp）、積分系數(shù)（Ki）、微分系數(shù)（Kd）、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)（bp）。2）液壓隨動系統(tǒng)：實現(xiàn)

2、電氣信號向機械液壓信號的轉(zhuǎn)變和放大。主要包括電氣一 液壓信號轉(zhuǎn)換裝置、液壓放大、（導葉操作）機械手臂和位置反饋等，如圖2所示。3）水輪機：將水能轉(zhuǎn)換為機械能。4）發(fā)電機：將機械能轉(zhuǎn)換為電能。5）電網(wǎng)：主要是提供其他用電部門需要的能量。2液壓隨動系統(tǒng)分析與建模機械液壓系統(tǒng)的作用是把電氣信號轉(zhuǎn)換并放大成具有一定操作力的機械位移信號， 具有功率放大系數(shù)大、負載力大等特點。它主要由電氣-液壓信號轉(zhuǎn)換裝置、液壓放大、 （導葉操作）機械手臂和位置反饋等部分組成。圖2液壓隨動系統(tǒng)原理框圖電液伺服閥是將電氣信號轉(zhuǎn)換成具有一定操作能力的機械液壓信號，它是液壓隨動系統(tǒng)的關鍵部件。電液伺服閥是一個帶有死區(qū)、飽和、間

3、隙的一階慣性環(huán)節(jié)。電液轉(zhuǎn)換 器的時間常數(shù)，一般情況下很小，可以忽略不計，故可以看成一個比例環(huán)節(jié)。主配壓閥直接控制導葉接力器，是一個一階慣性環(huán)節(jié)，包含一個死區(qū)環(huán)節(jié)。主接力器作為驅(qū)動機構(gòu)，它將調(diào)速器輸出的控制信號直接作用在水輪機的導葉上， 控制導葉的開與關，是一個積分環(huán)節(jié)。2.1電液伺服閥電液伺服閥將電氣信號轉(zhuǎn)換為閥芯的位移信號，進而轉(zhuǎn)化為有一定壓力的流量信 號。在建模時對系統(tǒng)進行適當?shù)睾喕?。主要包含比例環(huán)節(jié)、死區(qū)、飽和、間隙等環(huán)節(jié)。 輸入為PID控制器輸出的控制信號，輸出為有一定壓力的流量信號。電液伺服閥建模如圖：Gain Dead Zone Backlash Saturation圖3 電液伺服

4、閥模型2.2主配壓閥主配壓閥將閥芯的位移信號轉(zhuǎn)換為過流孔的流量信號，有一定的壓力，主要包含比 例環(huán)節(jié)、死區(qū)、飽和、間隙等環(huán)節(jié)。輸入信號簡化為電液轉(zhuǎn)換器的輸出開口的大小，即 閥芯的位移信號。輸出為有一定壓力的流量信號，用于驅(qū)動主接力器。主配壓閥建模如圖:GainDead Zone*厘BacklashSaturation1Outl圖4 主配壓閥模型2.3主接力器主接力器是將壓力油信號轉(zhuǎn)換為機械手臂的位移信號，用于驅(qū)動導葉的開關。主要 包含積分環(huán)節(jié)、飽和、間隙等環(huán)節(jié)。輸入信號簡化為主配壓閥輸出的壓力油。輸出為機 械手臂的位移信號，用于驅(qū)動導葉的開關。主接力器建模如圖：圖5主接力器模型2.4液壓隨動系

5、統(tǒng)綜上所述，液壓隨動系統(tǒng)主要由電液伺服閥、主配壓閥和主接力器組成。其簡化模型如圖：圖3-6 液壓隨動系統(tǒng)模型3水輪機組段分析與建模水輪機和有壓過水系統(tǒng)合起來定義為水輪機組段。3.1壓力引水系統(tǒng)水電站的引水系統(tǒng)包括壓力引水系統(tǒng)、水輪機過水管道、蝸殼、尾水管道等。在水 輪機調(diào)節(jié)過程中，當導葉開度發(fā)生變化時，水流流量發(fā)生變化，而流量的變化將產(chǎn)生引 水系統(tǒng)水擊，水擊將引起流量的進一步變化，因此引水系統(tǒng)對水輪機調(diào)節(jié)特性的影響是 不容忽視的。在小波動范圍內(nèi)，水體及管道基本上可以認為是剛性的?？梢杂脛傂运畵衾碚搧砻枋鰤毫σ到y(tǒng)的動態(tài)特性。剛性水錘壓力引水系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:(1)Gy S = -TwS式中Tw

6、為水流慣性時間常數(shù)。剛性水錘壓力引水系統(tǒng)建模如圖7:q(s)h(s)Tw.s1Tran sfer Fen圖7壓力引水系統(tǒng)模型3.2水輪機系統(tǒng)水輪機具有較復雜的非線性、時變性特征，常用水輪機轉(zhuǎn)矩M、流量Q、水頭H、機組轉(zhuǎn)速n，輸出頻率(轉(zhuǎn)速)x及導葉開度丫(近似用接力器位移表示)等表示其動態(tài) 特性。水輪機傳遞函數(shù)為：g(s)=eX 肅 xeXjSh e (h -)s (2)q( s)= eh h 肅 qe x 卞 qe -(y(s其中：eh水輪機轉(zhuǎn)矩偏差相對值對水頭偏差相對值的傳遞系數(shù)； ex水輪機轉(zhuǎn)矩偏差相對值對轉(zhuǎn)速偏差相對值的傳遞系數(shù)； ey水輪機轉(zhuǎn)矩偏差相對值對接力器行程偏差相對值的傳遞系

7、數(shù)； eqh流量偏差相對值對水頭偏差相對值的傳遞系數(shù)； eqx流量偏差相對值對轉(zhuǎn)速偏差相對值的傳遞系數(shù)； eqy流量偏差相對值對接力器行程偏差相對值的傳遞系數(shù)。水輪機系統(tǒng)建模如圖8Gain51h(s)匸y(s)'3 -x(s)* q(s)2mt(s)Gain圖8水輪機系統(tǒng)模型理想水輪機的傳遞系數(shù) ey=1, eh=1.5, eqy=1.0, eqh=0.5, eqx=O。ex與發(fā)電機及其負 載的eg歸到發(fā)電機的數(shù)學模型中。Gs(s) /術)恥1 ' eqhTws將理想水輪機的傳遞函數(shù)的值代入式（4），則得水輪機組段傳遞函數(shù):Gs(s)-Tws 1°.5TwS 1綜合考

8、慮引水系統(tǒng)和水輪機模塊，其傳遞函數(shù)為：則理想水輪機組段建模如圖9：'1 -in1Transfer Fcn2理想水輪機組段模型4發(fā)電機系統(tǒng)分析與建模水輪發(fā)電機運行時，在小瞬變工況下，機組運動方程式為:dxTaex 二 m t-m g dt式中：ex為水輪機力矩對轉(zhuǎn)速的偏導數(shù)，又稱水輪機自調(diào)節(jié)系數(shù)；eg為發(fā)電機（負荷）力矩對轉(zhuǎn)速的偏導數(shù)，又稱發(fā)電機（負荷）自調(diào)節(jié)系數(shù)；en稱水輪發(fā)電機綜合自調(diào)節(jié)系數(shù)；Ta為機組慣性時間常數(shù)。其中 mg是負荷組成或負荷大小的變化，這里主要是 討論水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性，通常是討論 mg不變的情況下，或按一定規(guī)律變化下， 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過渡過程，所以通常把

9、mg的變化看作是對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一種擾 動，稱為負荷擾動，并寫為mg0。根據(jù)上式，可寫出水輪機力矩至發(fā)電機轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)：Gf(s)=x(s)mjs) -mgo(s)TaSen(8)0000機組運行時發(fā)電機及負荷模型如圖10:圖10發(fā)電機及負荷模型mg000005 PID控制器PID控制是實現(xiàn)機組控制規(guī)律的主要部分。本文所建水輪機調(diào)速系統(tǒng)模型采用并聯(lián)PID控制，其模型如圖11:圖11 并聯(lián)PID控制模型6水輪機開機過程及空載擾動模型水輪機開機及空載擾動過程，是目前研究較多的兩個過程。針對這兩個過程所建水輪機調(diào)速系統(tǒng)模型如圖12:圖12水輪機調(diào)速系統(tǒng)模型6.1開機過程分析現(xiàn)在普遍采用的開機規(guī)律是當調(diào)速器接到開機令信號后，以最大的開啟速度將導葉開到空載限制開度，并保持這一開度一直不變。這時機組的頻率將迅速上升至某一設定 值時，再將導葉接力器關回到空載開度附近，然后轉(zhuǎn)入PID調(diào)節(jié)控制，直至機組頻率升至額定頻率并穩(wěn)定下來。在Simulink中對模型進行非實時仿真，則其開機過程仿真曲線如圖13：