水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真及優(yōu)化

1、.PAGE .水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)者：閆艷偉、夏春杰、劉博文、房全國、郭朋飛指導(dǎo)老師：周俊杰XX大學(xué)化工與能源學(xué)院,XX,450001摘要水能一種可再生能源,是清潔能源,是綠色能源。我國水資源的蘊(yùn)藏總量是比較豐富的,占世界第五位,隨著科技的進(jìn)步我國的水利工程也得到迅速發(fā)展。而水輪機(jī)在水利工程中起著至關(guān)重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和新學(xué)科邊緣學(xué)科交叉學(xué)科的誕生,計(jì)算機(jī)的應(yīng)用、水輪機(jī)技術(shù)得到了進(jìn)一步的完善發(fā)展,并取得了卓著績效。改善水力性能提高效率,特別在近年來,水輪機(jī)制造業(yè)都在不斷提高水輪機(jī)效率上下功夫,無論是其最高效率和平均效率都有了新的突破。利用matlab simulink對水

2、輪機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)仿真主要內(nèi)容有：1水輪機(jī)裝置系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立,包括：引水系統(tǒng)、液壓隨動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、水輪機(jī)線性和非線性系統(tǒng)。在simulink下建立水輪機(jī)的線性和非線性發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。對甩15%載荷和甩60%載荷進(jìn)行了仿真分析,并得出水輪機(jī)線性化模型優(yōu)于非線性化模型穩(wěn)定性。關(guān)鍵字：水輪機(jī) ；數(shù)值模擬 ； 水輪機(jī)仿真模擬；線性化；非線性化目錄前言31.1水輪機(jī)的發(fā)展歷史.31.2水輪機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.31.3本文的主要工作.42 水輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真.42.1 水輪機(jī)發(fā)電原理42.2 水輪機(jī)裝置的數(shù)學(xué)模型5引水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型.5液壓隨動系統(tǒng)模型.5發(fā)電機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型.52.3 水輪機(jī)系統(tǒng)仿真

3、建模5線性化水輪機(jī)的數(shù)學(xué)模型.5線性化水輪機(jī)的仿真建模.6非線性水輪機(jī)的數(shù)學(xué)模型.6非線性水輪機(jī)的仿真建模.82.4水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真建模.92.5結(jié)果分析102.6 本章小節(jié)111前言1.1水輪機(jī)的發(fā)展歷史水輪機(jī)是把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動力機(jī)械,它屬于流體機(jī)械中的透平機(jī)械。它是由古代的水輪或水車演變而來。 1827年法國工程師B.富爾內(nèi)隆制成 6馬力的反擊式水輪機(jī)。1849年經(jīng)美國工程師J.B.弗朗西斯設(shè)計(jì)改進(jìn)形成了現(xiàn)代混流式水輪機(jī),故稱為弗朗西斯水輪機(jī)。1850年出現(xiàn)沖擊式水輪機(jī)。到1880年美國工程師L.A.佩爾頓取得水斗型沖擊式水輪機(jī)的專利,世人稱之為佩爾頓水輪機(jī)。隨著水電開

4、發(fā)的進(jìn)展,水輪機(jī)的類型、性能和結(jié)構(gòu)日趨完善。1912年奧地利工程師V.卡普蘭設(shè)計(jì)出第一臺轉(zhuǎn)槳軸流式水輪機(jī),故稱為卡普蘭水輪機(jī)。到20世紀(jì)4050年代又相繼出現(xiàn)貫流式和斜流式水輪機(jī),同時水輪機(jī)又發(fā)展為水泵水輪機(jī),應(yīng)用于抽水蓄能電站。水輪機(jī)的類型已能適應(yīng)水電開發(fā)的不同任務(wù)和不同水頭的要求。中華人民XX國成立以后,很快建成中國的水輪機(jī)制造工業(yè),擁有20多個水輪機(jī)制造廠,已生產(chǎn)出2000萬kW以上的水輪機(jī)裝備全國的水電站,并向國外出口。目前水輪機(jī)應(yīng)用范圍已經(jīng)廣泛應(yīng)用在冷卻塔上有冷卻塔水輪機(jī),循環(huán)水管道的管道式水輪機(jī)等等。1.2水輪機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀水輪機(jī)用于水力發(fā)電已有100多年歷史,隨著水電資源的開發(fā)

5、,推動了水輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展,從而使水輪機(jī)進(jìn)入了一個多品種、大容量的時代。大體可以分為沖擊式、混流式、斜流式、軸流式、貫流式水輪機(jī)六大類以及相應(yīng)可逆式水泵水輪機(jī),它們分別適用于不同的水頭和流量。近十年來,國外各主要水輪機(jī)制造企業(yè)都在不斷提高水輪機(jī)效率上下功夫,無論是水輪機(jī)的最高效率還是水輪機(jī)的平均效率都有了新的突破。水輪機(jī)效率的提高無疑是得益于高科技的投入。主要有流體動力計(jì)算技術(shù)的重大突破；計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用；水輪機(jī)模型加工、試驗(yàn)中的高技術(shù)；水輪機(jī)真機(jī)新工藝、新材料的應(yīng)用。1水輪機(jī)流體動力計(jì)算技術(shù)的重大突破表現(xiàn)在：從解歐拉方程到解拉維斯托克斯方程；從不考慮水的粘性到考慮水的粘性、粘性流解；從解定常流

6、到解不定常流,大窩模擬；從計(jì)算單個部件到全流道模擬。2各種計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)與應(yīng)用如ANSYS、FLOWTRAN、CAD、CFD,計(jì)算機(jī)性能預(yù)估精度與速度的提高,優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)損失大大減小,效率得以提高,也大大提高了開發(fā)速度,減少了模型試驗(yàn)工作量。3新工藝、新材料的應(yīng)用 新工藝如數(shù)控加工,光學(xué)測量系統(tǒng),整體轉(zhuǎn)輪利用光學(xué)測量,機(jī)器人焊接、激光檢測焊接質(zhì)量等等。新材料的采用,目前普遍采用優(yōu)質(zhì)的不銹鋼。不僅改善了強(qiáng)度,提高了效率,還改善了抗空蝕、磨損能力。國外水輪機(jī)技術(shù)發(fā)展方向：國外水輪機(jī)技術(shù)發(fā)展已從多品種、高比速、大容量的發(fā)展階段轉(zhuǎn)向發(fā)展高科技即提高產(chǎn)品科技含量,爭取企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的新階段。具體的方向是

7、改善水力性能,提高運(yùn)行可靠性,降低制造成本,重視老電站改造和環(huán)境友好五個方面。國內(nèi)水輪機(jī)技術(shù)發(fā)展：我國的水輪機(jī)制造業(yè)始于1927年XXXX制造了一臺5kw水輪機(jī),起步比國外晚了近百年,但直到解放前生產(chǎn)最大水輪機(jī)單機(jī)容量只200kw,可以說是一片空白。改革開放后,國內(nèi)市場國際化,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國在建36000MW水電,20%尚未落實(shí)制造廠；50%以上,如三峽左岸電站、二灘、小浪底、萬家寨等均已落入外國公司或外國公司控股合資企業(yè)手中；剩下30%,如李家峽、天生橋等大電站也使用外國水力技術(shù)。我國面對著強(qiáng)大的競爭對手,針對以上情況,我國水輪機(jī)發(fā)展的主要績效體現(xiàn)在一下幾個方面：改善水力性能提高效率；采

8、用新技術(shù)提高運(yùn)行可靠性；提高比轉(zhuǎn)速降低制造成本；完善結(jié)構(gòu)重視環(huán)保1.3本文的主要工作利用matlab simulink對水輪機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)仿真主要內(nèi)容有：水輪機(jī)裝置系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立,包括：引水系統(tǒng)、液壓隨動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、水輪機(jī)線性和非線性系統(tǒng)。在simulink下建立水輪機(jī)的線性和非線性發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。對甩15%載荷和甩60%載荷進(jìn)行了仿真分析,并得出水輪機(jī)線性化模型優(yōu)于非線性化模型穩(wěn)定性。2水輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真2.1 水輪機(jī)發(fā)電原理水輪機(jī)是開發(fā)水能資源的設(shè)備之一,是利用水液體能并轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器設(shè)備。水輪機(jī)作為交流發(fā)電機(jī)的原動機(jī),用來帶動發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn),將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。水輪機(jī)調(diào)節(jié)系

9、統(tǒng)由被控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)對象和控制系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng),又稱調(diào)速器所組成,圖2-1所示為水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡圖。由圖可見,調(diào)節(jié)對象由水庫、壓力水道、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、蝸殼、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)及負(fù)載等組成。由于水電站生產(chǎn)的全過程是水、機(jī)、電的聯(lián)合生產(chǎn)過程,水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組一方面與水庫、壓力引水道、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和蝸殼等有水力上的聯(lián)系,另一方面與電力系統(tǒng)存在電氣上的聯(lián)系；調(diào)速系統(tǒng)一方面與水庫、壓力引水道、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和蝸殼等有水力上的聯(lián)系,另一方面與電網(wǎng)及負(fù)載有電氣上的聯(lián)系,在一方面又與水輪發(fā)電機(jī)組存在水、機(jī)、電三方面的聯(lián)系,由此可見,水輪機(jī)系統(tǒng)是水、機(jī)、電綜合控制系統(tǒng)。 圖2-1 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡圖2.2水輪機(jī)裝置系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2

10、.2.1引水當(dāng)導(dǎo)葉行變化而引起流量變化時,流量的變化會在引水系統(tǒng)中引起水擊效應(yīng),即流量的變化會在引水系統(tǒng)中產(chǎn)生水頭的變化。在小波動的情況下,可以認(rèn)為水和引水系統(tǒng)的管壁均為剛性的,此時的引水系統(tǒng)特性可表示為1：.式中：引水系統(tǒng)水流慣性時間常數(shù)2.2.2液壓調(diào)速器是基于檢測偏差,糾正偏差原理實(shí)現(xiàn)自動控制的,其主接力器活塞運(yùn)動速度與主配壓閥油孔開度成比例即：2-2式2-2表明主接力器是一個積分環(huán)節(jié)接力器行程與主配壓閥油孔開度的積分成比例。令其初始條件為零,對式2-2兩邊進(jìn)行拉氏變換,得主接力器傳遞系數(shù)2-3式中 接力器響應(yīng)時間常數(shù)2.2.3發(fā)電機(jī)是整個水輪機(jī)中的重要設(shè)備,其傳遞函數(shù)為：.2-4式中：

11、機(jī)組慣性時間常數(shù)機(jī)組靜態(tài)頻率自調(diào)節(jié)系數(shù)2.3水輪機(jī)系統(tǒng)的仿真模型2.3.1線性流量和力矩是水輪機(jī)的2個重要參數(shù),前者反映水輪機(jī)水力特性,后者反映水輪機(jī)機(jī)械特性。流量和轉(zhuǎn)矩是導(dǎo)葉開度近似用接力器位移來表示、水頭和機(jī)組轉(zhuǎn)速的函數(shù)2。如果用相對值表示,則.2-5a.式中轉(zhuǎn)矩流量導(dǎo)葉開度水頭轉(zhuǎn)速在研究小波動的情況下可分別將式2-1用泰勒級數(shù)展開,略去二階以上高次項(xiàng),可得水輪機(jī)線性的力矩和流量方程：.2-6a式中參數(shù)含義如下：參數(shù)表達(dá)式含義流量對轉(zhuǎn)速的傳遞系數(shù)流量對導(dǎo)葉開度的傳遞系數(shù)流量對水頭的傳遞系數(shù)力矩對轉(zhuǎn)速的傳遞系數(shù)力矩對導(dǎo)葉開度的傳遞系數(shù)力矩對水頭的傳遞系數(shù)2.3.2線性式2-6中的六個傳遞系數(shù)

12、可以從水輪機(jī)綜合特性曲線上求取?，F(xiàn)取=-0.91 =1.50 ,=1.12 ,=0.27 ,=0.55 ,=0.21。其線性水輪機(jī)simulink仿真模型如: 圖2-2 線性化水輪機(jī)模型2.3.3水輪機(jī)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng),水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真計(jì)算中所有變量均以偏差相對值表示,而水輪機(jī)特性參數(shù)表則采用變量相對值或全值表示,因此在查表前后均應(yīng)經(jīng)過變量的轉(zhuǎn)換。. 式中、均為額定工況下的數(shù)值,、 、為初始值,、分別為轉(zhuǎn)速,流量,水頭偏差相對值。水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速,效率特性曲線可以看出水輪機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時的單位流量和效率3,如圖2-3、圖2-4,此模塊可用look-up table二維查表模塊完成。 圖2-3

13、 轉(zhuǎn)速流量曲線圖2-4 轉(zhuǎn)速效率曲線2.3.4非線性水輪機(jī)的仿真建模 式中2-4中及所需參數(shù)如下：直徑=4.1m=1.0556 =1 =0.8095 =66m=136.4 r/min 接力器最大行程=29.2m其非線性水輪機(jī)流量和力矩仿真模型如下：圖2-5非線性水輪機(jī)流量特性圖2-6非線性水輪機(jī)力矩特性2.4水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真建模 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可分為四個部分：調(diào)速器、發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)、及引水系統(tǒng)模型。非線性水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型見圖2-7,其中水輪機(jī)采用2-5和2-6所示的非線性模型。如果圖2-7中的水輪機(jī)及引水系統(tǒng)模型用圖2-2代替,則可得線性水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型。式2-12-

14、22-32-4中參數(shù)確定如下5：=0.05 =10 ki=1.6 =0 =0.1 =2.1 =8.43 =1.2s=1.0其非線性水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型如下： 圖2-7 非線性水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型2.5結(jié)果分析 隨著水輪機(jī)尺寸的大型化,對水輪發(fā)電機(jī)組工作穩(wěn)定性的要求大為提高。由于水力方面的一些原因可能導(dǎo)致水輪機(jī)周期性的水壓脈動和功率擺動,嚴(yán)重時可能引起整個機(jī)組的強(qiáng)烈震動。因此水輪機(jī)的穩(wěn)定性問題日益受到重視,所以工作穩(wěn)定性問題顯得更為重要。本文對水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行甩負(fù)荷仿真試驗(yàn),其中水輪機(jī)模型采用線性化和非線性兩種不同模型,并分別對甩15%載荷和甩60%載荷進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果見圖2-8和2-9。

15、圖2-8 甩15%載荷圖2-9 甩60%載荷分析以上仿真結(jié)果可得出以下結(jié)論：非線性模型在載荷擾動較大時,表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。但其模型搭建復(fù)雜,在負(fù)荷擾動為零或較小時,出現(xiàn)較大誤差。且simulink下的look-up table查表模塊采用的是線性插值,精度不高,影響仿真結(jié)果。故水輪機(jī)非線性模塊有待于進(jìn)一步完善。線性化模型結(jié)構(gòu)簡單,概念清晰,用于小波動過渡過程仿真,誤差小,具有明顯優(yōu)勢,在負(fù)荷擾動較大時,誤差無明顯增加。六個傳遞系數(shù)隨工況點(diǎn)的不同而不同,但線性化模型對各種研究工況具有良好的適應(yīng)性。因而線性化模型得到更廣泛的應(yīng)用。2.6本章小節(jié)本章主要完成： 1.水輪機(jī)裝置系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立,包括：引水系統(tǒng)、液壓隨動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、水輪機(jī)線性和非線性系統(tǒng)。2. 在simulink下建立水輪機(jī)的線性和非線性發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。3