基于sc2000的雙調(diào)節(jié)轉槳式機組模塊化建模

基于sc2000的雙調(diào)節(jié)轉槳式機組模塊化建模

建模功能是將整個模型段劃分為獨立的功能模塊，信息傳輸簡單流暢，適用性強。對混流式水輪機組的建模已進行了長時間的研究,文獻均做了較詳細說明,但對有著雙調(diào)節(jié)調(diào)速器的軸流轉槳式水輪機的建模及導葉和輪葉的協(xié)聯(lián)與非協(xié)聯(lián)狀態(tài)下的數(shù)學模型的研究較少。鑒此,本文基于建模原則,剖分了水輪發(fā)電機系統(tǒng),分解為水輪發(fā)電機組、調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)等基本獨立的模塊,每部分均構建了數(shù)學模型,分析了雙調(diào)節(jié)調(diào)速器的模型,建立了協(xié)聯(lián)數(shù)學模型,并將各部分模型打包成模塊,將其圖形化處理,以搭積木法簡單直觀搭建模型。1sct3000模擬平臺1.1sct3000系統(tǒng)模型構建基于SCT3000仿真平臺建立模型,可方便地自定義一個新模塊,并可為該模塊設計一個形象化的圖元,見圖1,監(jiān)控系統(tǒng)與實際電站完全一致。圖2為SCT3000系統(tǒng)模型后臺搭建平臺,為用戶提供了直觀圖形化的模型構建工具,僅需從算法庫中拖出算法到建模區(qū),即可生成模塊,用連接線將各模塊的輸入輸出相連,即構建成新的模型,連接線可任意加減節(jié)點,從而美化模型布局。各模塊的輸入輸出量初始值及模塊運行速率、運行凍結等修改非常方便,還可對各模塊的輸入輸出量的描述重新定義。該系統(tǒng)體現(xiàn)了圖形化構建模型的快速性、方便性和直觀性。1.2生成模塊的算法對不同電站的不同機組,由于同類設備原理相同,將設備的構件作為建模的基本單位,即可建立同類設備的算法。同類設備亦有不同之處,為使算法具有通用性,可在每個算法中設計一組修改系數(shù)。對類型相同但結構尺寸或型號等又不同的設備,設定不同的系數(shù)以實現(xiàn)仿真。建模時,僅要選擇相應的算法,并設定適當?shù)南禂?shù),即可方便搭接仿真模型。算法采用FORTRAN語言編寫,根據(jù)制作模塊的功能設置輸入、輸出量和系數(shù)。算法包括:①算法名。給算法自定義名且歸類,區(qū)別不同類型的算法模塊。②算法輸入管腳。以其他模塊借口,從其他模塊的輸出端引入該模塊計算所需的參數(shù)為動態(tài)變化,且可手動修改。③算法輸出管腳。將模塊計算的量傳給其他模塊,可直接以連接線方式傳遞,亦可以變量名的方式傳遞。④算法屬性。包括算法的描述、輸入輸出管腳的描述和變量名設置及輸入輸出管腳的修改。2因素模塊的組成基于實際雙調(diào)節(jié)水輪機組的控制和運行過程做出圖3的關系圖,并剖分系統(tǒng)形成若干個大模塊。每個大模塊又由若干小設備或部件組成,將不同的組成單元作為子模塊處理。根據(jù)需要可繼續(xù)在子模塊中剖分更細的模塊,如此一層套一層搭建最外層的模塊。2.1調(diào)速器模塊該模塊的功能是在開關機及調(diào)負荷等大波動過渡過程中對導葉和槳葉的變化規(guī)律進行計算并輸出,在功率調(diào)節(jié)或小擾動等工況下進行PID調(diào)節(jié)計算。(1)導葉和槳葉的變化規(guī)律在水力機組增荷、減荷或開停機、甩負荷等過程,導葉和槳葉均依一定的規(guī)律變化。啟閉規(guī)律通過現(xiàn)場的導葉開關規(guī)律和協(xié)聯(lián)關系進行線性優(yōu)化,并通過調(diào)速器PID調(diào)節(jié)進而控制導葉的啟閉過程。(2)pid調(diào)節(jié)模塊數(shù)學模型控制機組及頻率穩(wěn)定在電網(wǎng)頻率附近的允許范圍內(nèi)。由于供電量與用電量間的平衡被破壞,機組頻率偏離了額定值,因此調(diào)速系統(tǒng)的自身負荷/頻率靜態(tài)、動態(tài)特性及輸入機組目標功率值對導葉和槳葉進行調(diào)節(jié),是建立PID調(diào)節(jié)模塊數(shù)學模型的基礎。通過圖4結構關系建模,調(diào)速器模塊有頻率和機組目標功率2個信號輸入端,虛線框內(nèi)為水輪機調(diào)速器的內(nèi)部構造及相互間聯(lián)系。fc、f分別為頻率給定、電網(wǎng)頻率;Pc、PT分別為機組目標功率、機組實際功率;ΔPf為與頻率偏差對應的機組功率調(diào)整增量;ΔPc為與目標功率對應的頻率增量。調(diào)速器采用PID調(diào)節(jié)方式,考慮其中關鍵的非線性環(huán)節(jié),其相應的狀態(tài)方程采用文獻中的微分方程組。(3)槳葉輸出值的修正對槳葉運動的實時控制,主要通過數(shù)字協(xié)聯(lián)模塊進行。根據(jù)現(xiàn)場提供的協(xié)聯(lián)曲線(圖5)作三重一次插值運算,其步驟如下。步驟1首先分別以H=Hj-1、H=Hj協(xié)聯(lián)曲線為準,作二重內(nèi)插計算,可求得A、B兩點的槳葉值結果,見文獻。步驟2假設有一條協(xié)聯(lián)曲線介于Hj-1與Hj之間,對水頭值再進行一次插值,即得槳葉輸出值。該數(shù)字協(xié)聯(lián)易在微機中實現(xiàn),且省時、省空間。為照顧線性度,在曲線分割時盡量提高精度。當開機、關機和事故停機時,導葉與槳葉存在非協(xié)聯(lián)狀態(tài),根據(jù)廠方提供的導、槳葉的運動曲線進行擬合,采用二次多項式回歸模型可達到精度要求。2.2勵磁系統(tǒng)和勵磁機模塊(1)磁體的數(shù)學模型勵磁系統(tǒng)的性能優(yōu)劣除影響發(fā)電機組的運行特性外,還影響整個系統(tǒng)的運行性能。勵磁機相應的常微分方程見文獻。(2)導的map方程水輪發(fā)電機的數(shù)學模型擬采用d、q坐標系統(tǒng)推導的Park方程作為基本方程,在特定條件下,可由完整的動態(tài)模型得到簡化模型?？紤]阻尼繞組作用時,用標幺值表示Park方程,見文獻。2.3引用系統(tǒng)模塊(1)管道計算位置依據(jù)水電站水錘計算的基本方程可建立特征線方程:C+:Hpi=Cp-BpQpiC-:Hpi=CM-BMQpi其中R=(fΔx)/(2gDA2);B=a/(gA)Cp=Hi-1+BQi-1;Bp=B+R|Qi-1|CM=Hi+1+BQi+1;BM=B+R|Qi-1|式中,Hpi、Qpi為時刻t的未知量,CP、BP、BM、CM為時刻t-Δt的已知量;B、R為常數(shù);Hi、Qi、Qi-1、Hi-1為t-Δt時的已知量;Δx為管道分段的長度,滿足庫朗條件ΔT=Δx/a;I、i+1、i-1為計算斷面的位置;D、A、a、f分別為管道直徑、管道面積、水錘波速和摩阻系數(shù)。(2)水系統(tǒng)的模擬程序流程水力系統(tǒng)部分仿真程序流程見圖6。2.4障及控制部分、調(diào)節(jié)部分和顯示部分除上述組成水電站本體模型的最基本模塊外,還有順序控制、輔助系統(tǒng)、事故與故障及控制部分、調(diào)節(jié)部分和顯示屏的模塊,如現(xiàn)地調(diào)速器機柜、PLC盤、勵磁調(diào)節(jié)器、水泵和電磁閥的現(xiàn)地控制柜等。這些模塊可不通過順控部分直接對相應設備進行控制,在模型中通過各設備模塊的輸入端留有現(xiàn)地控制設備的輸入引腳實現(xiàn)。3pid調(diào)節(jié)及導葉和槳葉非協(xié)聯(lián)工況下的位置關系圖7為開機過程中由停機至空載過程時導葉和槳葉的運動過程曲線圖,其中包括開度調(diào)節(jié)和調(diào)速器的PID調(diào)節(jié)及導葉和槳葉非協(xié)聯(lián)工況下的位置關系。圖8為開機停機和甩負荷過程對應的蝸殼進口壓力變化曲線。與電廠實測圖比較,本文建立的軸流轉槳式水輪機組的仿真結果真實反映了電廠實際運行工況,并符合電廠各過渡過程的變化特點,可作為實際機組的仿真機進行運行方式模擬和培訓使用。4模型搭建方法a.結合雙調(diào)節(jié)軸流轉槳式水輪機組,構建了水輪機、調(diào)速器、發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)輔助系統(tǒng)及順控部分數(shù)學模型,并研究了導葉和槳葉的協(xié)聯(lián)和非協(xié)聯(lián)工況,建立了與實際相符的雙調(diào)系統(tǒng)的數(shù)學模型。b.將傳統(tǒng)的數(shù)學模型模塊化,采用新型的模型搭建法,在復雜的對象與系統(tǒng)中將系統(tǒng)逐級分解為子系統(tǒng),再通過不同模塊間