基于sc2000的雙調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)槳式機(jī)組模塊化建模

基于sc2000的雙調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)槳式機(jī)組模塊化建模

建模功能是將整個(gè)模型段劃分為獨(dú)立的功能模塊，信息傳輸簡單流暢，適用性強(qiáng)。對混流式水輪機(jī)組的建模已進(jìn)行了長時(shí)間的研究,文獻(xiàn)均做了較詳細(xì)說明,但對有著雙調(diào)節(jié)調(diào)速器的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的建模及導(dǎo)葉和輪葉的協(xié)聯(lián)與非協(xié)聯(lián)狀態(tài)下的數(shù)學(xué)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(jī)系統(tǒng),分解為水輪發(fā)電機(jī)組、調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)等基本獨(dú)立的模塊,每部分均構(gòu)建了數(shù)學(xué)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(xué)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(gòu)建基于SCT3000仿真平臺建立模型,可方便地自定義一個(gè)新模塊,并可為該模塊設(shè)計(jì)一個(gè)形象化的圖元,見圖1,監(jiān)控系統(tǒng)與實(shí)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(gòu)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(gòu)建成新的模型,連接線可任意加減節(jié)點(diǎn),從而美化模型布局。各模塊的輸入輸出量初始值及模塊運(yùn)行速率、運(yùn)行凍結(jié)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(gòu)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(jī)組,由于同類設(shè)備原理相同,將設(shè)備的構(gòu)件作為建模的基本單位,即可建立同類設(shè)備的算法。同類設(shè)備亦有不同之處,為使算法具有通用性,可在每個(gè)算法中設(shè)計(jì)一組修改系數(shù)。對類型相同但結(jié)構(gòu)尺寸或型號等又不同的設(shè)備,設(shè)定不同的系數(shù)以實(shí)現(xiàn)仿真。建模時(shí),僅要選擇相應(yīng)的算法,并設(shè)定適當(dāng)?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(shè)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(jì)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(jì)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(shè)置及輸入輸出管腳的修改。2因素模塊的組成基于實(shí)際雙調(diào)節(jié)水輪機(jī)組的控制和運(yùn)行過程做出圖3的關(guān)系圖,并剖分系統(tǒng)形成若干個(gè)大模塊。每個(gè)大模塊又由若干小設(shè)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(xì)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(guān)機(jī)及調(diào)負(fù)荷等大波動過渡過程中對導(dǎo)葉和槳葉的變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算并輸出,在功率調(diào)節(jié)或小擾動等工況下進(jìn)行PID調(diào)節(jié)計(jì)算。(1)導(dǎo)葉和槳葉的變化規(guī)律在水力機(jī)組增荷、減荷或開停機(jī)、甩負(fù)荷等過程,導(dǎo)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(dǎo)葉開關(guān)規(guī)律和協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行線性優(yōu)化,并通過調(diào)速器PID調(diào)節(jié)進(jìn)而控制導(dǎo)葉的啟閉過程。(2)pid調(diào)節(jié)模塊數(shù)學(xué)模型控制機(jī)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(jī)組頻率偏離了額定值,因此調(diào)速系統(tǒng)的自身負(fù)荷/頻率靜態(tài)、動態(tài)特性及輸入機(jī)組目標(biāo)功率值對導(dǎo)葉和槳葉進(jìn)行調(diào)節(jié),是建立PID調(diào)節(jié)模塊數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。通過圖4結(jié)構(gòu)關(guān)系建模,調(diào)速器模塊有頻率和機(jī)組目標(biāo)功率2個(gè)信號輸入端,虛線框內(nèi)為水輪機(jī)調(diào)速器的內(nèi)部構(gòu)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(jī)組目標(biāo)功率、機(jī)組實(shí)際功率;ΔPf為與頻率偏差對應(yīng)的機(jī)組功率調(diào)整增量;ΔPc為與目標(biāo)功率對應(yīng)的頻率增量。調(diào)速器采用PID調(diào)節(jié)方式,考慮其中關(guān)鍵的非線性環(huán)節(jié),其相應(yīng)的狀態(tài)方程采用文獻(xiàn)中的微分方程組。(3)槳葉輸出值的修正對槳葉運(yùn)動的實(shí)時(shí)控制,主要通過數(shù)字協(xié)聯(lián)模塊進(jìn)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(yùn)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(zhǔn),作二重內(nèi)插計(jì)算,可求得A、B兩點(diǎn)的槳葉值結(jié)果,見文獻(xiàn)。步驟2假設(shè)有一條協(xié)聯(lián)曲線介于Hj-1與Hj之間,對水頭值再進(jìn)行一次插值,即得槳葉輸出值。該數(shù)字協(xié)聯(lián)易在微機(jī)中實(shí)現(xiàn),且省時(shí)、省空間。為照顧線性度,在曲線分割時(shí)盡量提高精度。當(dāng)開機(jī)、關(guān)機(jī)和事故停機(jī)時(shí),導(dǎo)葉與槳葉存在非協(xié)聯(lián)狀態(tài),根據(jù)廠方提供的導(dǎo)、槳葉的運(yùn)動曲線進(jìn)行擬合,采用二次多項(xiàng)式回歸模型可達(dá)到精度要求。2.2勵(lì)磁系統(tǒng)和勵(lì)磁機(jī)模塊(1)磁體的數(shù)學(xué)模型勵(lì)磁系統(tǒng)的性能優(yōu)劣除影響發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性外,還影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。勵(lì)磁機(jī)相應(yīng)的常微分方程見文獻(xiàn)。(2)導(dǎo)的map方程水輪發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型擬采用d、q坐標(biāo)系統(tǒng)推導(dǎo)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(shí),用標(biāo)幺值表示Park方程,見文獻(xiàn)。2.3引用系統(tǒng)模塊(1)管道計(jì)算位置依據(jù)水電站水錘計(jì)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(shí)刻t的未知量,CP、BP、BM、CM為時(shí)刻t-Δt的已知量;B、R為常數(shù);Hi、Qi、Qi-1、Hi-1為t-Δt時(shí)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(jì)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(jī)柜、PLC盤、勵(lì)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(yīng)設(shè)備進(jìn)行控制,在模型中通過各設(shè)備模塊的輸入端留有現(xiàn)地控制設(shè)備的輸入引腳實(shí)現(xiàn)。3pid調(diào)節(jié)及導(dǎo)葉和槳葉非協(xié)聯(lián)工況下的位置關(guān)系圖7為開機(jī)過程中由停機(jī)至空載過程時(shí)導(dǎo)葉和槳葉的運(yùn)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(dǎo)葉和槳葉非協(xié)聯(lián)工況下的位置關(guān)系。圖8為開機(jī)停機(jī)和甩負(fù)荷過程對應(yīng)的蝸殼進(jìn)口壓力變化曲線。與電廠實(shí)測圖比較,本文建立的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組的仿真結(jié)果真實(shí)反映了電廠實(shí)際運(yùn)行工況,并符合電廠各過渡過程的變化特點(diǎn),可作為實(shí)際機(jī)組的仿真機(jī)進(jìn)行運(yùn)行方式模擬和培訓(xùn)使用。4模型搭建方法a.結(jié)合雙調(diào)節(jié)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組,構(gòu)建了水輪機(jī)、調(diào)速器、發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)輔助系統(tǒng)及順控部分?jǐn)?shù)學(xué)模型,并研究了導(dǎo)葉和槳葉的協(xié)聯(lián)和非協(xié)聯(lián)工況,建立了與實(shí)際相符的雙調(diào)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。b.將傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型模塊化,采用新型的模型搭建法,在復(fù)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