水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分析與建模

1、水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分析與建模袁方 2012202080056武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院1水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)各個(gè)模塊組成水輪機(jī)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(dòng)系統(tǒng)、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)組成。如圖1所示。壓力引水系統(tǒng)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)斷路器電網(wǎng)壓力油系統(tǒng)液壓隨動(dòng)系統(tǒng)機(jī) 組 頻 率給定調(diào)速器有功圖1水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)它是一個(gè)集水、機(jī)、電為一體的綜合控制系統(tǒng)。1）調(diào)速器電氣部分：主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制規(guī)律和控制算法，針對(duì)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(dòng)系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)

2、電氣信號(hào)向機(jī)械液壓信號(hào)的轉(zhuǎn)變和放大。主要包括電氣一 液壓信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置、液壓放大、（導(dǎo)葉操作）機(jī)械手臂和位置反饋等，如圖2所示。3）水輪機(jī)：將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。4）發(fā)電機(jī)：將機(jī)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(dòng)系統(tǒng)分析與建模機(jī)械液壓系統(tǒng)的作用是把電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換并放大成具有一定操作力的機(jī)械位移信號(hào)， 具有功率放大系數(shù)大、負(fù)載力大等特點(diǎn)。它主要由電氣-液壓信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置、液壓放大、 （導(dǎo)葉操作）機(jī)械手臂和位置反饋等部分組成。圖2液壓隨動(dòng)系統(tǒng)原理框圖電液伺服閥是將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有一定操作能力的機(jī)械液壓信號(hào)，它是液壓隨動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。電液伺服閥是一個(gè)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(shí)間常數(shù)，一般情況下很小，可以忽略不計(jì)，故可以看成一個(gè)比例環(huán)節(jié)。主配壓閥直接控制導(dǎo)葉接力器，是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，包含一個(gè)死區(qū)環(huán)節(jié)。主接力器作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它將調(diào)速器輸出的控制信號(hào)直接作用在水輪機(jī)的導(dǎo)葉上， 控制導(dǎo)葉的開與關(guān)，是一個(gè)積分環(huán)節(jié)。2.1電液伺服閥電液伺服閥將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為閥芯的位移信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為有一定壓力的流量信 號(hào)。在建模時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?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(hào)，輸出為有一定壓力的流量信號(hào)。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(hào)轉(zhuǎn)換為過流孔的流量信號(hào)，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(hào)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(hào)。輸出為有一定壓力的流量信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械手臂的位移信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)葉的開關(guān)。主要 包含積分環(huán)節(jié)、飽和、間隙等環(huán)節(jié)。輸入信號(hào)簡化為主配壓閥輸出的壓力油。輸出為機(jī) 械手臂的位移信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)葉的開關(guān)。主接力器建模如圖：圖5主接力器模型2.4液壓隨動(dòng)系

5、統(tǒng)綜上所述，液壓隨動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)模型3水輪機(jī)組段分析與建模水輪機(jī)和有壓過水系統(tǒng)合起來定義為水輪機(jī)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(jī)過水管道、蝸殼、尾水管道等。在水 輪機(jī)調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)導(dǎo)葉開度發(fā)生變化時(shí)，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(jìn)一步變化，因此引水系統(tǒng)對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)特性的影響是 不容忽視的。在小波動(dòng)范圍內(nèi)，水體及管道基本上可以認(rèn)為是剛性的。可以用剛性水擊理論來描述壓力引水系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)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(jī)系統(tǒng)水輪機(jī)具有較復(fù)雜的非線性、時(shí)變性特征，常用水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩M、流量Q、水頭H、機(jī)組轉(zhuǎn)速n，輸出頻率(轉(zhuǎn)速)x及導(dǎo)葉開度丫(近似用接力器位移表示)等表示其動(dòng)態(tài) 特性。水輪機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩偏差相對(duì)值對(duì)水頭偏差相對(duì)值的傳遞系數(shù)； ex水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩偏差相對(duì)值對(duì)轉(zhuǎn)速偏差相對(duì)值的傳遞系數(shù)； ey水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩偏差相對(duì)值對(duì)接力器行程偏差相對(duì)值的傳遞系

7、數(shù)； eqh流量偏差相對(duì)值對(duì)水頭偏差相對(duì)值的傳遞系數(shù)； eqx流量偏差相對(duì)值對(duì)轉(zhuǎn)速偏差相對(duì)值的傳遞系數(shù)； eqy流量偏差相對(duì)值對(duì)接力器行程偏差相對(duì)值的傳遞系數(shù)。水輪機(jī)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(jī)系統(tǒng)模型理想水輪機(jī)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(jī)及其負(fù) 載的eg歸到發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型中。Gs(s) /術(shù))恥1 ' eqhTws將理想水輪機(jī)的傳遞函數(shù)的值代入式（4），則得水輪機(jī)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(jī)模塊，其傳遞函數(shù)為：則理想水輪機(jī)組段建模如圖9：'1 -in1Transfer Fcn2理想水輪機(jī)組段模型4發(fā)電機(jī)系統(tǒng)分析與建模水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在小瞬變工況下，機(jī)組運(yùn)動(dòng)方程式為:dxTaex 二 m t-m g dt式中：ex為水輪機(jī)力矩對(duì)轉(zhuǎn)速的偏導(dǎo)數(shù)，又稱水輪機(jī)自調(diào)節(jié)系數(shù)；eg為發(fā)電機(jī)（負(fù)荷）力矩對(duì)轉(zhuǎn)速的偏導(dǎo)數(shù)，又稱發(fā)電機(jī)（負(fù)荷）自調(diào)節(jié)系數(shù)；en稱水輪發(fā)電機(jī)綜合自調(diào)節(jié)系數(shù)；Ta為機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)。其中 mg是負(fù)荷組成或負(fù)荷大小的變化，這里主要是 討論水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)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(jī)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(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一種擾 動(dòng)，稱為負(fù)荷擾動(dòng)，并寫為mg0。根據(jù)上式，可寫出水輪機(jī)力矩至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)：Gf(s)=x(s)mjs) -mgo(s)TaSen(8)0000機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)及負(fù)荷模型如圖10:圖10發(fā)電機(jī)及負(fù)荷模型mg000005 PID控制器PID控制是實(shí)現(xiàn)機(jī)組控制規(guī)律的主要部分。本文所建水輪機(jī)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(jī)開機(jī)過程及空載擾動(dòng)模型水輪機(jī)開機(jī)及空載擾動(dòng)過程，是目前研究較多的兩個(gè)過程。針對(duì)這兩個(gè)過程所建水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型如圖12:圖12水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型6.1開機(jī)過程分析現(xiàn)在普遍采用的開機(jī)規(guī)律是當(dāng)調(diào)速器接到開機(jī)令信號(hào)后，以最大的開啟速度將導(dǎo)葉開到空載限制開度，并保持這一開度一直不變。這時(shí)機(jī)組的頻率將迅速上升至某一設(shè)定 值時(shí)，再將導(dǎo)葉接力器關(guān)回到空載開度附近，然后轉(zhuǎn)入PID調(diào)節(jié)控制，直至機(jī)組頻率升至額定頻率并穩(wěn)定下來。在Simulink中對(duì)模型進(jìn)行非實(shí)時(shí)仿真，則其開機(jī)過程仿真曲線如圖13：