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首页MATLAB仿真在水轮机调节系统研究中的应用
"基于MATLAB的水轮机调节系统研究及仿真" 水轮机调节系统是水电站的关键组成部分,它负责将水能有效地转化为电能,并在电力系统中扮演着调峰、调频的重要角色。随着电力市场对电能质量的需求不断提升,水轮机的调节性能愈发显得至关重要。本文深入探讨了水轮机调节系统的结构和运作流程,以混流式水轮机作为研究对象,对其静态和动态特性进行了详尽的研究。 在MATLAB/SIMULINK环境下,通过建立数学模型来模拟水轮机调节系统的各个部分,包括调速器模块、机械液压系统模块、水轮机及压力引水系统模块和发电机模块。这些模块依据各自的工作原理和传递函数相互连接,形成了一个完整的仿真模型,能够适应各种工况下的性能测试和技术要求。仿真模型中包含了模拟工况开关,以便于在不同的操作条件下进行随机测试。 文章特别关注了PID控制器在水轮机调节系统中的应用,通过空载频率扰动试验和负荷扰动试验来研究PID参数对系统动态性能的影响。通过对PID参数的调整,可以定量分析调节对象参数和调速器参数如何影响系统的动态响应特性。为寻找最优参数值,文章采用了改进的正交试验法,这种方法可以高效地比较多个因素在不同水平下的效果,确保了所选参数与现场实际运行情况的一致性。 最后,文章提出了一个水轮机调速优化维护结构功能体系,旨在提高系统的稳定性和效率。这个体系不仅考虑了硬件设备的优化,还涵盖了软件控制策略的改进,从而实现对水轮机调节系统的全面优化。通过这样的研究,不仅加深了对水轮机调节系统理论的理解,也为实际工程中的调试和维护提供了有力的工具和参考。 关键词:水轮机调节系统;PID控制器;MATLAB仿真;参数优化;系统稳定性
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基于 MATLAB 水轮机调节系统研究及仿真
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3)最大行程的永态差值系数(
s
b
)
s
b
是在水轮机调节系统规定的给定信号下,机械液压系统的接力器开关在全关
(
0y =
)位置和全开(
1.0y =
)位置的机组频率之间的相对偏差值之差。实践表明,对
于选择了合适接力器位移变送器的水轮机调速器器来说,其静态特性近似于一条直
线,在这种情况下,工程应用中常取
s
bp b=
。
2、被控制系统静态特性
水轮机被控制系统静态特性是指水轮发电机组的有功功率与调速器控制的导
叶开度(即机械液压系统接力器行程)和电站运行水头之间的静态特性。表达式为:
( , )p f y H=
(2-5)
式中:
p
—水轮发电机组的有功功率;
y
—调速器的导叶位移开度;
H
—水电
站机组运行水头。
3、水轮机调节系统动态特性
对动态特性进行分析研究需要建立相应的系统仿真模型。根据水轮机组在实际现
场运行工况,设定调节参数,通过在仿真平台上进行仿真,分析输出目标的动态响应
曲线。
(1)调节系统的稳定性。
稳定性是指系统受到人为的扰动或外界负荷突然发生变化,调节系统偏离最初的
平衡状态,当扰动停止或负荷基本稳定后,调 节 系统通过自己调节规律,经过一定时
间的调节,恢复原来的平衡状态或者达到一种新的平衡状态,这样的系统称为稳定的
系统。水轮机形式的多样性,相应地调速器选取系统控制参数也不一样,导致水轮机
调节系统动态过程有多种不同的形式。概括来说,共有四种基本类型。其中能恢复到
转速平衡状态的有两类,一是非周期衰减震荡过程,二是衰减震荡过程;致使系统不
稳定的有两类,一是等幅振荡过程,二是扩散振荡过程。调节系统出现不稳定调节后,
水轮发电机组转速会在较长的一段时间内不断波动,并且波动幅度会比较大,这超出
了电力系统允许频率偏差的范围,直接影响到调速器的工作性能,甚至使调速器无法
继续工作下去,对电力系统的供电质量造成不良的结果。
(2)调节系统动态特性的品质指标。
稳定状态只能说明系统调节的最终状态,调节的动态过程是不可得知的。所谓动
态过程是指系统从一种稳定工况切换到到另一种稳定工况的调节过程
[13]
。对 于 任何一
个调节系统来说,除了要求满足稳定性以外,还对动态过程其它响应品质(速动性等)
有一定要求,在水轮机调节系统中,动态品质用超调次数、超调量、调节时间等指标
来衡量,通过它们之间的数据大小来判断调节系统过渡过程品质的优劣。调节时间是
指系统从收到阶跃扰动信号开始到被调节参数(频率)恢复到新的稳定状态值已经通
过的时间
[14]
。在 水轮机调节系统中,当机组转速
n
与平衡状态时的机组转速
0
n
的之间
的差值小于某一规定值时,这个时刻即可以作为系统调节时间的终点。
第 2 章 水轮机调节系统特性分析
9
2.4 水轮机调节模式分析
水轮发电机组在不同的运行状态下,控制系统有频率调节、功率调节和开度调
节这三种重要的调节模式,微机调速器可以实现三种模式相互间的无扰动切换。除
此之外,微机调速器还有水位调节模式和流量调节模式等。在不同调节模式下,微
机调速器的稳定状态条件为:
1
2
( )
( )
0
P
I
D
Y C
Y C
Y
=
=
=
常数
常数
(2-6)
表 2.1 列出了三种调节模式的特点:
表 2.1 水轮机微机调速器的基本调节模式
Table2.1 Turbine microcomputer governor basic adjustment mode
调节
模式
调节
规律
参数
跟踪
积分
表达式
f
E
自动进入
条件
故障
退出条件
调节模式
符号
频率
调节
PID
P
C
←P
g
式(2-7)
0
机组
空载
——
FM
功率
调节
PI
Y
c
←Y
式(2-8) ≠0
并入
电网
功率传感器故障→YM
电网频率超差→YM
PM
开度
调节
PI
P
C
←P
g
式(2-7) ≠0 —— 电网频率超差→FM
YM
1、频率调节模式(FM):机组开机时自动进入频率调节模式,常用于机组空
载运行。它能够实时跟踪机组实际有功功率
Pg
值,可以在无干扰的情况下实现水
轮发电机组由频率调节模式转变到功率调节模式。在闭环调节模式中,将微机调速
器的输出信号
PID
y
设定为反馈量引入到频率输入端,形成了调速器的静态特性。静
态特性积分输入量表达式如(2-7):
1 1 1
2 2 2
3
= 50 ( )
= ( )
= ( )
p c c g
p c c
p c c g
I f b y y f f f
I f b y y f xf xf
I F b Y Y F F F
∆ ∆+ − ∆= −
∆ ∆+ − ∆= −
∆ ∆+ − ∆= −
(2-7)
2、开度调节模式(YM):常用于被控水轮机组并入电网后,机组带基本负荷
的运行状态,采用 PI 调节规律,实时跟踪机组发出的机械功率
Pg
,其静态特性输
入量表达式同频率调节模式一致。
3、功率调节模式(PM):常用于机组并网运行,机组的运行状态由水电站 AGC
控制。在闭环调节模式中,将机组输出的有功功率
Pg
反馈给控制器,可以形成调
速器的静态特性。静态特性积分输入量表达式为:
基于 MATLAB 水轮机调节系统研究及仿真
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1 1 1
2 2 2
3
= 50 ( )
= ( )
= ( )
p c g c g
p c g c
p c g c g
I f e p p f f f
I f e p p f xf xf
I F e P P F F F
∆ ∆+ − ∆= −
∆ ∆+ − ∆= −
∆ ∆+ − ∆= −
(2-8)
微机调速器常用的调节模式处理程序如图 2.4 所示:
模式自动?
按“回车”键
FM→PM→PM
PM?
PM?
第一次进入?
负载状态?
切换至PM
Cp>设定?
PM→YM
Cp=0
Cp>设定?
切换至FM
切换至PM
0
?
c g
P P P− >∆
1
p p
C C= +
g
f 超差
1
f f
C C= +
0
f
C =
Y
N
Y
Y
N
N
(PM)
(YM)
(FM)
N
Y
Y
N
N
Y
N
N
N
Y
Y
图 2.4 微机调节器调节模式处理程序框图
Fig.2.4 Computer regulator adjustment mode processing block diagram
在图 2.4 中,
c
P
—功率给定;
Pg
—机组功率;
0
P∆
—限定功率偏差;
fg
—机组频率;
p
C
——功率超差计数;
f
C
—为频率超差计数。
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