水轮机调节系统的MATLAB仿真模型

1、第33卷第4期2009年8月20日Vol.33No.4Aug.20,2009水轮机调节系统的MATLAB仿真模型魏守平(华中科技大学水电与数字化工程学院,湖北省武汉市430074)摘要:介绍了水轮机调节系统建模及其分析方法建立的,能实现水轮机调节系统空载运行、甩100%等动态过程的仿真。,也有助于了解被控制系统参数(调节对象)(。关键词:TL:0引言在科学研究和工程应用的建模中,美国MathWorks公司推出的MATLAB软件,因为其高效、直观的编程语言,同时又是以众多的数学和工程函数为基础的集数据分析、数据可视化、应用程序界面、图形处理等功能为一体的科学计算平台,成为科学研究和工程建模过程中

2、的首选工具1。MATLAB(MATrix(矩阵)LABoratory(实验室)以现代计算机软硬件技术为基础,建立了包括交互式图形用户界面的表述、分析和计算方法,是当代内容丰富、功能强大、使用方便、界面直观的国际公认的标准计算软件。对水轮机调节系统建立包括非线性环节在内的数学模型进行仿真,可以经济、方便、直观、迅速地研究其静态和动态特性,许多在现场无法进行或不宜多次重复进行的试验,都可以利用模型对其仿真2。值得着重指出的是:水轮机调节系统327是一个复杂非线性、非最小相位系统,但在建立数学模型的过程中,不可避免地要忽略一些次要因素,对模型进行简化,要想用模型仿真准确地反映水轮机调节系统的实际过程

3、并得到定量的结论,是十分困难的,只能从定性的、比较的意义上对其进行仿真,为实际工作提供定性分析及决策支持;对于一些新的控制规律,也可以开展仿真工作,但是应充分认识其局限性,不要根据其结果就轻易下结论,一定要采取理论与实际相结合的科研方法,在工程实际中加以验证。作者研究开发的基于MATLAB的STXTFZ21水轮机调节系统仿真软件,可以进行水轮机调节系统的空载特性仿真、甩100%负荷特性仿真、接力器收稿日期:2009206209。不动时间特性仿真、一次调频特性仿真和孤立电网运行特性仿真等。1水轮机控制系统(调速器)的PID调节模块8微机调节器PID调节模块的传递函数为:=KP+yinT1Vs+1

4、syin=f+ep(pc-p)yin=f+bp(yc-y)f=fc-ff=f-eff+ef或采用另外一种表达形式:yin(1)|f|<effeff-efs=+btTnbtTdsT1Vs+1(2)yin=f+ep(pc-p)yin=f+bp(yc-y)f=fc-f0f=f-eff+ef|f|<effeff-ef式中:bt为暂态转差系数,取01.0;Td为缓冲时间常数,整定范围为2s20s;Tn为加速度时间常数,整定范围为02s;KP为比例增益,整定范围为0.520;KI为积分增益,整定范围为0.05s-110s-1;KD为微分增益,整定范围为05s;pc和p分别为机组功率给定和机组功

5、率(用于功率调节模式);yc和y分别为导叶开度给定和导叶开度(用于72009,33(4)频率调节模式和开度调节模式);fc和f分别为频率给定和机组(或电网)频率;f为频差;f为经过频率死区ef后的频率偏差。为了便于阅读,将水轮机调速器的比例增益KP、积分增益KI、微分增益KD和暂态差值系数bt、缓冲时间常数Td、加速度时间常数Tn这2套调节参数之间的转换关系列写如下:KP=btTdbtKI=KD=TdTn因此,可以得到调速器机械液压系统模块的仿真模型,如图1所示。MATLAB模型1btTdt,也可以表示为图2所示的模型。KP=btKIKI=KDbtKP(4)图2调速器机械液压系统模块的MATL

6、AB模型22调速器机械液压系统模块在水轮机调速器中,机械液压系统的主要部件是主配压阀和接力器,接力器及控制它的主配压阀是一个积分环节。在机械液压系统中还要考虑接力器关闭时间,用ts表示接力器关闭时间,用tsk表示接力器开启时间。ts是接力器从100%开度关闭至0%开度的最短时间,tsk是接力器从0%开度开启至100%开度的最短时间,它们限制接力器的关闭(开启)速度,根据调节保证计算,一般ts=3s15s;此外,接力器还具有饱和特性。在大波动工况下,有的机组采用接力器2段关闭规律,这时的调速器机械液压系统模块的MATLAB模型如图3所示。图3中导叶开关机环节的2段关机模型如图4所示。图3调速器机

7、械液压系统模块的MATLAB模型3图4调速器接力器2段关闭规律模型8发电控制技术及设备魏守平水轮机调节系统的MATLAB仿真模型一般分析中可忽略主配压阀小的惯性,则图1图3的主配压阀和接力器线性部分传递函数为:(5)=yPIDTys+1式中:Ty为接力器响应时间常数,一般Ty为0.05s0.25s。3引水系统和水轮机模块对于引水系统不太复杂的情况,一般采用刚性水锤的表达式来描述其动态特性:(=yPID1+05式中:Tw,Tws4s;y为接力器导叶开度。水流惯性时间常数Tw是在额定工况下表征过水管道中水流惯性的特征时间,表达式为:Tw=gH6水头因子和水流不稳定模块模型S=gH式中:f为机组频率

8、;p为机组输入功率差值;Ta为机组(负荷)惯性时间常数(动态频率特性时间常数),一般Ta为3s12s;en为机组(负荷)静态频率自调节(特性)系数,随负载性质不同而不同,一般取en为0.52.0。组惯性时间常数Ta的表达式如下:Ta=JMr=3580Pr22(7)式中:Qr为过水管道额定流量;S为每段过水管道截面积;L为相应每段过水管道长度;V为相应每段过水管道内的流速;g为重力加速度;H为水头。水流惯性时间常数Tw的物理概念是:在额定水头Hr作用下,接力器在额定开度,过水管道内的流量Q由0加大至额定流量Qr所需要的时间。图5绘出了引水系统和水轮机模块的仿真模型,其中既有理想水轮机模型,也有包

9、含水轮机特性系数的模型。(9)式中:Jr为额定转速时机组的惯性矩;Mr为机组额定转矩;GD2为机组飞轮力矩,单位为kNm2;nr为机组额定转速;Pr为机组额定功率。当GD2,Pr和nr的单位分别采用tm2、KW和r/min时,其表达式为:Ta=JMr=365Pr22(10)机组惯性时间常数Ta的物理概念是:在额定力矩Mr作用下,机组转速n由0上升至额定转速nr所需要的时间。5水轮机调节系统的仿真模型图7给出了用MATLABSimulink建立的水轮机调节系统仿真模型(以KP,KI,KD给参数),它可以仿真水轮机调节系统一次和二次调频的静态和动态特性。以bt,Td,Tn的形式给参数的水轮机调节系

10、统仿真模型如图8所示。图中,K1K7为仿真工况切换开关。K1是频率给定阶跃信号投入/切除开关,K2是机组(电网)频率信号投入/切除(闭环/开环)开关,K3是负荷扰动阶跃信号投入/切除开关,K4是功率给定信号投入/切除开关,K5是功率给定前向通道(前馈)信号投入/切除开关,K6是功率/导叶开度反馈信号选择开关,K7是调节器导叶开度/接力器实际开度反馈信号选择开关。这些开关的不同位置及其组合,可以构成水轮机调节系统不同工况的仿真模型。9图5引水系统和水轮机模块模型在引水系统和水轮机模块建模中,还应引入水头因子和水流不稳定作用,如图6所示。4发电机及负荷模块发电机及负荷模块动态特性为:=pTas+e

11、n(8)2009,33(4)图7水电机组仿真系统结构(KP,KI,KD)图8水电机组仿真系统结构图(bt,Td,Tn)更为复杂的机械液压系统、协联环节、引水系统和水轮机模型的水轮机调节系统甩负荷仿真模型见附录A。Ty=0.1,Tw=2.1,Ta=8.43,en=1.0;Frate1=-1/10.5,Frate2=-1/10.5,Infrate=0.34;Eqy=1.0,Eqh=0.5,Eh=1.5,Hcoef=1.0;FSTime=0,FSrec=0.004;LoseT=11,LoseP=-0.90,BaseY=0.9,BaseF=6M2File程序仿真波形实例在水轮机调节系统仿真中,采用Si

12、mulink中的M2File文件执行仿真程序,下面列写了一个简单的M2File例子。在水轮机调节系统仿真中,一般3个(组)参数的仿真同时进行,并将3个仿真曲线利用M2File文件合并在一张图上,以便于分析和比较。lear;loadKR_YT4_Up.mat;bp=0.05,kp=10,ki=1.6,kd=0;48;);open(yctp.mdl);sim(yctpSData2=SData;bp=0.05,kp=5,ki=1.6,kd=0;);sim(yctpSData1=SData;bp=0.05,kp=15,ki=1.66,kd=0;10发电控制技术及设备魏守平水轮机调节系统的MATLAB仿

13、真模型);sim(yctpSData3=SData;clfreset,hSFrq=axes(Position,0.15,0.15,0.7,0.75);set(hSFrq,Xcolor,k,Ycolor,b,Xlim,0,);text(0,0.071,fonTfize14稳定值=0.0668);text(186,-0.045,fonTfize14t(s)200,Ylim,-0.05,0.1);pxtick=0:20:200;pytick=-0.05:0.01:0.1;set(hSFrq,Xtick,pxtick,Ytick,pytick,Xgrid,);on,Ygrid,online(SData

14、1.time,SData1.signals(1,1).values,);Color,ktext(20,0.02,fonTfize141.kp=5=6(1/);(bt=0.2,Td=3.126s);text(5,0.028,fonline(SData2.(1,1).values,);Color,btext(20,0.005,fonTfize142.kp=10,ki=1.6(1/);s)(bt=0.1,Td=6.25s);text(5,0.035,fonTfize142line(SData3.time,SData3.signals(1,1).values,);Color,rtext(20,-0.0

15、1,fonTfize143.kp=15,ki=1.6(1/);s)(bt=0.066,Td=9.47s);text(5,0.04,fonTfize143CoodX=0:0.5:200,CoodY=0.0668;line(CoodX,CoodY,Color,r,linestyle,-.,linewidth,6);text(40,-0.025,fonTfize14(频率给定阶跃);0.2Hz);text(0,0.095,fonTfize14p采用水轮机调节系统仿真软件STXTFZ21对水轮机调节系统空载扰动动态过程的仿真波形见附录B,图B1中绘出了机组频率f和接力器行程y的动态波形,。采用水轮2仿

16、真时,仿真软件面上。(http:/www.aeps2info.hadm/ch/index.aspx)。参考文献1张志涌.精通MATLAB6.5版.北京:北京航空航天大2345678学出版社,2003.魏守平,伍永刚,林静怀.水轮机调速器与电网负荷频率控制:(一)水轮机控制系统的建模及仿真.水电自动化与大坝监测,2005,29(6):18222.GB/T9652.12007水轮机控制系统技术条件.北京:中国标准出版社,2007.魏守平.水轮机调节.武汉:华中科技大学出版社,2009.魏守平.水轮机控制工程.武汉:华中科技大学出版社,2005.魏守平.现代水轮机调节技术.华中科技大学出版社,200

17、2.沈祖诒.水轮机调节.北京:水利电力出版社,1988.魏守平,卢本捷.水轮机调速器的PID调节规律.水力发电学报,2003(4):1122118.),男,通信作者,教授,博士生导师,主要魏守平(1939研究方向:水轮机微机调速器和水电厂计算机控制设备的研究与开发。E2mail:spweiMATLAB2basedSimulationModelofHydraulicTurbineRegulatingSystemsWEIShouping(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)Abstract:Modelinganditsanalysisforhydraulicturbineregulatingsystemareintroduced.Thesimulationmodels,whicharebasedonMATLABSimulink,canimplementdynamiccharacteristicssimulationofno2loadoperation,100%ratedloadrejection,servomotordeadtime,isolatedgridoperationandprimaryfrequencyregulation.Thesimulationresultshelptounderst