基于sc2000的双调节转桨式机组模块化建模

基于sc2000的双调节转桨式机组模块化建模

建模功能是将整个模型段划分为独立的功能模块，信息传输简单流畅，适用性强。对混流式水轮机组的建模已进行了长时间的研究,文献均做了较详细说明,但对有着双调节调速器的轴流转桨式水轮机的建模及导叶和轮叶的协联与非协联状态下的数学模型的研究较少。鉴此,本文基于建模原则,剖分了水轮发电机系统,分解为水轮发电机组、调速器、励磁系统等基本独立的模块,每部分均构建了数学模型,分析了双调节调速器的模型,建立了协联数学模型,并将各部分模型打包成模块,将其图形化处理,以搭积木法简单直观搭建模型。1sct3000模拟平台1.1sct3000系统模型构建基于SCT3000仿真平台建立模型,可方便地自定义一个新模块,并可为该模块设计一个形象化的图元,见图1,监控系统与实际电站完全一致。图2为SCT3000系统模型后台搭建平台,为用户提供了直观图形化的模型构建工具,仅需从算法库中拖出算法到建模区,即可生成模块,用连接线将各模块的输入输出相连,即构建成新的模型,连接线可任意加减节点,从而美化模型布局。各模块的输入输出量初始值及模块运行速率、运行冻结等修改非常方便,还可对各模块的输入输出量的描述重新定义。该系统体现了图形化构建模型的快速性、方便性和直观性。1.2生成模块的算法对不同电站的不同机组,由于同类设备原理相同,将设备的构件作为建模的基本单位,即可建立同类设备的算法。同类设备亦有不同之处,为使算法具有通用性,可在每个算法中设计一组修改系数。对类型相同但结构尺寸或型号等又不同的设备,设定不同的系数以实现仿真。建模时,仅要选择相应的算法,并设定适当的系数,即可方便搭接仿真模型。算法采用FORTRAN语言编写,根据制作模块的功能设置输入、输出量和系数。算法包括:①算法名。给算法自定义名且归类,区别不同类型的算法模块。②算法输入管脚。以其他模块借口,从其他模块的输出端引入该模块计算所需的参数为动态变化,且可手动修改。③算法输出管脚。将模块计算的量传给其他模块,可直接以连接线方式传递,亦可以变量名的方式传递。④算法属性。包括算法的描述、输入输出管脚的描述和变量名设置及输入输出管脚的修改。2因素模块的组成基于实际双调节水轮机组的控制和运行过程做出图3的关系图,并剖分系统形成若干个大模块。每个大模块又由若干小设备或部件组成,将不同的组成单元作为子模块处理。根据需要可继续在子模块中剖分更细的模块,如此一层套一层搭建最外层的模块。2.1调速器模块该模块的功能是在开关机及调负荷等大波动过渡过程中对导叶和桨叶的变化规律进行计算并输出,在功率调节或小扰动等工况下进行PID调节计算。(1)导叶和桨叶的变化规律在水力机组增荷、减荷或开停机、甩负荷等过程,导叶和桨叶均依一定的规律变化。启闭规律通过现场的导叶开关规律和协联关系进行线性优化,并通过调速器PID调节进而控制导叶的启闭过程。(2)pid调节模块数学模型控制机组及频率稳定在电网频率附近的允许范围内。由于供电量与用电量间的平衡被破坏,机组频率偏离了额定值,因此调速系统的自身负荷/频率静态、动态特性及输入机组目标功率值对导叶和桨叶进行调节,是建立PID调节模块数学模型的基础。通过图4结构关系建模,调速器模块有频率和机组目标功率2个信号输入端,虚线框内为水轮机调速器的内部构造及相互间联系。fc、f分别为频率给定、电网频率;Pc、PT分别为机组目标功率、机组实际功率;ΔPf为与频率偏差对应的机组功率调整增量;ΔPc为与目标功率对应的频率增量。调速器采用PID调节方式,考虑其中关键的非线性环节,其相应的状态方程采用文献中的微分方程组。(3)桨叶输出值的修正对桨叶运动的实时控制,主要通过数字协联模块进行。根据现场提供的协联曲线(图5)作三重一次插值运算,其步骤如下。步骤1首先分别以H=Hj-1、H=Hj协联曲线为准,作二重内插计算,可求得A、B两点的桨叶值结果,见文献。步骤2假设有一条协联曲线介于Hj-1与Hj之间,对水头值再进行一次插值,即得桨叶输出值。该数字协联易在微机中实现,且省时、省空间。为照顾线性度,在曲线分割时尽量提高精度。当开机、关机和事故停机时,导叶与桨叶存在非协联状态,根据厂方提供的导、桨叶的运动曲线进行拟合,采用二次多项式回归模型可达到精度要求。2.2励磁系统和励磁机模块(1)磁体的数学模型励磁系统的性能优劣除影响发电机组的运行特性外,还影响整个系统的运行性能。励磁机相应的常微分方程见文献。(2)导的map方程水轮发电机的数学模型拟采用d、q坐标系统推导的Park方程作为基本方程,在特定条件下,可由完整的动态模型得到简化模型。考虑阻尼绕组作用时,用标幺值表示Park方程,见文献。2.3引用系统模块(1)管道计算位置依据水电站水锤计算的基本方程可建立特征线方程: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为时刻t的未知量,CP、BP、BM、CM为时刻t-Δt的已知量;B、R为常数;Hi、Qi、Qi-1、Hi-1为t-Δt时的已知量;Δx为管道分段的长度,满足库朗条件ΔT=Δx/a;I、i+1、i-1为计算断面的位置;D、A、a、f分别为管道直径、管道面积、水锤波速和摩阻系数。(2)水系统的模拟程序流程水力系统部分仿真程序流程见图6。2.4障及控制部分、调节部分和显示部分除上述组成水电站本体模型的最基本模块外,还有顺序控制、辅助系统、事故与故障及控制部分、调节部分和显示屏的模块,如现地调速器机柜、PLC盘、励磁调节器、水泵和电磁阀的现地控制柜等。这些模块可不通过顺控部分直接对相应设备进行控制,在模型中通过各设备模块的输入端留有现地控制设备的输入引脚实现。3pid调节及导叶和桨叶非协联工况下的位置关系图7为开机过程中由停机至空载过程时导叶和桨叶的运动过程曲线图,其中包括开度调节和调速器的PID调节及导叶和桨叶非协联工况下的位置关系。图8为开机停机和甩负荷过程对应的蜗壳进口压力变化曲线。与电厂实测图比较,本文建立的轴流转桨式水轮机组的仿真结果真实反映了电厂实际运行工况,并符合电厂各过渡过程的变化特点,可作为实际机组的仿真机进行运行方式模拟和培训使用。4模型搭建方法a.结合双调节轴流转桨式水轮机组,构建了水轮机、调速器、发电机、励磁系统辅助系统及顺控部分数学模型,并研究了导叶和桨叶的协联和非协联工况,建立了与实际相符的双调系统的数学模型。b.将传统的数学模型模块化,采用新型的模型搭建法,在复杂的对象与系统中将系统逐级分解为子系统,再通过不同模块间