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        基于Matlab的DEH控制系統(tǒng)動態(tài)仿真與分析

        2015-07-04 22:16:12王超陳申乾姬海剛任建興
        今日財富 2015年36期

        王超 陳申乾 姬海剛 任建興

        摘要:針對火力發(fā)電廠汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)在Matlab/Simulink環(huán)境下進行動態(tài)建模與仿真,并根據(jù)不

        同的仿真模型對DEH的動態(tài)特性進行研究,即分別從控制方式和時間參數(shù)著手進行仿真模擬,從而對實際

        運行中的機組進行參數(shù)整定,減小現(xiàn)場的調(diào)試次數(shù)。

        關(guān)鍵詞:數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH);Matlab/Simulink;動態(tài)仿真

        隨著高參數(shù)、大容量、中間再熱機組的廣泛投運,需要進一步提高中間再熱機組的動態(tài)

        特性指標和抗干擾能力來滿足電網(wǎng)調(diào)頻的需要。與此同時,計算機仿真技術(shù)的快速發(fā)展,使得其對火電廠汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)進行性能仿真成為其研究的重要手段,通過該仿真技術(shù)對中間再熱機組及DEH 系統(tǒng)進行研究和各種控制方案的驗證,整定出最優(yōu)控制參數(shù), 從而大大減少現(xiàn)場調(diào)試的次數(shù)[1]。

        Simulink是MATLAB實現(xiàn)系統(tǒng)建模、動態(tài)仿真和綜合分析的一個集成環(huán)境,體現(xiàn)了組建模塊和系統(tǒng)仿真的基本思想[2]。本文通過采用Matlab/Simulink對DEH進行建模與仿真,討論串級,單級等不同控制方式和其時間參數(shù)對動態(tài)特性的影響,從而對汽輪機的動態(tài)特性做出進一步的研究。

        一、DEH動態(tài)建模

        圖1 基于Simulink的DEH仿真模型

        機組的仿真是在理想的情況下運行的。該系統(tǒng)采用復(fù)合串級PI調(diào)節(jié)方式。依據(jù)主副回路設(shè)計原則,把功率回路作為主回路,采用PI調(diào)節(jié)器,把壓力回路作為副回路,并對擾動作出快速的反應(yīng)。當系統(tǒng)受到擾動時, 調(diào)節(jié)級汽室壓力先變化,通過副回路使系統(tǒng)對擾動做出快速響應(yīng); 而發(fā)電機功率的變化同時受中間再熱容積和自身慣性的影響, 其響應(yīng)較慢。雖然通過主回路不能對系統(tǒng)受到的擾動作出快速響應(yīng), 但可以保證其功率輸出值嚴格等于給定值,提高調(diào)節(jié)的精度[3]。

        系統(tǒng)中為轉(zhuǎn)速給定值,為功率給定值,為負荷外擾,為蒸汽內(nèi)擾,為轉(zhuǎn)速輸出。系統(tǒng)的速度變動率為0.04,轉(zhuǎn)速給定值為1-5V,功率給定為1-5V。機組甩額定負荷時,則可以視為輸入一階躍外擾動,傳遞函數(shù)為。仿真模型各環(huán)節(jié)時間常數(shù)以及反饋放大系數(shù)的選定,根據(jù)主副回路的設(shè)計原則,采用自動調(diào)節(jié)逐步逼近法和反復(fù)試驗的手動調(diào)整方法,設(shè)定反饋回路的放大系數(shù)均為1,各個環(huán)節(jié)的時間常數(shù)如表1所示[4]。

        表1 DEH各環(huán)節(jié)時間常數(shù)

        項目 電液轉(zhuǎn)換閥 油動機 高壓缸調(diào)節(jié)容積 中間再熱環(huán)節(jié) 機組轉(zhuǎn)子

        時間常數(shù) 0.06 0.15 0.3 8.0 6.0

        其對應(yīng)函數(shù)為[5]:

        電液轉(zhuǎn)換閥:

        油動機:

        高壓缸調(diào)節(jié)容積:

        中間再熱環(huán)節(jié):

        機組轉(zhuǎn)子:

        二、不同控制方式對動態(tài)特性的影響

        系統(tǒng)由內(nèi)回路、中間回路、外回路串級組成,其中內(nèi)回路為調(diào)節(jié)級壓力回路,中間回路為功率回路,外回路為轉(zhuǎn)速一次調(diào)頻回路。調(diào)節(jié)級壓力與功率回路和一次調(diào)頻回路一起共同組成功率一頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)。汽輪機組并網(wǎng)前,只存在轉(zhuǎn)速控制,且轉(zhuǎn)速控制器為PI控制器。該PI控制器接收汽輪機的目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差信號,經(jīng)運算處理為調(diào)節(jié)閥門的開度信號,此信號經(jīng)過電/液轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換及放大后,使油動機動作來控制調(diào)節(jié)閥門的開度,從而通過汽輪機的進汽量來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制[6]。

        表2 DEH 的PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)

        串級PI 單級PI1 單級PI2

        三種不同的仿真圖形如下圖2所示:

        圖2 理想情況下三種不同控制方式的仿真圖形

        從圖中可以看出串級PI調(diào)節(jié)圖形相對平滑,因此具有較好的動態(tài)品質(zhì)。串級PI1轉(zhuǎn)速飛升最好,缺乏控制系統(tǒng)的快速性。串級PI2控制系統(tǒng)曲線波動大,動態(tài)特性也很差,原因在于它的反饋信號是第一級的壓力信號,比轉(zhuǎn)速變化快,因而容易出現(xiàn)過調(diào)現(xiàn)象。而串級PI內(nèi)回路促進了調(diào)節(jié)過程的快速性,外回路則保證了輸出值嚴格等于給定值。PI調(diào)節(jié)中的比例環(huán)節(jié)對調(diào)節(jié)偏差信號迅速放大;積分環(huán)節(jié)保證消除系統(tǒng)的靜差,是一種無差控制系統(tǒng)[7]。

        三、各環(huán)節(jié)時間參數(shù)的變化對動態(tài)品質(zhì)的影響

        采用同樣的仿真方法,分別改變以下各環(huán)節(jié)的時間參數(shù),來討論其對動態(tài)品質(zhì)的影響。

        (一)、油動機時間常數(shù)變化

        當油動機時間數(shù)分別控制在、、時,仿真后可以看出,油動機時間常數(shù)越大,轉(zhuǎn)速過渡過程震蕩越大,過渡時間越長,動態(tài)品質(zhì)越差。

        (二)、中間再熱環(huán)節(jié)時間常數(shù)

        當中間再熱環(huán)節(jié)時間常數(shù)分別控制在、、時,仿真后可以看出,中間再熱環(huán)節(jié)時間常數(shù)越大,過渡的時間就越長,控制品質(zhì)就越差。

        (三)、高壓缸調(diào)節(jié)汽室容積時間常數(shù)

        當高壓缸調(diào)節(jié)汽室容積時間常數(shù)分別控制在、、時,仿真后可以看出,時間常數(shù)越大,控制過程的動態(tài)偏差越大,系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)越差。

        (四)、轉(zhuǎn)子飛升時間常數(shù)

        當不同轉(zhuǎn)子飛升時間常數(shù)分別控制在、、時,仿真后可以看出,轉(zhuǎn)子的飛升時間越小,轉(zhuǎn)子的最大飛升轉(zhuǎn)速越高,而且過渡過程的振蕩將加劇。

        (五)、不同速度變動率

        當速度變動率分別控制在、、時,,仿真后可以看出,隨著轉(zhuǎn)速不等率的增大,控制速度變快,但是動態(tài)偏差也越大,當機組參數(shù)變化太大時,對縮短機組的壽命。因此,速度變動率應(yīng)在合理的范圍內(nèi)。

        四、結(jié)語

        本文提出了一種利用Matlab/Simulink軟件實現(xiàn)對汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真,分析了不同控制方式和時間參數(shù)對其動態(tài)特性的影響。其中串級PI控制調(diào)節(jié)方式具有很好的動態(tài)品質(zhì),PI調(diào)節(jié)過程中的比例與積分環(huán)節(jié)的聯(lián)合作用實現(xiàn)了對其無差控制。而對時間參數(shù)的控制中,油動機時間常數(shù)Tc,中間再熱時間常數(shù)TR,調(diào)節(jié)氣室容積時間常數(shù)Tp越小,動態(tài)品質(zhì)越好,然而轉(zhuǎn)子飛升時間常數(shù)Ta越小,震蕩過程加劇,動態(tài)品質(zhì)變差,同時速度變動率應(yīng)該控制在合理的范圍內(nèi),這樣才能保證良好的動態(tài)特性。這種通過內(nèi)外回路參數(shù)的整定與仿真,可以選出最優(yōu)控制參數(shù),從而大大減少現(xiàn)場調(diào)試次數(shù),對具有中間再熱機組及DEH的仿真研究具有重要意義。

        參考文獻

        [1]郝勇生,張學(xué)超,胥建群.數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)負荷控制功能的仿真研究[J].汽輪機技術(shù).2006,48(6):426-427

        [2]張志涌,楊志櫻.MATLAB教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011:257-258

        [3]張學(xué)超, 姚群.DEH系統(tǒng)負荷控制功能仿真研究[J].熱力透平.2009,38(3):197-198

        [4]王慧星;小網(wǎng)工況汽輪機數(shù)字電液伺服控制的研究[D];上海交通大學(xué);2011

        [5]王素鳳.汽輪機電液位置伺服系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[J].機床與液壓.2010,38(9):106-107

        [6]時獻江,王渝,邵俊鵬.工業(yè)汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型及仿真[J].汽輪機技術(shù).2005,47(2):99-100

        [7]阮大偉.大型火電機組汽輪機數(shù)字式電液控制系統(tǒng)[J].熱力發(fā)電,2001(5):52-54

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