金玉成，孟凡東，靳麗娟（.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱50040；.哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱50040）

基于MATLAB的發(fā)電機(jī)調(diào)速器隨動(dòng)系統(tǒng)仿真

金玉成1，孟凡東1，靳麗娟2
（1.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150040；2.哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱150040）

應(yīng)用M ATLAB軟件對(duì)水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速器隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，通過對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)試和合理整定，輸出結(jié)果能快速響應(yīng)給定值，又不會(huì)發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，能夠保證隨動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到良好的控制效果。

調(diào)速器；隨動(dòng)系統(tǒng)；仿真

我國(guó)電力部門規(guī)定，大電網(wǎng)允許的頻率偏差為0.2Hz。水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速器通過控制主接力器的位置來保證機(jī)組頻率的輸出穩(wěn)定，其控制系統(tǒng)是用來檢測(cè)被控參量（轉(zhuǎn)速、功率、水位、流量等）與給定參量的偏差，并將它們按一定特性轉(zhuǎn)換成主接力器行程偏差的一些設(shè)備所組成的系統(tǒng)［1］。在機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，各液壓組件的計(jì)算選型是一項(xiàng)較復(fù)雜和煩瑣的工作，在采用MATLAB仿真軟件后，只需建立一個(gè)符合實(shí)際的模型，通過數(shù)次仿真，檢測(cè)隨動(dòng)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)、增益、滯環(huán)等對(duì)系統(tǒng)的影響，并優(yōu)選出一組最佳的參數(shù)［2］。

1　建立模型

根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速器控制策略建立調(diào)速器控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，見圖1。

圖1　調(diào)速器控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型Fig.1 Speed ControlSystem Mathem aticalModel

為簡(jiǎn)單起見，假設(shè)導(dǎo)葉接力器給定位置為正向最大位移，即，Y/Ymax=1。

a.比例閥始終保持開/關(guān)方向最大流量不變時(shí)，主配壓閥閥芯均在T1時(shí)間達(dá)到開/關(guān)方向最大位移（實(shí)際上由于對(duì)開關(guān)機(jī)時(shí)間的調(diào)整，主配壓閥開放向和關(guān)方向最大位移不一定相等，其對(duì)應(yīng)達(dá)到最大位移的時(shí)間也不一定相等）。b.主配壓閥閥芯的位移正比與其向?qū)~接力器腔注入的壓力油的流量。c.主配壓閥始終保持開/關(guān)方向最大流量不變時(shí)，導(dǎo)葉接力器均在T2時(shí)間達(dá)到開/關(guān)方向最大位移。d.為了簡(jiǎn)化分析，所有量均取為相對(duì)值。

圖2　建立仿真模型Fig.2 Sim ulation Mode l

比例閥傳遞函數(shù)為：

輸入：作用于比例閥的電壓；

輸出：比例閥注入主配壓閥的壓力油流量，限幅于［-1，1］，即電壓近似正比于流量，零電壓對(duì)應(yīng)零流量，作用于比例閥的最大正/負(fù)向電壓對(duì)應(yīng)比例閥注入主配壓閥的開/關(guān)方向最大流量。

輸入：比例閥注入主配壓閥的壓力油流量；

輸出：主配壓閥閥芯相對(duì)于平衡位置的變化或主配壓閥注入導(dǎo)葉接力器開/關(guān)方向壓力油流量，限幅于［-1，1］。

輸入：主配壓閥閥芯相對(duì)于平衡位置的變化或主配壓閥注入導(dǎo)葉接力器開/關(guān)方向壓力油流量；輸出：導(dǎo)葉接力器實(shí)際位置變化［0，1］。

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，如果不考慮非線性環(huán)節(jié)的限幅作用，可得傳遞函數(shù)：

2　系統(tǒng)仿真

假設(shè)阻尼比分別取0.8和1.1，為了達(dá)到書中要求近似曲線可取ωn為0.4，Y/Ymax為導(dǎo)葉接力器位置相對(duì)值，導(dǎo)葉的初始開度為0，給定位置為最大位置Ymax，用Matlab仿真見圖3。

圖3　Matlab仿真曲線Fig.3 The Matlab Simulation Curve

由圖3可見，當(dāng)阻尼比=0.8時(shí)，有超調(diào)，但進(jìn)入穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)態(tài)定義為Y/Ymax進(jìn)入?yún)^(qū)間［0.98～1.02］）間較快，大約為10s；當(dāng)阻尼比=1.1時(shí)無超調(diào)，但進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間較慢，大約為18s。

圖4　輸入信號(hào)為sin（2π·f·t）時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的幅值頻率特性Fig.4 The Input Signal Issin（2π·f·t）Am p litude Frequency Characteristics In Steady State Response of The System

阻尼比=0.8時(shí)，在對(duì)應(yīng)相同頻率f的情況下，輸入正弦信號(hào)的衰減幅度小于阻尼比=1.1時(shí)輸入正弦信號(hào)的衰減幅度；在頻率f的低頻段，當(dāng)=0.8和=1.1時(shí)，輸入正弦信號(hào)幅值幾乎都沒有失真，因?yàn)榇藭r(shí)輸入信號(hào)變化很慢；當(dāng)頻率f=0.2時(shí)，其周期為5s，輸入正弦信號(hào)為sin（2π·0.2·t），無論在=0.8時(shí)還是在=1.1時(shí)，其穩(wěn)態(tài)幅值均衰減為約0.1。

3　結(jié)論

由以上建模及仿真試驗(yàn)看出，通過調(diào)節(jié)參數(shù)的合理整定，輸出結(jié)果能快速響應(yīng)給定值，又不會(huì)發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，能夠保證隨動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到良好的控制效果。

［1］魏守平.水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.

［2］季衛(wèi)，黃宇.MATLAB軟件在水輪機(jī)調(diào)速器設(shè)計(jì)上的應(yīng)用［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2000，17（5）：44-45，51.

Generator Governor Servo System Sim ulation Based on MATLAB

JINYu-cheng1，MENGFan-dong1，JIN Li-juan2
（1.Harbin Mechanical-Electric Machinery Co.Ltd，Harbin 50040，China；2.Harbin Electric PowerEquipmentCo，Ltd，Harbin 150040，China）

This paper introduces the simulation modeling of the hydraulic servo system of the governor for hydro-turbine generator unit based on MATLAB.By the regulation of the system parameters，the output of the hydraulic servosystem isoptim ized.

Governor；Hydraulic servo system；Simulation

TP273.2

A

1674-8646（2015）05-0056-02

2015-03-11

金玉成（1983-），男，黑龍江人，工程師，從事水輪機(jī)自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作。