王秀蓮，劉昭明

水輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用的數(shù)字化裝置模擬

王秀蓮，劉昭明

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

針對(duì)數(shù)字化模擬方法的可靠性高、適應(yīng)能力強(qiáng)和成本低等特點(diǎn)，對(duì)水輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的物理元件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，運(yùn)用數(shù)字化思想對(duì)水輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行模擬，并采用直接轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)模擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行補(bǔ)償，優(yōu)化系統(tǒng)性能。在水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化模擬的基礎(chǔ)上，應(yīng)用該系統(tǒng)帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)模擬水力發(fā)電系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該數(shù)字化模擬裝置能夠較準(zhǔn)確地模擬電力系統(tǒng)的各種特性。

水輪機(jī)；調(diào)速器；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；模擬仿真

由于電能不能存儲(chǔ)的特性，則要求電能的生產(chǎn)與用戶消費(fèi)必須同時(shí)進(jìn)行，否則將會(huì)造成電能頻率的偏差，影響發(fā)電機(jī)組和動(dòng)力機(jī)床的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至造成電網(wǎng)的解列或崩潰。因此保持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定對(duì)于電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行尤為重要[1]。

調(diào)速器作為水力發(fā)電的重要附屬設(shè)備承擔(dān)著控制水輪機(jī)轉(zhuǎn)速任務(wù)，在電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬中具有重要地位。由于在實(shí)際系統(tǒng)中，很多水力發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)試驗(yàn)和理論研究受到眾多因素的限制，甚至無法進(jìn)行。電力系統(tǒng)的模擬能夠體現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行特性，為電力系統(tǒng)的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)研究提供了一個(gè)高效的平臺(tái)。

電力系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)研究中常采用數(shù)字仿真和物理模擬兩種方法，物理模擬相當(dāng)于根據(jù)實(shí)際電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性運(yùn)用物理元器件建立一套小型模擬系統(tǒng)，現(xiàn)今大多數(shù)實(shí)驗(yàn)研究采用此種方法進(jìn)行模擬。但是物理模擬存在靈活性差，成本高，操作不安全等特點(diǎn)。針對(duì)上述缺點(diǎn)，本文采用數(shù)字化仿真，運(yùn)用直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)反饋方案模擬了水輪機(jī)的機(jī)械特性(自平衡特性)。運(yùn)用機(jī)械液壓調(diào)速器模擬了負(fù)載變化時(shí)水力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性以及原動(dòng)系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，并且采用Matlab軟件環(huán)境對(duì)水輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行特性及應(yīng)用進(jìn)行離線仿真。

1 水輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)

水輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)模擬包括自平衡特性模擬、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償、水錘效應(yīng)的模擬以及負(fù)載變化時(shí)動(dòng)態(tài)特性的模擬。水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)圖

1.1 水輪機(jī)機(jī)械特性模擬

機(jī)械特性主要指原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。圖2為幾種水輪機(jī)的機(jī)械特性。

圖2中:M1=f1(n)為巨型輻流式水輪機(jī)的機(jī)械特性；M2=f2(n)為扇葉式水輪機(jī)的機(jī)械特性；M3=f3(n)為巨型轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的機(jī)械特性；n*為轉(zhuǎn)速的標(biāo)幺值；M*為轉(zhuǎn)矩的標(biāo)幺值。在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬時(shí)，只要求水輪機(jī)能較精確在±10%的變化范圍內(nèi)模擬其動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。該范圍內(nèi)的機(jī)械特性曲線可以近似為一條斜率為-1，且過(1,1)點(diǎn)的直線。

圖2 幾種水輪機(jī)的機(jī)械特性

在進(jìn)行水輪機(jī)機(jī)械(自平衡)特性模擬時(shí)，主要使其軸上轉(zhuǎn)矩的變化過程與原型接近，因此可以運(yùn)用經(jīng)過改造直流電動(dòng)機(jī)代替水輪機(jī)。運(yùn)用雙閉環(huán)的方案將KI和Kn整定為

Knne=KIIe

(1)

式中:Kn為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；KI為電流反饋系數(shù)；ne為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值；Ie電動(dòng)機(jī)電樞電流值。若滿足式(1)條件，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性可以滿足水輪機(jī)機(jī)械特性，即水輪機(jī)自平衡系數(shù)為1[2]。

水輪機(jī)自平衡特性模擬仿真程序如圖3所示，圖為直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖3 自平衡特性仿真圖

電流調(diào)節(jié)器相當(dāng)于一個(gè)能夠迅速改變放大倍數(shù)的比例調(diào)器，在系統(tǒng)中具有抗干擾和加速動(dòng)態(tài)效應(yīng)的作用。直流電動(dòng)機(jī)可通過可控過整流裝置驅(qū)動(dòng)，其數(shù)學(xué)模型為貫性環(huán)節(jié)。KI和Kn分別為雙閉環(huán)的電流反饋系數(shù)和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。C為直流電動(dòng)機(jī)電勢(shì)常數(shù)系數(shù)。自平衡特性仿真結(jié)果圖如圖4所示。

圖4 自平衡特性仿真結(jié)果圖

圖4中:X軸表示電機(jī)轉(zhuǎn)速的標(biāo)幺值，Y軸為電機(jī)轉(zhuǎn)矩的標(biāo)幺值。由圖4可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩關(guān)系為一條過(1,1)點(diǎn)，斜率為-1的直線，與水輪機(jī)的自平衡特性曲線一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用雙閉環(huán)反饋改造電機(jī)特性實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)機(jī)械特性方法的模擬是可行的。

1.2 水錘效應(yīng)的模擬

水錘效應(yīng)是水輪機(jī)引水系統(tǒng)的一個(gè)固有特性。其指的是當(dāng)閥門開度減小時(shí)，由于水流的慣性和引水管壁的彈性，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速不會(huì)立即減小，而是在減小閥門的一瞬間突然增大然后減小，最后趨于穩(wěn)定值。這種現(xiàn)象好像錘擊作用在管壁，因此稱之為水錘效應(yīng)。

水錘環(huán)節(jié)的輸出Mt，輸入量為閥門的開度U，水錘環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型為[3]

(2)

式中Tw為水流時(shí)間常數(shù)，一般取值范圍為0.2～7s。為了突顯水錘環(huán)節(jié)的作用，模擬時(shí)去掉了調(diào)速器機(jī)組慣性時(shí)間補(bǔ)償部分。水錘特性的仿真結(jié)果如圖5所示。

在15s時(shí)突然關(guān)閉閥門，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)]有立即減小而是突然增大最后逐漸趨近于0。當(dāng)閥門開度增大時(shí)轉(zhuǎn)速變化正好相反。

圖5 水錘效應(yīng)仿真結(jié)果圖

1.3 調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性模擬

水力發(fā)電系統(tǒng)主要由調(diào)速器和水輪機(jī)兩部分組成。實(shí)際中調(diào)速器種類繁多，按元件結(jié)構(gòu)大體可以分為機(jī)械液壓型和電氣液壓型兩大類。

機(jī)械液壓調(diào)速器由測(cè)量機(jī)構(gòu)、反饋機(jī)構(gòu)、放大機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。測(cè)量元件飛擺為比例機(jī)構(gòu),即將轉(zhuǎn)速的偏差量轉(zhuǎn)化為位移量；放大機(jī)構(gòu)為配壓閥(錯(cuò)油門)，將較小的力轉(zhuǎn)化為較大的力，位移沒有變化，因此可看作系數(shù)為1的比例環(huán)節(jié)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)接力器的速度與錯(cuò)油門的位移有關(guān)，為積分環(huán)節(jié)，反饋機(jī)構(gòu)包括軟硬反饋，在調(diào)速器中防止過調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生，分別為比例和微分環(huán)節(jié)[4]。

本文采用機(jī)械液壓調(diào)速器對(duì)水輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行特性進(jìn)行模擬，其仿真程序圖如圖6所示。圖中的封裝系統(tǒng)為經(jīng)過雙反饋環(huán)節(jié)改造的水輪機(jī)模型。并應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法在封裝系統(tǒng)(水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出部分)out2引出經(jīng)過比例微分環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速量，反饋到水錘環(huán)節(jié)的輸入部分進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的補(bǔ)償，使模擬系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)具有相同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，優(yōu)化系統(tǒng)性能。仿真程序中所有量均采用標(biāo)幺值。增加負(fù)載時(shí)的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7中虛線為閥門開度變化的曲線，實(shí)線為轉(zhuǎn)速變化的曲線，當(dāng)在第250s突加負(fù)載時(shí)，調(diào)速器要保持原來的速度，所以必須增大閥門的開度。由于水錘效應(yīng)的存在，轉(zhuǎn)速值會(huì)突然變小然后維持在負(fù)載變化前轉(zhuǎn)速值附近，最終趨于穩(wěn)定。

1.4 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的補(bǔ)償

為了使模擬系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)具有相同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，需要在模擬系統(tǒng)中進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的補(bǔ)償。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是指原動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)慣性的大小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太小會(huì)使得系統(tǒng)不穩(wěn)定；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太大會(huì)使動(dòng)態(tài)過程變得緩慢，不利于系統(tǒng)的快速性[5]。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償實(shí)際是對(duì)系統(tǒng)機(jī)組慣性時(shí)間的補(bǔ)償。

圖6 水輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真圖

圖7 增加負(fù)載時(shí)仿真結(jié)果圖

本文采用直接轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法對(duì)水輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)組慣性時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償。直接轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法即對(duì)模擬系統(tǒng)增加一個(gè)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩量，使其與實(shí)際系統(tǒng)具有相同的角加速度，即能夠保持在相同的初始條件下，二者具有相同的動(dòng)態(tài)過程[6]。直接轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)哪M系統(tǒng)機(jī)構(gòu)框圖如圖8所示。驅(qū)動(dòng)裝置得到的轉(zhuǎn)矩值使電機(jī)按實(shí)際系統(tǒng)的特性運(yùn)行。

圖8 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)模擬系統(tǒng)凈轉(zhuǎn)矩不能直接測(cè)量得到時(shí)，通常對(duì)容易測(cè)量的轉(zhuǎn)速進(jìn)行微分得到凈轉(zhuǎn)矩的值。此時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩為

ΔT(s)=(J2-J1)sω(s)

(3)

式中:J2為模型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J1為實(shí)際系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω(s)為水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速值；ΔT(s)為所要補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)矩量。由式(3)可知，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償只需將轉(zhuǎn)速反饋經(jīng)過一個(gè)比例微分(PD)環(huán)節(jié)連接到前端輸入，這種補(bǔ)償方式既方便又靈活，在工程上常用此方法進(jìn)行補(bǔ)償。

在圖6中，本文水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的補(bǔ)償從水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組速度反饋值引出一個(gè)經(jīng)過增益的量，使其經(jīng)過一個(gè)比例微分(PD)環(huán)節(jié) 反饋到轉(zhuǎn)矩的輸入端。其仿真結(jié)果圖如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償仿真結(jié)果圖

圖9中，虛線為未加補(bǔ)償時(shí)轉(zhuǎn)速的曲線圖，實(shí)線為加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)速曲線圖。由圖9可知，加入補(bǔ)償時(shí)水錘效應(yīng)變得明顯，但是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間變小，并且沒有了超調(diào)，優(yōu)化了系統(tǒng)性能。運(yùn)用這種方式進(jìn)行慣性補(bǔ)償?shù)姆椒ū容^靈活，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，很容易在數(shù)字化仿真時(shí)實(shí)現(xiàn)。

2 調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用模擬

本文運(yùn)用水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)在負(fù)載變化時(shí)，模擬水力發(fā)電系統(tǒng)中調(diào)速系統(tǒng)能量的變化以及對(duì)電網(wǎng)中電能的影響。仿真程序圖如圖10所示，圖中水輪機(jī)調(diào)速器采用了PI環(huán)節(jié)+隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。PI調(diào)節(jié)器主要完成轉(zhuǎn)速給定值和實(shí)際值誤差量的采集、并且對(duì)誤差量進(jìn)行控制運(yùn)算等過程，在動(dòng)態(tài)過程之初放大倍數(shù)很小,而后很快過渡到穩(wěn)定高放狀態(tài),其放大倍數(shù)可高達(dá)十幾萬[7]。隨動(dòng)系統(tǒng)則將調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機(jī)械信號(hào)操作引水機(jī)構(gòu)的閥門，控制水流量的輸入，用來維持水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。本文隨動(dòng)系統(tǒng)采用伺服電機(jī)模型。模擬系統(tǒng)發(fā)電裝置采用同步電機(jī)。負(fù)載采用三相串并聯(lián)RLC負(fù)載，運(yùn)用三相開關(guān)的斷開與閉合實(shí)現(xiàn)負(fù)載的增減模擬水輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行特性。

圖10 水輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用仿真圖

圖10中，水輪機(jī)調(diào)速器的輸出量為同步電機(jī)的輸入量，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁由勵(lì)磁單元提供，同步發(fā)電機(jī)輸出端可測(cè)得機(jī)組的轉(zhuǎn)速、有功和無功功率等量。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果圖如圖11所示。發(fā)電機(jī)A、B、C三相端接入串并聯(lián)的RLC負(fù)載和三相開關(guān)，通過開關(guān)的斷開與閉合可測(cè)得負(fù)載變化時(shí)發(fā)電系統(tǒng)的線電壓、線電流和相電壓等量。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果圖如圖12所示。

圖11中為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和有功、無功功率在負(fù)載變化時(shí)的曲線。在30秒時(shí)對(duì)三相開關(guān)進(jìn)行閉合，即系統(tǒng)負(fù)載增加，發(fā)電系統(tǒng)由于調(diào)速器的作用維持原來轉(zhuǎn)速，所以需要增大閥門的開度量，在閥門增大的一瞬間由于水錘作用的存在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)突然增大而是立即減小，然后恢復(fù)的原來的值。在第60秒時(shí)斷開開關(guān)時(shí)相當(dāng)于系統(tǒng)甩負(fù)載，轉(zhuǎn)速曲線變化情況正好相反；在30～65秒之間，開關(guān)閉合時(shí)刻系統(tǒng)負(fù)載增加，此時(shí)系統(tǒng)的無功和有功功率增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

圖11 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率變化仿真曲線圖

圖12為發(fā)電機(jī)的相電壓、相電流和線電壓仿真結(jié)果圖。

圖12 發(fā)電機(jī)電壓電流仿真結(jié)果圖

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)水輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行特性和物理結(jié)構(gòu)，對(duì)整體系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，運(yùn)用雙閉環(huán)反饋的方法實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)自平衡特性的模擬。在加入水錘環(huán)節(jié)后實(shí)現(xiàn)了水錘特性的模擬，在負(fù)載變化時(shí)驗(yàn)證了水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化特性。采用直接轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的補(bǔ)償，優(yōu)化了調(diào)速系統(tǒng)性能。運(yùn)用調(diào)速系統(tǒng)與同步電機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)了水力發(fā)電系統(tǒng)裝置的模擬，為電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬提供了數(shù)字化平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)條件。

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(責(zé)任編輯:馬金發(fā))

Digital Device Simulation for Application of Hydraulic Turbine Governing System

WANG Xiulian,LIU Zhaoming

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

In view of high reliability characteristics,strong adaptability and low cost of the digital simulation method,the mathematical model of the Hydraulic Turbine Governing System is established,and dynamic and static characteristics of Hydraulic Turbine Governing System are simulated by using digital thought.To optimize system performance,system speed is compensated by the method of direct torque compensation，which is based on digital simulation of hydraulic turbine governing system.This system drives synchronous generator to simulate the hydro electric power generation system.Experimental results show that the digital simulation system can more accurately simulate all kinds of power system of characteristics.

hydraulic turbine;governor;rotary inertia;simulation

2015-11-27

王秀蓮(1965—)，女，教授，博士，研究方向:電力系統(tǒng)自動(dòng)化、智能電網(wǎng)及新能源技術(shù)。

1003-1251(2017)01-0091-06

TP275

A