前池水位調(diào)節(jié)模式下的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真研究

周 中 建

(四川雅安電力(集團)股份有限公司,四川 雅安 625000)

1 前 言

隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,水輪發(fā)電機組的控制技術(shù)也得到了長足的進步。特別是水輪發(fā)電機組控制的核心部件之一水輪機調(diào)速器,無論是硬件還是控制策略都得到了很大的發(fā)展?？煽康挠布Y(jié)構(gòu),靈活的控制策略,方便的控制程序,使得現(xiàn)代水輪機調(diào)速器擴展了許多功能。其中,調(diào)節(jié)前池水位這種新型控制方式已經(jīng)在少量中小型引水式電站嘗試運行。對于單個帶有前池的引水式電站通常并大網(wǎng)運行,其裝機容量在大電網(wǎng)中所占的比重很小,機組擔任基荷任務(wù)。機組按調(diào)節(jié)前池水位方式運行,能夠有效地利用來水,增加機組的出力,實現(xiàn)電站的經(jīng)濟運行。但是,在很長的時間內(nèi),人們一直把注意力集中在按機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)或有功功率調(diào)節(jié)模式運行的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)方面的應(yīng)用和研究,而對調(diào)節(jié)水位方式運行的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及穩(wěn)定性方面的研究甚少。

2 調(diào)節(jié)前池水位方式運行的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制原理及結(jié)構(gòu)圖[1]

機組在按調(diào)節(jié)前池水位方式運行時,調(diào)節(jié)器輸入給定水位,通常是前池的設(shè)計水位,也可隨季節(jié)流量的變化稍加調(diào)整。機組按并大網(wǎng)的情況考慮,頻率與電網(wǎng)一致。該調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速動性要求不高,調(diào)速器可采用 PI(比例積分)型。通過水位檢測裝置將前池水位信號反饋給調(diào)速器,調(diào)速器根據(jù)給定值和測量值之間的差值 ,給出操作接力器位移信號,然后接力器改變導(dǎo)葉開度控制水輪機的引用流量。

通常按調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)有功功率的方式運行的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)由引水系統(tǒng)、水輪機、發(fā)電機、調(diào)速器和電網(wǎng)組成。按前池水位調(diào)節(jié)方式運行的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng),控制對象為前池水位,控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與前面二者就大不相同了。圖 1為按前池水位調(diào)節(jié)方式運行的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一般方框圖。

圖1 按調(diào)節(jié)前池水位方式運行的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制原理圖

圖中 Q0——前池的來水流量;

Q1——發(fā)電引用流量;

Q2——壓力引水管道進口端流量;

ΔQ——前池來水變化流量;

H ——前池水位;

c0——給定水位;

P ——發(fā)電機有功功率。

3 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[2]

圖2 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖

水輪機連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由調(diào)節(jié)對象和調(diào)速器組成,具有并聯(lián) PI調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)速器的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的框圖見圖2。它是一個定值調(diào)節(jié)系統(tǒng),c是水位給定信號,q0為前池來水流量擾動信號。

4 調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)圖

水位調(diào)節(jié)模式下的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實際輸入量通常是突然的擾動量或是一些突然擾動量的綜合,階躍函數(shù)是比較合理的試驗信號。水位調(diào)節(jié)模式下調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍試驗信號根據(jù)來源可分為:前池水位和前池來水量擾動。這里,分別進行 5%的前池水位階躍增加擾動和 10%前池來水量階躍增加擾動下調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真分析。

采用 Matlab的 Simulink進行調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真,仿真框圖見圖3。分析中水流慣性時間常數(shù) Tw=0.8s,接力器不動時間 Ty=0.1s。由于水位調(diào)節(jié)模式下的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的擾動通常為小波動擾動,可以采用線性理想水輪機進行分析,其主要特性參數(shù):參照文獻[3]給出的調(diào)節(jié)參數(shù)整定公式:

圖3 仿真系統(tǒng)示意

選擇 KP=6.4,KI=13.8/s。

前池水位發(fā)生 5%和 10%階躍變化時的調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真結(jié)果見圖4、5。

5 仿真結(jié)果分析

當擾動信號為 5%水位增加變化時,圖4(a)可以看出,接力器先有導(dǎo)葉關(guān)閉過程,隨后導(dǎo)葉逐漸開啟,接力器行程 y最終穩(wěn)定到初始的穩(wěn)態(tài)值;由圖 4(b)可知,蝸殼進口端水壓 h1在接力器關(guān)閉動作時有一正向水壓,很快就開始減小,最后穩(wěn)定在初始穩(wěn)定值附近;由圖 4(c)可以看出,機組的出力 mt先有增加,最后穩(wěn)定在初始出力穩(wěn)定值附近;由圖 4(d)可以得知,前池的水位 h過程曲線上升較快,超調(diào)次數(shù)為 1次,最大超調(diào)量為 8%,振蕩次數(shù)少,過渡時間較短,最終前池水位 h能夠很好地穩(wěn)定在給定水位值附近。

當擾動信號為 10%來水流量增加時,由圖 5(a)可以看出,接力器行程 y的過渡過程很平緩,接力器動作沒有突變;由圖 5(b)可知,蝸殼進口端水壓 h1在接力器開始動作時有一負向水壓,很快就開始逐漸增加,盡管在穩(wěn)定階段水壓有微小波動,但對機組的穩(wěn)定運行影響很小,能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的動態(tài)性能要求;由圖 5(c)可以看出,機組的出力 mt上升得很快,能夠很快的穩(wěn)定,振蕩次數(shù)少,沒有較大的波動,機組出力最終穩(wěn)定在較初始穩(wěn)定值增加10%附近;由圖 5(d)可以得知,前池的水位 h過程曲線上升較快,超調(diào)次數(shù)為 1次,最大超調(diào)量為12%,振蕩次數(shù)少,過渡時間較短,最終前池水位 h能夠很好地穩(wěn)定在初始給定水位值附近。

可見,對于引水式電站調(diào)節(jié)前池水位水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以依照連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定公式選取調(diào)節(jié)參數(shù) Kp,KI,能夠較好地滿足調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)性能要求。

圖4 前池水位發(fā)生 5%階躍變化時的調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖5 前池水位發(fā)生10%階躍變化時的調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真結(jié)果

[1]常黎,梁年生,金和平 .引水式水電站前池水位及有功負荷最優(yōu)分配的綜合控制[J].水電能源科學(xué),1994(1):50-57.

[2]邵文權(quán),南海鵬,王濤.引水式電站恒前池水位控制系統(tǒng)的穩(wěn)定分析[J].大電機技術(shù),2005(1):67-71.

[3]南海鵬,邵文權(quán),羅興锜.水位調(diào)節(jié)模式下水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)最優(yōu)配置[J].水力發(fā)電學(xué)報,2005(5):112-117.