基于Matlab的DEH控制系統(tǒng)動態(tài)仿真與分析

王超 陳申乾 姬海剛 任建興

摘要：針對火力發(fā)電廠汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)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(jìn)行研究，即分別從控制方式和時間參數(shù)著手進(jìn)行仿真模擬，從而對實(shí)際

運(yùn)行中的機(jī)組進(jìn)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(jī)組的廣泛投運(yùn)，需要進(jìn)一步提高中間再熱機(jī)組的動態(tài)

特性指標(biāo)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(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，使得其對火電廠汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)進(jìn)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(jī)組及DEH 系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(jìn)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(jī)的動態(tài)特性做出進(jìn)一步的研究。

一、DEH動態(tài)建模

圖1 基于Simulink的DEH仿真模型

機(jī)組的仿真是在理想的情況下運(yùn)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(dāng)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(jī)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(yán)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(fù)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(jī)組甩額定負(fù)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(jī) 高壓缸調(diào)節(jié)容積 中間再熱環(huán)節(jié) 機(jī)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(jī)：

高壓缸調(diào)節(jié)容積：

中間再熱環(huán)節(jié)：

機(jī)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(jī)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P(yáng)I控制器接收汽輪機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差信號，經(jīng)運(yùn)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(jī)動作來控制調(diào)節(jié)閥門的開度，從而通過汽輪機(jī)的進(jìn)汽量來實(shí)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(jìn)了調(diào)節(jié)過程的快速性，外回路則保證了輸出值嚴(yán)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(jī)時間常數(shù)變化

當(dāng)油動機(jī)時間數(shù)分別控制在、、時，仿真后可以看出，油動機(jī)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)機(jī)組參數(shù)變化太大時，對縮短機(jī)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(shí)現(xiàn)對汽輪機(jī)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(shí)現(xiàn)了對其無差控制。而對時間參數(shù)的控制中，油動機(jī)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(jī)組及DEH的仿真研究具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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