水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真研究發(fā)展綜述

梁晨

【摘要】水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是水力發(fā)電行業(yè)重要的組成部分，根據(jù)我國國情，水力發(fā)電是充分利用可再生能源，節(jié)能減排的最優(yōu)途徑。而在水力發(fā)電系統(tǒng)中，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能對(duì)水電站機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著決定性的作用。為了保證水力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特性參數(shù)和性能，是十分重要的任務(wù)。在電子計(jì)算機(jī)技術(shù)日益發(fā)展的今天，通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)設(shè)計(jì)一套準(zhǔn)確、實(shí)用、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的監(jiān)測系統(tǒng)，為水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供了更準(zhǔn)確、更快捷的途徑。

【關(guān)鍵詞】水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)仿真

隨著我國電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，人口的增加，我國對(duì)于電力資源要求也在加大。在我國電力需求的強(qiáng)力拉動(dòng)下，我國水輪機(jī)制造行業(yè)發(fā)展迅速。但由于水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于水電站的整體影響大，所以水輪機(jī)調(diào)速器在投入使用前都要進(jìn)行調(diào)試。但是常規(guī)的調(diào)試由于費(fèi)用過高，時(shí)間過長，對(duì)調(diào)試人員要求高，使得水輪機(jī)性能調(diào)整不能達(dá)到保證。但是隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)設(shè)計(jì)一套可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)測試并實(shí)用可行的設(shè)備十分重要。

1.水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型建立

1.1引水系統(tǒng)

由于水輪機(jī)是一個(gè)動(dòng)態(tài)元件，在工作時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化和運(yùn)動(dòng)相對(duì)于穩(wěn)定時(shí)要復(fù)雜很多，所以在進(jìn)行水力瞬變的計(jì)算中，工作人員通常采用水輪機(jī)在穩(wěn)定情況下工作時(shí)的綜合特性曲線去確定水輪機(jī)流和水輪機(jī)力矩特性，但是在水輪機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)下的綜合特性曲線不包括尾水管和蝸殼不稱定工況時(shí)水流慣性對(duì)水輪機(jī)特性曲線的影響。在計(jì)算水輪機(jī)綜合特性曲線時(shí)如果引水管道很長，其影響對(duì)于整體的綜合特性曲線影響不大，所以可以忽略。反之，則要進(jìn)行一些運(yùn)算確定其特性曲線而不可忽略。在計(jì)算機(jī)對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模時(shí)，由于實(shí)際的水力發(fā)電站中線路復(fù)雜，所以在建立模型是必須要對(duì)整個(gè)水力發(fā)電系統(tǒng)中的所有管道通路進(jìn)行編號(hào)，這樣可以有效地避免重復(fù)而出現(xiàn)的誤差，也可以提高整體的工作效率。在對(duì)于系統(tǒng)管道進(jìn)行編號(hào)后，由于整體管道過多，同時(shí)建立其仿真模型非常麻煩，工作人員通常需要把管道分成若干個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格的邊界點(diǎn)作為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，然后在網(wǎng)格內(nèi)部進(jìn)行仿真，然后進(jìn)行最后統(tǒng)一的計(jì)算，建立合理的引水系統(tǒng)。

1.2電液隨動(dòng)系統(tǒng)

現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)速是由電子調(diào)節(jié)控制器和電液隨動(dòng)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。對(duì)于前一部分我國研究的比較深入，技術(shù)比較成熟。但對(duì)于電液隨動(dòng)系統(tǒng)基本保持原有體制并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一部分優(yōu)化微調(diào)。微調(diào)主要分為模擬電調(diào)和微處理器電調(diào)兩種方法。但是這兩種方法都是采用電液隨動(dòng)系統(tǒng)。電液隨動(dòng)系統(tǒng)作為水輪機(jī)調(diào)速的執(zhí)行部分，是其中不可缺少的重要組成部分。但是由于在水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中工作油液量大，流動(dòng)路徑較長，并且與大氣和壓縮空氣直接接觸，使得工作油液內(nèi)的金屬微粒、油泥、纖維等機(jī)械雜質(zhì)較多，并且由于酸堿、水分所引起的油質(zhì)劣化十分嚴(yán)重，又由于電液隨動(dòng)系統(tǒng)可靠性差，綜合所有因素，電液隨動(dòng)系統(tǒng)油孔容易被堵塞，多次工作后斷線，強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。但是通過電子計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)對(duì)此進(jìn)行仿真，可以滿足不同情況下的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使效果達(dá)到最優(yōu)值。

2.水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真算法

2.1引水系統(tǒng)仿真算法

在仿真編程時(shí)，引水系統(tǒng)特征線方程與水輪機(jī)聯(lián)立作為一個(gè)部分，引水系統(tǒng)采用特征線法求解；水輪機(jī)的流盆和力矩可由模型特性曲線上查得。調(diào)速器和發(fā)電機(jī)等部分的徽分方程作為另一部分，并分為存在大擾動(dòng)和小擾動(dòng)兩種情況考慮。由于存在大擾動(dòng)時(shí)，水輪機(jī)參數(shù)變化很大，超出其線性范圍，因此小擾動(dòng)模型不適用。為此調(diào)速器和發(fā)電機(jī)采用差分方程的方式建模，采用特征線原理求解。將上述兩部分交替求解，即為水輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果。

2.2電液隨動(dòng)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

將電液隨動(dòng)系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)，主接力器作為積分環(huán)節(jié)，液壓缸、主配壓閥作為一階慣性環(huán)節(jié)。同時(shí)記錄導(dǎo)葉控制信號(hào)的限幅，步進(jìn)電機(jī)輸出限幅，步進(jìn)電機(jī)輸入信號(hào)死區(qū)以及液壓缸、主配壓閥死區(qū)等5個(gè)主要非線性。并且利用連續(xù)系統(tǒng)離散化非線性系統(tǒng)數(shù)字仿真，即可得電液隨動(dòng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

3.仿真系統(tǒng)具備功能

3.1水輪機(jī)特性的計(jì)算

在求解非線性方程組時(shí)，如果沒有水輪機(jī)流量特性和力矩特性的全特性，就只能在模型綜合特性與逸速特性的基礎(chǔ)上延長使用，所以在求解非線性方程組時(shí)，必須知道水輪機(jī)流量特性和力矩特性的全特性。同時(shí)將水輪機(jī)的特性參數(shù)用數(shù)組的方式在計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存，需要儲(chǔ)存的參數(shù)有：導(dǎo)葉開度，機(jī)組單位轉(zhuǎn)速，機(jī)組單位流量和機(jī)組力矩。但是由于實(shí)際值與計(jì)算機(jī)所儲(chǔ)存的理想數(shù)值存在誤差，所以在實(shí)際計(jì)算出的數(shù)值與計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存的數(shù)值不相等，可以通過拉格朗日公式或者四點(diǎn)插值方法計(jì)算求得與單位流量個(gè)單位力矩所對(duì)應(yīng)的計(jì)算值。

3.2仿真系統(tǒng)步長計(jì)算

由于理想情況下和現(xiàn)實(shí)情況存在誤差，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，為了減小誤差，使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況更加符合，仿真計(jì)算時(shí)的步長必須取得足夠小，分割的足夠精密。步長的確定原則是：仿真系統(tǒng)計(jì)算步長的時(shí)間必須小于計(jì)算機(jī)微調(diào)調(diào)速器的采樣時(shí)間，這樣才能最小的減小誤差，同時(shí)步長的計(jì)算必須在上述條件下同時(shí)也滿足水擊計(jì)算的特征方程曲線。當(dāng)步長計(jì)算不能滿足水擊計(jì)算特征方程曲線時(shí)，應(yīng)該在仿真系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)恼{(diào)整波速使得步長滿足其條件。

4.水輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真，應(yīng)該從我們的真實(shí)情況出發(fā)，不能在理想情況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，否則實(shí)驗(yàn)結(jié)果很難融入到真正的生產(chǎn)使用。在設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)的同時(shí)應(yīng)該在實(shí)物中加入輸入輸出模塊，以便系統(tǒng)中參數(shù)的輸入。同時(shí)為了方便我們更容易的觀察水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性變化，仿真系統(tǒng)應(yīng)該具備顯示功能，并且為了方便我們對(duì)參數(shù)的調(diào)節(jié)，確定系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)別，安裝可控制的顯示屏是最好的選擇。

結(jié)束語

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為水電站中最為重要的環(huán)節(jié)，其控制性能和可靠性一直是人們十分關(guān)注并希望優(yōu)化的問題。因此在計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速的今天，很多學(xué)者利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究。在當(dāng)前看來，通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，分別建立模型，列寫算法，并根據(jù)不同條件對(duì)模型算法進(jìn)行微調(diào)，即可得到可靠，準(zhǔn)確的結(jié)果，大大節(jié)省了人力物力，也使其可靠性增加。但隨著科技的進(jìn)步，越來越先進(jìn)，精確的仿真也被提出來。由此可見，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)因?yàn)榫哂懈咝?，?yōu)質(zhì)，經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，被越來越多的學(xué)者青睞，并且在水電能源理論研究和技術(shù)開發(fā)方面具有很好的前景。

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