微機(jī)步進(jìn)式水輪機(jī)調(diào)速器建模及其控制參數(shù)影響

尚欣欣

【摘要】水輪機(jī)調(diào)速器是維持機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行及保持電能質(zhì)量的以水輪發(fā)電機(jī)組作為控制對(duì)象的閉環(huán)控制系統(tǒng)。本文僅對(duì)采用微機(jī)式步進(jìn)電機(jī)的水輪機(jī)調(diào)速器進(jìn)行建模，通過(guò)在開(kāi)度模式和功率模式下的仿真模型試驗(yàn)，研究了比例增益、積分增益和微分增益對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)穩(wěn)定性影響?！娟P(guān)鍵詞】水輪機(jī)調(diào)速器；穩(wěn)定性；控制模式；建模1、前言在水電機(jī)組的電力生產(chǎn)過(guò)程中，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)于機(jī)組的電能質(zhì)量和穩(wěn)定運(yùn)行起到舉足輕重的作用。該系統(tǒng)是由水輪機(jī)調(diào)速器作為系統(tǒng)控制器、水輪發(fā)電機(jī)組作為控制對(duì)象而共同組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，是一個(gè)水、機(jī)、電相互影響、相互制約的復(fù)雜非線性控制系統(tǒng)。它的基本任務(wù)是根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)組有功功率的輸出，并維持機(jī)組轉(zhuǎn)速在規(guī)定范圍內(nèi)，從而控制電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。在水輪機(jī)調(diào)速器的控制下，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生諸如起動(dòng)、突增負(fù)荷、突減負(fù)荷、甩負(fù)荷、工作模式的轉(zhuǎn)換等過(guò)渡過(guò)程中，均可引起機(jī)組轉(zhuǎn)速（頻率）、引水系統(tǒng)壓力等各狀態(tài)的波動(dòng)，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。因此有必要研究不同型式調(diào)速器及其控制參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性影響，本文以微機(jī)步進(jìn)電機(jī)水輪機(jī)調(diào)速器為例進(jìn)行建模分析。2、調(diào)速器的建模WBDT—100微機(jī)步進(jìn)式水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由數(shù)字控制環(huán)節(jié)和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。該型調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)字控制環(huán)節(jié)采用并聯(lián)PID控制，具備按頻率給定調(diào)節(jié)、按功率給定調(diào)節(jié)、導(dǎo)葉開(kāi)度限制、網(wǎng)頻跟蹤控制、故障處理和常規(guī)開(kāi)停機(jī)功能。水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)字控制部分模型框圖如圖1所示。圖1中，F(xiàn)為頻率偏差信號(hào)，YPID為調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)，亦為步進(jìn)電機(jī)的輸入信號(hào)，模型中比例和積分環(huán)節(jié)的頻率偏差輸入為死區(qū)后的頻率偏差，微分環(huán)節(jié)頻率偏差輸入信號(hào)不經(jīng)過(guò)死區(qū)環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)系統(tǒng)機(jī)械液壓部分主要有：步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械連桿、配壓閥、接力器、油泵、壓力油罐、回油箱、油壓裝置柜等，另外還有1套機(jī)械分段關(guān)閉裝置。水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)為數(shù)字控制環(huán)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由綜合放大、電液轉(zhuǎn)換、配壓閥及接力器等環(huán)節(jié)構(gòu)成。電液轉(zhuǎn)換裝置為步進(jìn)電機(jī)，其位移輸出與接力器機(jī)械硬反饋?zhàn)鞅容^后通過(guò)配壓閥驅(qū)動(dòng)接力器，達(dá)到控制機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度的目的。3、調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響3.1 比例增益的影響機(jī)組帶100MW負(fù)荷，在10s末受到10%功率階躍擾動(dòng)；設(shè)置調(diào)速器永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)（bp）等于0%、比例增益（Kp）等于1.82、積分增益（Ki）等于0.208、微分增益（Kd）等于0；設(shè)置機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)（Ta）等于9.484、自調(diào)節(jié)系數(shù)（en）等于0.1；通過(guò)改變機(jī)組功率給定值，記錄接力器行程、仿真頻率和蝸殼壓力的響應(yīng)情況；

為了對(duì)比分析功率階躍（△P）中比例增益對(duì)調(diào)速器運(yùn)行性能的影響，選擇響應(yīng)過(guò)程中的仿真頻率最大波動(dòng)幅值（△f）、功率開(kāi)始階躍到仿真頻率峰值的時(shí)間（T1）和到穩(wěn)定的時(shí)間（T2）三個(gè)參數(shù)作為對(duì)比的依據(jù)。表1所示為這三個(gè)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)情況。隨著比例增益設(shè)置值由小變大，仿真頻率最大波動(dòng)幅值（△f）呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，到達(dá)仿真頻率峰值時(shí)間（T1）呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)，穩(wěn)定的時(shí)間（T2）呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì)。3.2 積分增益的影響機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，帶100MW負(fù)荷，在10s末受到10%功率階躍擾動(dòng)；設(shè)置調(diào)速器永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)（bp）等于0%、比例增益（Kp）等于1.82、積分增益（Ki）等于0.208、微分增益（Kd）等于0；設(shè)置機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)（Ta）等于9.484、自調(diào)節(jié)系數(shù)（en）等于0.1；通過(guò)改變機(jī)組功率給定值，記錄接力器行程、仿真頻率和蝸殼壓力的響應(yīng)情況。為了對(duì)比分析功率階躍（△P）中比例增益對(duì)調(diào)速器運(yùn)行性能的影響，選擇響應(yīng)過(guò)程中的仿真頻率最大波動(dòng)幅值（△f）、功率開(kāi)始階躍到仿真頻率峰值的時(shí)間（T1）和到穩(wěn)定的時(shí)間（T2）三個(gè)參數(shù)作為對(duì)比的依據(jù)。隨著積分增益設(shè)置值由小變大，仿真頻率最大波動(dòng)幅值（△f）呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，到達(dá)仿真頻率峰值時(shí)間（T1）呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)，穩(wěn)定的時(shí)間（T2）呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì)。3.3 微分增益的影響機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，帶100MW負(fù)荷，在10s末受到10%功率階躍擾動(dòng)；設(shè)置調(diào)速器永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)（bp）等于0%、比例增益（Kp）等于1.82、積分增益（Ki）等于0.208、微分增益（Kd）等于0；設(shè)置機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)（Ta）等于9.484、自調(diào)節(jié)系數(shù)（en）等于0.1；通過(guò)改變機(jī)組功率給定值，記錄接力器行程、仿真頻率和蝸殼壓力的響應(yīng)情況。為了對(duì)比分析功率階躍（△P）中比例增益對(duì)調(diào)速器運(yùn)行性能的影響，選擇響應(yīng)過(guò)程中的仿真頻率最大波動(dòng)幅值（△f）、功率開(kāi)始階躍到仿真頻率峰值的時(shí)間（T1）和到穩(wěn)定的時(shí)間（T2）三個(gè)參數(shù)作為對(duì)比的依據(jù)。隨著微分增益設(shè)置值由小變大，仿真頻率最大波動(dòng)幅值（△f）呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，到達(dá)仿真頻率峰值時(shí)間（T1）呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)，穩(wěn)定的時(shí)間（T2）呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì)。結(jié)果如表1所示。4、結(jié)語(yǔ)本文通過(guò)對(duì)微機(jī)步進(jìn)電機(jī)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的建模，在功率模式下，給予階躍信號(hào)，改變其控制參數(shù)得到以下結(jié)論：（1）比例增益設(shè)置值由小變大，仿真頻率最大波動(dòng)幅值（△f）呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，穩(wěn)定的時(shí)間（T2）呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì)。（2）積分增益設(shè)置值由小變大，仿真頻率最大波動(dòng)幅值（△f）呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，穩(wěn)定的時(shí)間（T2）呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì)。（3）微分增益設(shè)置值由小變大，仿真頻率最大波動(dòng)幅值（△f）呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，穩(wěn)定的時(shí)間（T2）呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì)。