微机步进式水轮机调速器建模及其控制参数影响

尚欣欣

【摘要】水轮机调速器是维持机组的稳定运行及保持電能质量的以水轮发电机组作为控制对象的闭环控制系统。本文仅对采用微机式步进电机的水轮机调速器进行建模，通过在开度模式和功率模式下的仿真模型试验，研究了比例增益、积分增益和微分增益对机组调节稳定性影响。【关键词】水轮机调速器；稳定性；控制模式；建模1、前言在水电机组的电力生产过程中，水轮机调节系统对于机组的电能质量和稳定运行起到举足轻重的作用。该系统是由水轮机调速器作为系统控制器、水轮发电机组作为控制对象而共同组成的闭环控制系统，是一个水、机、电相互影响、相互制约的复杂非线性控制系统。它的基本任务是根据电网频率的变化实时调节机组有功功率的输出，并维持机组转速在规定范围内，从而控制电网频率的稳定。在水轮机调速器的控制下，当水轮发电机组发生诸如起动、突增负荷、突减负荷、甩负荷、工作模式的转换等过渡过程中，均可引起机组转速（频率）、引水系统压力等各状态的波动，甚至使系统失去稳定性。因此有必要研究不同型式调速器及其控制参数对稳定性影响，本文以微机步进电机水轮机调速器为例进行建模分析。2、调速器的建模WBDT—100微机步进式水轮机调节系统由数字控制环节和液压执行机构组成。该型调节系统数字控制环节采用并联PID控制，具备按频率给定调节、按功率给定调节、导叶开度限制、网频跟踪控制、故障处理和常规开停机功能。水轮机调节系统数字控制部分模型框图如图1所示。图1中，F为频率偏差信号，YPID为调节器输出信号，亦为步进电机的输入信号，模型中比例和积分环节的频率偏差输入为死区后的频率偏差，微分环节频率偏差输入信号不经过死区环节。调节系统机械液压部分主要有：步进电机、机械连杆、配压阀、接力器、油泵、压力油罐、回油箱、油压装置柜等，另外还有1套机械分段关闭装置。水轮机调节系统的液压系统为数字控制环节的执行机构，由综合放大、电液转换、配压阀及接力器等环节构成。电液转换装置为步进电机，其位移输出与接力器机械硬反馈作比较后通过配压阀驱动接力器，达到控制机组导叶开度的目的。3、调速系统相关参数对调节过程的影响3.1 比例增益的影响机组带100MW负荷，在10s末受到10%功率阶跃扰动；设置调速器永态转差系数（bp）等于0%、比例增益（Kp）等于1.82、积分增益（Ki）等于0.208、微分增益（Kd）等于0；设置机组惯性时间常数（Ta）等于9.484、自调节系数（en）等于0.1；通过改变机组功率给定值，记录接力器行程、仿真频率和蜗壳压力的响应情况；

为了对比分析功率阶跃（△P）中比例增益对调速器运行性能的影响，选择响应过程中的仿真频率最大波动幅值（△f）、功率开始阶跃到仿真频率峰值的时间（T1）和到稳定的时间（T2）三个参数作为对比的依据。表1所示为这三个参数的统计情况。随着比例增益设置值由小变大，仿真频率最大波动幅值（△f）呈现减小趋势，到达仿真频率峰值时间（T1）呈现缩短趋势，稳定的时间（T2）呈现扩大趋势。3.2 积分增益的影响机组并网运行，带100MW负荷，在10s末受到10%功率阶跃扰动；设置调速器永态转差系数（bp）等于0%、比例增益（Kp）等于1.82、积分增益（Ki）等于0.208、微分增益（Kd）等于0；设置机组惯性时间常数（Ta）等于9.484、自调节系数（en）等于0.1；通过改变机组功率给定值，记录接力器行程、仿真频率和蜗壳压力的响应情况。为了对比分析功率阶跃（△P）中比例增益对调速器运行性能的影响，选择响应过程中的仿真频率最大波动幅值（△f）、功率开始阶跃到仿真频率峰值的时间（T1）和到稳定的时间（T2）三个参数作为对比的依据。随着积分增益设置值由小变大，仿真频率最大波动幅值（△f）呈现减小趋势，到达仿真频率峰值时间（T1）呈现缩短趋势，稳定的时间（T2）呈现扩大趋势。3.3 微分增益的影响机组并网运行，带100MW负荷，在10s末受到10%功率阶跃扰动；设置调速器永态转差系数（bp）等于0%、比例增益（Kp）等于1.82、积分增益（Ki）等于0.208、微分增益（Kd）等于0；设置机组惯性时间常数（Ta）等于9.484、自调节系数（en）等于0.1；通过改变机组功率给定值，记录接力器行程、仿真频率和蜗壳压力的响应情况。为了对比分析功率阶跃（△P）中比例增益对调速器运行性能的影响，选择响应过程中的仿真频率最大波动幅值（△f）、功率开始阶跃到仿真频率峰值的时间（T1）和到稳定的时间（T2）三个参数作为对比的依据。随着微分增益设置值由小变大，仿真频率最大波动幅值（△f）呈现减小趋势，到达仿真频率峰值时间（T1）呈现缩短趋势，稳定的时间（T2）呈现扩大趋势。结果如表1所示。4、结语本文通过对微机步进电机水轮机调速系统的建模，在功率模式下，给予阶跃信号，改变其控制参数得到以下结论：（1）比例增益设置值由小变大，仿真频率最大波动幅值（△f）呈现减小趋势，稳定的时间（T2）呈现扩大趋势。（2）积分增益设置值由小变大，仿真频率最大波动幅值（△f）呈现减小趋势，稳定的时间（T2）呈现扩大趋势。（3）微分增益设置值由小变大，仿真频率最大波动幅值（△f）呈现减小趋势，稳定的时间（T2）呈现扩大趋势。