抽水蓄能机组调速系统动态仿真平台的设计与开发

2015-05-28冯凌云邱小波

电气技术 2015年12期

冯凌云邱小波吴昊

（广州蓄能水电厂，广州 510950）

随着核电站建设与清洁能源开发的迅速发展，我国抽水蓄能电站建设进入了一个高速发展的时期。蓄能机组在电力系统中承担着调峰、调频、调相、事故备用以及吸收多余电能等任务，是当前电网中最重要的储能和调峰调频节点，而调速器系统作为抽水蓄能机组最重要的控制系统之一，其实际控制性能会直接影响整体机组的运行性能。

出于研究与培训目的，技术人员时常有进行调速系统相关试验的需求，然而在真实的机组中进行试验一般存在很多制约条件，并且存在较大安全风险。本文基于以上需求提出一种实现调速系统动态仿真的方法，并据此利用Matlab 开发了一套抽水蓄能机组调速系统动态仿真平台，能够实现对蓄能水电机组多种工况（发电、抽水、拖动）的动态仿真。

1 总体结构

抽水蓄能机组调速系统动态仿真平台整体结构如图1所示，主要包括微机调速器仿真单元和蓄能水电厂主设备仿真单元。微机调速器模拟单元包括工况切换单元和PID 控制单元，其中工况切换单元与PID 控制单元相连。蓄能水电厂主设备模拟单元包括模拟发电通道的第一液压随动单元、引水及水轮机单元、第一同步发电机单元；模拟抽水通道的第二液压随动单元、引水及可逆式水轮机单元、第二同步电动机单元。输入量为负荷/频率设定，输出量为负荷/频率输出，功率/频率信号反馈至调速器仿真单元中。

图1 抽水蓄能机组调速系统动态仿真平台整体结构

输入机组负荷设定值后，由调速器仿真单元判断并择一令机组进入发电工况流程或抽水工况流程，完成同期阶段后即进入对应的发电工况或抽水工况。根据负荷需求，经过计算，决定调速系统各节点对应的仿真数值，总体仿真流程如图2所示。

图2 总体仿真流程

2 系统设计

2.1 对象建模

仿真的首要任务是对各仿真对象进行数学建模，调速系统模型由三个部分组成：微机调速器模型、引水道及水轮机系统模型及发电机/电动机模型。微机调速器的模型可以根据广州蓄能水电厂ALSTOM 调速器产品说明书中的相关描述得到。引水道及水轮机系统和发电机/电动机的数学模型，根据广蓄电厂各台机组调速器改造期间静态试验和动态试验数据，可以经过一系列的模型参数辨识算法计算而得到。

以广蓄4 号机引水道-水轮机模型辨识为例，根据动态扰动试验数据（试验水头530m），采用遗传算法（以下简称GA）法辨识结果见表1，辨识效果如图3所示。

表1 机组-引水道GA 法辨识结果

图3 机组-引水道GA 法辨识效果图

2.2 动态仿真算法

动态仿真的目标是调速系统各节点的数值变化能实时显示，且其变化情况与真实时间一致，当任意时刻改变调速器输入后，各节点输出亦随之发生无扰动改变。

将调速系统控制框图表示如图4所示，其中R1(S)为首次输入激励源，PID(S)为简化后的微机调速器传递函数，TURB(S)为引水道及水轮机系统的传递函数，GEN(S)为发电机传递函数，DEV(S)为频率反馈的微分采样传递函数，C1(S)为输出响应传递函数。

图4 调速控制系统模型原理图

动态仿真算法及步骤如下：

1）频域内建立整个调速控制系统的传递函数，其中FINAL(S)表示整个调速系统的传递函数模型。

2）求频域内输出响应的传递函数。

3）将频域内输出响应的传递函数通过拉普拉斯逆变换，得到时域内输出响应的时间函数。

4）按精度要求，计算t时刻输出响应的值，得到t时刻二维坐标（c1(t)，t），并依次绘制在二维坐标上，形成动态曲线，得到输出动态图（c1(t1)，t1）、(c1(t2)，t2)、(c1(t3)，t3)、(c1(t4)，t4)、……）。

5）当τ时刻，改变负荷目标值后，相当于在原输入部分再叠加一个纯延迟为τ的阶跃函数R2(S)，如图4所示。

于是频域内输出响应的传递函数变为

则τ时刻后，时域内输出响应的时间函数为：

6）按精度要求，计算τ时刻后输出响应的值，得到τ时刻后t时刻二维坐标（c2(t)，t），并依次绘制在二维坐标上，在第五步图形之后继续绘制动态曲线，得到τ时刻后输出动态图(c1(t1)，t1)、(c1(t2)，t2)、(c1(t3)，t3)、(c1(t4)，t4)、……、(c2(tτ)，tτ)、(c2(tτ+1)，tτ+1)、(c2(tτ+2)，tτ+2)、……。

7）当负荷目标值再次变化后，按5）、6）原理继续仿真。

当负荷目标值多次改变后，由于叠加的输入量增多，计算复杂度将成倍提高，不利于实时仿真计算，此时需要对输出响应函数进行化简。由于前期的负荷目标值产生的时域输出分量已经陆续达到稳态，因此该分量可以用其稳态输出seti近似表达，不必重新计算，使仿真模型输出函数的计算复杂度降低。

最终，第n次改变负荷目标值后，仿真模型时域内输出响应的数学表达式可归纳为

式中，Ri(S)为第i次输入量，seti为第i次的负荷目标值，ti表示第i个负荷目标值输出分量达到稳态输出的时间，ε(t)为单位阶跃函数。

2.3 动态绘图原理

动态仿真的实质是对以上计算过程在坐标系内动态绘图。文中采用Matlab 背景擦除法进行动态绘图，这种方法比较适合画动画，效率比较高，刷新闪烁小，适合即时数据显示，其具体实现方法是将各顺序仿真时间节点下的输出值映射至Matlab 的图形句柄坐标系中。由于涉及到GUI 的编程，因此需要使用Matlab 中的Timer 对象来实现多线程编程及仿真时间节点的推进。动态绘图的具体步骤如下，程序流程如图5所示。

1）首先进行初始化，建立图像（set 函数建立图像句柄），建立仿真目标数据源（调速系统各节点的时域输出函数），建立坐标系（axes 函数建立坐标系）。

2）更新仿真时间节点，计算调速系统各节点当前时刻的时域输出值。

3）将数据源数据绘制至图像中（drawnow 函数），显示当前画面帧。

4）移动坐标系至下一时间节点位置。

5）查询是否结束仿真，若继续则返回2）进入下一帧，否则进入6）。

6）回收系统资源，结束仿真。

图5 Matlab 背景擦除法动态仿真流程图

3 仿真平台的开发

仿真平台采用Matlab 开发完成，Matlab 是一套功能强大的工程计算软件，被广泛的应用于自动控制、机械设计、流体力学和数理统计等工程领域。

使用Matlab 集成开发环境GUIDE 开发仿真平台的软件界面，首先创建GUI 并将设计好的GUI界面保存为一个FIG 资源文件，这时会自动生成对应的M 文件1，该M 文件包含了GUI 初始化代码和组建界面布局的控制代码。接着在M 文件1 中完成2.3 中动态绘图控制程序的编写，最后创建新的M 文件2 编写底层仿真函数，完成2.2 中调速系统模型的定义及仿真算法的代码化，并在M 文件1 中对M 文件2 进行调用。抽水蓄能机组调速系统动态仿真平台开发完成后的实际效果如图6所示。

4 结论

通过对静态/动态试验数据分析，建立蓄能机组调速系统对象数学模型，设计一种动态仿真算法，并用Matlab/GUI 软件开发抽水蓄能机组调速系统动态仿真平台。能够在计算机中模拟蓄能机组调速系统的在发电、抽水、拖动工况下的动作过程，具备仿真、离线试验、培训等多种功能，提高技术人员研究和学习的效率，避免真机试验的限制和风险，具有广泛推广价值。