水轮机调节系统计算机仿真研究发展综述

梁晨

【摘要】水轮机调节系统是水力发电行业重要的组成部分，根据我国国情，水力发电是充分利用可再生能源，节能减排的最优途径。而在水力发电系统中，水轮机调节系统的性能对水电站机组的安全稳定运行起着决定性的作用。为了保证水力发电系统的可靠性和经济性，优化水轮机调节系统的特性参数和性能，是十分重要的任务。在电子计算机技术日益发展的今天，通过计算机仿真技术设计一套准确、实用、实时性强的监测系统，为水轮机调节系统提供了更准确、更快捷的途径。

【关键词】水轮机调节系统；计算机仿真

随着我国电子产业的迅速发展，人口的增加，我国对于电力资源要求也在加大。在我国电力需求的强力拉动下，我国水轮机制造行业发展迅速。但由于水轮机调速系统对于水电站的整体影响大，所以水轮机调速器在投入使用前都要进行调试。但是常规的调试由于费用过高，时间过长，对调试人员要求高，使得水轮机性能调整不能达到保证。但是随着电子计算机技术的成熟，通过计算机仿真技术设计一套可以对设备进行实时测试并实用可行的设备十分重要。

1.水轮机调节系统仿真模型建立

1.1引水系统

由于水轮机是一个动态元件，在工作时，其内部结构的变化和运动相对于稳定时要复杂很多，所以在进行水力瞬变的计算中，工作人员通常采用水轮机在稳定情况下工作时的综合特性曲线去确定水轮机流和水轮机力矩特性，但是在水轮机稳定状态下的综合特性曲线不包括尾水管和蜗壳不称定工况时水流惯性对水轮机特性曲线的影响。在计算水轮机综合特性曲线时如果引水管道很长，其影响对于整体的综合特性曲线影响不大，所以可以忽略。反之，则要进行一些运算确定其特性曲线而不可忽略。在计算机对水轮机调节系统进行仿真建模时，由于实际的水力发电站中线路复杂，所以在建立模型是必须要对整个水力发电系统中的所有管道通路进行编号，这样可以有效地避免重复而出现的误差，也可以提高整体的工作效率。在对于系统管道进行编号后，由于整体管道过多，同时建立其仿真模型非常麻烦，工作人员通常需要把管道分成若干个网格，网格的边界点作为计算节点，然后在网格内部进行仿真，然后進行最后统一的计算，建立合理的引水系统。

1.2电液随动系统

现代水轮机调速是由电子调节控制器和电液随动系统两部分构成。对于前一部分我国研究的比较深入，技术比较成熟。但对于电液随动系统基本保持原有体制并在此基础上进行一部分优化微调。微调主要分为模拟电调和微处理器电调两种方法。但是这两种方法都是采用电液随动系统。电液随动系统作为水轮机调速的执行部分，是其中不可缺少的重要组成部分。但是由于在水轮机调速系统中工作油液量大，流动路径较长，并且与大气和压缩空气直接接触，使得工作油液内的金属微粒、油泥、纤维等机械杂质较多，并且由于酸碱、水分所引起的油质劣化十分严重，又由于电液随动系统可靠性差，综合所有因素，电液随动系统油孔容易被堵塞，多次工作后断线，强度低等缺点。但是通过电子计算机仿真系统对此进行仿真，可以满足不同情况下的水轮机调节系统，使效果达到最优值。

2.水轮机调节系统仿真算法

2.1引水系统仿真算法

在仿真编程时，引水系统特征线方程与水轮机联立作为一个部分，引水系统采用特征线法求解；水轮机的流盆和力矩可由模型特性曲线上查得。调速器和发电机等部分的徽分方程作为另一部分，并分为存在大扰动和小扰动两种情况考虑。由于存在大扰动时，水轮机参数变化很大，超出其线性范围，因此小扰动模型不适用。为此调速器和发电机采用差分方程的方式建模，采用特征线原理求解。将上述两部分交替求解，即为水轮调节系统动态仿真结果。

2.2电液随动系统的传递函数

将电液随动系统中的步进电机，主接力器作为积分环节，液压缸、主配压阀作为一阶惯性环节。同时记录导叶控制信号的限幅，步进电机输出限幅，步进电机输入信号死区以及液压缸、主配压阀死区等5个主要非线性。并且利用连续系统离散化非线性系统数字仿真，即可得电液随动系统传递函数。

3.仿真系统具备功能

3.1水轮机特性的计算

在求解非线性方程组时，如果没有水轮机流量特性和力矩特性的全特性，就只能在模型综合特性与逸速特性的基础上延长使用，所以在求解非线性方程组时，必须知道水轮机流量特性和力矩特性的全特性。同时将水轮机的特性参数用数组的方式在计算机中储存，需要储存的参数有：导叶开度，机组单位转速，机组单位流量和机组力矩。但是由于实际值与计算机所储存的理想数值存在误差，所以在实际计算出的数值与计算机储存的数值不相等，可以通过拉格朗日公式或者四点插值方法计算求得与单位流量个单位力矩所对应的计算值。

3.2仿真系统步长计算

由于理想情况下和现实情况存在误差，从而导致计算结果不准确，为了减小误差，使计算结果与实际情况更加符合，仿真计算时的步长必须取得足够小，分割的足够精密。步长的确定原则是：仿真系统计算步长的时间必须小于计算机微调调速器的采样时间，这样才能最小的减小误差，同时步长的计算必须在上述条件下同时也满足水击计算的特征方程曲线。当步长计算不能满足水击计算特征方程曲线时，应该在仿真系统中适当的调整波速使得步长满足其条件。

4.水轮调节系统仿真硬件设计

对于水轮机调节系统的仿真，应该从我们的真实情况出发，不能在理想情况下进行仿真实验，否则实验结果很难融入到真正的生产使用。在设计仿真系统的同时应该在实物中加入输入输出模块，以便系统中参数的输入。同时为了方便我们更容易的观察水轮机调节系统的实时性变化，仿真系统应该具备显示功能，并且为了方便我们对参数的调节，确定系统的优先级别，安装可控制的显示屏是最好的选择。

结束语

水轮机调节系统作为水电站中最为重要的环节，其控制性能和可靠性一直是人们十分关注并希望优化的问题。因此在计算机发展迅速的今天，很多学者利用计算机仿真技术研究。在当前看来，通过计算机仿真技术，分别建立模型，列写算法，并根据不同条件对模型算法进行微调，即可得到可靠，准确的结果，大大节省了人力物力，也使其可靠性增加。但随着科技的进步，越来越先进，精确的仿真也被提出来。由此可见，计算机仿真技术因为具有高效，优质，经济的特点，被越来越多的学者青睐，并且在水电能源理论研究和技术开发方面具有很好的前景。

参考文献

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