基于Simulink的水轮机调节系统通用仿真程序的研发

2017-07-31孔昭年许庆进周同旭张晓峰尤永陶熊晓蕾程广蕾王柏柏郭珺瑶

水电站机电技术 2017年6期

关键词：混流式调压井调速器

孔昭年，许庆进，周同旭，张晓峰，尤永陶，熊晓蕾，程广蕾，王柏柏，郭珺瑶

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100044；2.天津电气科学研究院有限公司，天津 300186；3.中国电力工程有限公司，北京 100044）

基于Simulink的水轮机调节系统通用仿真程序的研发

孔昭年1，许庆进2，周同旭2，张晓峰3，尤永陶3，熊晓蕾2，程广蕾2，王柏柏2，郭珺瑶2

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100044；2.天津电气科学研究院有限公司，天津 300186；3.中国电力工程有限公司，北京 100044）

基于Simulin开发了水轮机调节系统通用仿真程序，该程序用特征矩阵描叙水轮机非线性特性；提出了各种类型的水击数学模型；配合水轮机PID调速器开展水轮机自动调节系统动态特性仿真计算研究：自动开机、空载扰动、增负荷调节及甩负荷控制等。

水轮机；调节系统；仿真程序；非线性特性；水击数学模型

在国家能源局“替代调压井的新型调压阀及其控制系统研究与电站示范应用”科技项目的安排下，中国水利水电科学研究院与天津电气科学研究院有限公司合作开发了基于Simulink的水轮机调节系统通用仿真程序，以满足工程建设对水轮机调节系统仿真计算的需求。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中，本研究的总体目标是针对调压阀代替调压井的核心问题展开。水轮机调节系统通用框图如图1所示。

图1 混流式水轮机调节系统原理图

由图1可发现该图的核心是非线性特性的水轮机特性，文献[1]提出了解决此问题的新方法，据此方法我们开发了配套程序。技术核心之一就是研发能真实反映水轮机动态特性、调用方便、能包含水轮机型谱及其他所用常用水轮机特性、数学方法先进、在计算中总体耗时小、利于推广的数据文件。在此文件中包含有纳入水轮机型谱的所有水轮机特性。

水轮机流量和力矩的特性矩阵应在仿真数据准备阶段根据有关数据表求得，对于轴流转桨式水轮机对应每个定桨特性相类似地求取水轮机流量和力矩的特性矩阵；在实时仿真的主程序段，只要已知某一时刻的x11t和at就可很快计算出该时间的单位流量和单位力矩：

软件结构设计时将水轮机流量、力矩特征矩阵的运算求取应放在数据准备阶段进行。根据我们的经验，在确定的实时仿真计算步长时间内，取n=5可获得满意的计算结果，由于式（3）式（4）是参数平面上的连续函数，据此进行的水击计算更可保证不会发生不收敛现象。以一个具体的混流式水轮机展示它的应用。

根据水轮机综合特性曲线，采用相对值法可有图2所示混流式水轮机相对单位力矩及相对单位流量特性，据水轮机单位流量特性参数表和水轮机单位力矩特性参数表；根据此两表及式（1）（2）可计算出该水轮机的流量、力矩的特征矩阵，从而可求水轮机调节系统非线性微分方程式组(1)。

观察图1可以看出水轮机调节系统的另一个重要环节是水电站引水系统的动力学特性，文献[2，3]已将引水系统数学模型的标准化形式加以汇总：

图2 混流式水轮机相对单位力矩及相对单位流量特性

进一步观察图1，该图为水轮机调速器部分，图中取缓冲型调速器，在调速器部分共有5个非线性环节：环节2、5表征调节器、接力器输出控制在0～1.0；环节3表征缓冲回路输出限幅，通常值为-0. 2～0.2；环节1、4是本文提出的水轮机调速器引导阀、主配压阀的非线性，它是典型的饱和型非线性，可进一步分析如下。

通常导叶开启时间与关闭时间相等Tf=Tg，其值通常为4～10 s；定义Ty，水轮机接力器时间常数，其值通常为0.1～0.3 s。定义Ke=Ty/Tf，配压阀的饱和系数，如前述其值通常为0.01～0.05，可见水轮机调速器配压阀的饱和特性是非常严重的。在应用Simulink进行计算分析这种非线性环节已毫无困难。

利用Simulink十分便于计算分析水轮机过渡过程,如：可灵活地增加控制回路即可计算分析转桨式水轮机的过渡过程特性；在图1的基础上水轮机非线性环节增加调压阀回路即可用来计算分析带有调压阀的水轮机调节系统的动态特性。

计算实例完成开发后项目组承担了实际工程