微機步進式水輪機調速器建模及其控制參數影響

尚欣欣

【摘要】水輪機調速器是維持機組的穩定運行及保持電能質量的以水輪發電機組作為控制對象的閉環控制系統。本文僅對采用微機式步進電機的水輪機調速器進行建模，通過在開度模式和功率模式下的仿真模型試驗，研究了比例增益、積分增益和微分增益對機組調節穩定性影響。【關鍵詞】水輪機調速器；穩定性；控制模式；建模1、前言在水電機組的電力生產過程中，水輪機調節系統對于機組的電能質量和穩定運行起到舉足輕重的作用。該系統是由水輪機調速器作為系統控制器、水輪發電機組作為控制對象而共同組成的閉環控制系統，是一個水、機、電相互影響、相互制約的復雜非線性控制系統。它的基本任務是根據電網頻率的變化實時調節機組有功功率的輸出，并維持機組轉速在規定范圍內，從而控制電網頻率的穩定。在水輪機調速器的控制下，當水輪發電機組發生諸如起動、突增負荷、突減負荷、甩負荷、工作模式的轉換等過渡過程中，均可引起機組轉速（頻率）、引水系統壓力等各狀態的波動，甚至使系統失去穩定性。因此有必要研究不同型式調速器及其控制參數對穩定性影響，本文以微機步進電機水輪機調速器為例進行建模分析。2、調速器的建模WBDT—100微機步進式水輪機調節系統由數字控制環節和液壓執行機構組成。該型調節系統數字控制環節采用并聯PID控制，具備按頻率給定調節、按功率給定調節、導葉開度限制、網頻跟蹤控制、故障處理和常規開停機功能。水輪機調節系統數字控制部分模型框圖如圖1所示。圖1中，F為頻率偏差信號，YPID為調節器輸出信號，亦為步進電機的輸入信號，模型中比例和積分環節的頻率偏差輸入為死區后的頻率偏差，微分環節頻率偏差輸入信號不經過死區環節。調節系統機械液壓部分主要有：步進電機、機械連桿、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套機械分段關閉裝置。水輪機調節系統的液壓系統為數字控制環節的執行機構，由綜合放大、電液轉換、配壓閥及接力器等環節構成。電液轉換裝置為步進電機，其位移輸出與接力器機械硬反饋作比較后通過配壓閥驅動接力器，達到控制機組導葉開度的目的。3、調速系統相關參數對調節過程的影響3.1 比例增益的影響機組帶100MW負荷，在10s末受到10%功率階躍擾動；設置調速器永態轉差系數（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；設置機組慣性時間常數（Ta）等于9.484、自調節系數（en）等于0.1；通過改變機組功率給定值，記錄接力器行程、仿真頻率和蝸殼壓力的響應情況；

為了對比分析功率階躍（△P）中比例增益對調速器運行性能的影響，選擇響應過程中的仿真頻率最大波動幅值（△f）、功率開始階躍到仿真頻率峰值的時間（T1）和到穩定的時間（T2）三個參數作為對比的依據。表1所示為這三個參數的統計情況。隨著比例增益設置值由小變大，仿真頻率最大波動幅值（△f）呈現減小趨勢，到達仿真頻率峰值時間（T1）呈現縮短趨勢，穩定的時間（T2）呈現擴大趨勢。3.2 積分增益的影響機組并網運行，帶100MW負荷，在10s末受到10%功率階躍擾動；設置調速器永態轉差系數（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；設置機組慣性時間常數（Ta）等于9.484、自調節系數（en）等于0.1；通過改變機組功率給定值，記錄接力器行程、仿真頻率和蝸殼壓力的響應情況。為了對比分析功率階躍（△P）中比例增益對調速器運行性能的影響，選擇響應過程中的仿真頻率最大波動幅值（△f）、功率開始階躍到仿真頻率峰值的時間（T1）和到穩定的時間（T2）三個參數作為對比的依據。隨著積分增益設置值由小變大，仿真頻率最大波動幅值（△f）呈現減小趨勢，到達仿真頻率峰值時間（T1）呈現縮短趨勢，穩定的時間（T2）呈現擴大趨勢。3.3 微分增益的影響機組并網運行，帶100MW負荷，在10s末受到10%功率階躍擾動；設置調速器永態轉差系數（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；設置機組慣性時間常數（Ta）等于9.484、自調節系數（en）等于0.1；通過改變機組功率給定值，記錄接力器行程、仿真頻率和蝸殼壓力的響應情況。為了對比分析功率階躍（△P）中比例增益對調速器運行性能的影響，選擇響應過程中的仿真頻率最大波動幅值（△f）、功率開始階躍到仿真頻率峰值的時間（T1）和到穩定的時間（T2）三個參數作為對比的依據。隨著微分增益設置值由小變大，仿真頻率最大波動幅值（△f）呈現減小趨勢，到達仿真頻率峰值時間（T1）呈現縮短趨勢，穩定的時間（T2）呈現擴大趨勢。結果如表1所示。4、結語本文通過對微機步進電機水輪機調速系統的建模，在功率模式下，給予階躍信號，改變其控制參數得到以下結論：（1）比例增益設置值由小變大，仿真頻率最大波動幅值（△f）呈現減小趨勢，穩定的時間（T2）呈現擴大趨勢。（2）積分增益設置值由小變大，仿真頻率最大波動幅值（△f）呈現減小趨勢，穩定的時間（T2）呈現擴大趨勢。（3）微分增益設置值由小變大，仿真頻率最大波動幅值（△f）呈現減小趨勢，穩定的時間（T2）呈現擴大趨勢。