200mw水輪電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　200MW水輪電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘 要： 本文介紹通過水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在水輪機(jī)運(yùn)行過程中的作用。在運(yùn)用matlab仿真的基礎(chǔ)上，通過觀察示波器波形分析得到最接近現(xiàn)實(shí)的試驗(yàn)方法。 </p><p>　　關(guān)鍵詞： 調(diào)速系統(tǒng)； 仿真； matlab </p><p>　　中圖分類號(hào)： TK730.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：

2、 1009-8631（2012）（11-12）-0030-01 </p><p>　　水力發(fā)電在當(dāng)今國(guó)家能源上的地位越來越重要，調(diào)速系統(tǒng)在水輪機(jī)更是起著樞紐的作用。調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有三種基本方法：一種是采用PI調(diào)節(jié)器；第二種是采用PID調(diào)節(jié)器；第三種是采用改進(jìn)型PID調(diào)節(jié)器。改進(jìn)型PID比其他兩種調(diào)節(jié)器響應(yīng)時(shí)間短，動(dòng)態(tài)效果影響小、誤差面積小。本文介紹采用改進(jìn)型PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)水輪機(jī)的方法。 </p>

3、<p><b>　　1 PID控制圖 </b></p><p>　　一般情況下，水輪機(jī)效率η以及水的比重γ可認(rèn)為固定不變，水頭H的改變不僅在技術(shù)處理上比較困難而且不經(jīng)濟(jì)，因此，控制水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速或出力，合理而可行的辦法是改變進(jìn)入水輪機(jī)的流量Q。水輪機(jī)調(diào)節(jié)的基本途徑就是利用調(diào)速器控制水輪導(dǎo)葉的開度以改變進(jìn)入水輪機(jī)的流量。由于負(fù)荷是不斷變化的，因而水輪機(jī)調(diào)節(jié)也要不斷進(jìn)行，為此大多數(shù)電站都

4、裝有能自動(dòng)進(jìn)行水輪機(jī)調(diào)節(jié)的調(diào)速器。水輪機(jī)調(diào)速器是調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的主要環(huán)節(jié)，其分類方法有多種，從不同的角度分類有如下幾種：（1）按元件結(jié)構(gòu)的不同，調(diào)速器可分為機(jī)械液壓型和電氣液壓型以及微機(jī)調(diào)速型；（2）按調(diào)節(jié)規(guī)律可分為PI和PID調(diào)速器等；（3）按反饋的位置，可分為輔助接力器型、中間接力器型和電子調(diào)節(jié)器型；（4）按執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)目可分為單調(diào)節(jié)和雙調(diào)節(jié)調(diào)速器；（5）按調(diào)速器的工作容量，調(diào)速器可分為大、中、小型。主配壓閥直徑在 80mm，以上的稱為

5、大型調(diào)速器，功率在 10000-30000Nm 之間的稱為中型調(diào)速器，功率在10000Nm 及以下的稱為小型調(diào)速器。 </p><p>　　PID算法分為位置式和增量式兩種。位置算法每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中要用到過去誤差的累加值，容易產(chǎn)生較大的積累誤差，同時(shí)，因?yàn)檎{(diào)節(jié)器輸出的是對(duì)象調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位置值，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生電源消失故障時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生不必要的錯(cuò)誤動(dòng)作，導(dǎo)致調(diào)節(jié)系統(tǒng)嚴(yán)重的事故，為此，必須考慮電源消失保護(hù)

6、措施。而增量型數(shù)字PID調(diào)節(jié)器輸出的是對(duì)象調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的變化量，增量算法只計(jì)算增量，計(jì)算誤差或精度不足對(duì)控制量的影響較小，故控制效果更好，應(yīng)用比較廣泛[1]。 </p><p><b>　　2 電路設(shè)計(jì) </b></p><p>　　2.1 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖 </p><p>　　水輪機(jī)調(diào)速器的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括轉(zhuǎn)速測(cè)量單元，放大單元，執(zhí)行單元，調(diào)差

7、單元，軟反饋單元等，可用相應(yīng)的傳遞函數(shù)來進(jìn)行模擬。例如，機(jī)械調(diào)速器中，放大單元由配壓閥組成，在忽略配壓閥慣性時(shí)，可看成一比例環(huán)節(jié)。執(zhí)行單元一般由配壓閥和接力器組成，按工作原理是一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因?yàn)樗挥性谳斎霝榱銜r(shí)，輸出才能穩(wěn)定，所以接力器行程的傳遞函數(shù)為：Ls=■ </p><p>　　式中：Kσ，Tσ接力器增益和接力器時(shí)間常數(shù)。 </p><p>　　2.2 水輪調(diào)速器的數(shù)學(xué)模型 <

8、;/p><p>　　水輪機(jī)是以一定壓力的水為工質(zhì)的葉輪式發(fā)動(dòng)機(jī)。水輪機(jī)模型描寫的是水輪機(jī)導(dǎo)水葉開度μ和輸出機(jī)械功率Pm之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。電力系統(tǒng)分析中均采用簡(jiǎn)化的水輪機(jī)及其引水管道動(dòng)態(tài)模型， 通常只考慮引水管道由于水流慣性引起的水錘效應(yīng)（又稱“水擊”）。水錘效應(yīng)可簡(jiǎn)述如下：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，引水管道中各點(diǎn)的流速一定， 管道中各點(diǎn)的水壓也一定；當(dāng)導(dǎo)水葉開度μ突然變化時(shí)，引水管道各點(diǎn)的水壓將發(fā)生變化，從而輸入水輪機(jī)的機(jī)械功率Pm

9、也相應(yīng)變化；在導(dǎo)水葉突然開大時(shí)，會(huì)引起流量增大的趨勢(shì)，反而使水壓減小，水輪機(jī)瞬時(shí)功率不是增大而是突然減小一下，然后再增加，反之亦然。這一現(xiàn)象稱為水錘現(xiàn)象，或水擊[2]。 </p><p>　　引水管道的水擊是導(dǎo)致水輪機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性惡化的重要因素。若忽略引水管道的彈性，則剛性引水管道水錘效應(yīng)（又稱“剛性水擊”）的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：h=-Tw■ </p><p>　　式中，L為引水管道長(zhǎng)度；Hr為

10、上、下游水位差；g為重力加速度；Tw單位為s。式的負(fù)號(hào)反映了當(dāng)水流量突增時(shí)，水頭的瞬時(shí)減少，即水錘效應(yīng)。 </p><p>　　2.3 水輪調(diào)速器的數(shù)學(xué)模型 </p><p>　　考慮到配壓閥行程和導(dǎo)水葉開度的限制，以及調(diào)速器機(jī)械部分干摩擦和間隙存在，而有一定的調(diào)節(jié)失靈區(qū)，則水輪機(jī)離心飛擺式機(jī)械調(diào)速器的傳遞函數(shù)框圖。對(duì)傳遞函數(shù)框圖的另一種形式是將測(cè)速放大環(huán)節(jié)K移入反饋環(huán)節(jié)相應(yīng)的閉環(huán)內(nèi)部，并

11、定義靜調(diào)差系數(shù)和軟反饋系數(shù)。穩(wěn)態(tài)時(shí)=0，σ=0，從而有：ωref-ω=δi μ </p><p>　　由水輪機(jī)傳遞函數(shù)Pm=■μ可知，穩(wěn)態(tài)時(shí)：Pm=μ，從而可知，δi即為穩(wěn)態(tài)功頻特性的斜率，此即靜調(diào)差系數(shù)δi的物理意義，也反映了硬反饋在一次調(diào)頻中的作用。 </p><p>　　3 matlab仿真 </p><p>　　Matlab 仿真，包括200MW原動(dòng)機(jī)，電壓

12、采集模塊、負(fù)載、變壓器、無(wú)窮大系統(tǒng)、故障系統(tǒng)、調(diào)速模塊、原動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集分析模塊。水輪機(jī)調(diào)速器常用的參數(shù)為K=10～20，ε=0.1%～0.7%，δi=0.03～0.06，β=0～0.6，TS=4～7s，Ti=2.5～15s，H為機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)。運(yùn)用此參數(shù)調(diào)節(jié)方法，對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器加以調(diào)試，最后得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果想要的波形，以下通過波形的對(duì)比分析出水輪調(diào)速器在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的作用。本次仿真通過接調(diào)速系統(tǒng)與不接調(diào)速系統(tǒng)相比較，不接調(diào)速系統(tǒng)的時(shí)

13、，將原動(dòng)機(jī)Pm輸入端接入常量1，在10秒是設(shè)置故障持續(xù)0.2秒，通過與常量的對(duì)比從波形看出接有調(diào)速系統(tǒng)的不同波形變化，從而能得出調(diào)速系統(tǒng)在電力系統(tǒng)運(yùn)行中的作用[3]。 </p><p><b>　　4 結(jié)論 </b></p><p>　　上述測(cè)量電路及方法實(shí)測(cè)結(jié)果：根據(jù)matlab仿真得到波形圖顯示：在裝設(shè)調(diào)速系統(tǒng)電路輸出的轉(zhuǎn)速很快穩(wěn)定，原動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行過程中震蕩的幅

14、度和頻率有所減小，當(dāng)故障后能迅速恢復(fù)正常。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]吳國(guó)瑜.電力系統(tǒng)仿真[M].北京：水利電力出版社，1985.15-18. </p><p>　　[2]楊德先.原動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，1998，9（2）：12-14. </p>&l