前池水位调节模式下的水轮机调节系统仿真研究

2010-04-23周中建

水电站设计 2010年1期

周中建

(四川雅安电力(集团)股份有限公司,四川雅安 625000)

1 前言

随着现代计算机技术和微电子技术的迅速发展,水轮发电机组的控制技术也得到了长足的进步。特别是水轮发电机组控制的核心部件之一水轮机调速器,无论是硬件还是控制策略都得到了很大的发展。可靠的硬件结构,灵活的控制策略,方便的控制程序,使得现代水轮机调速器扩展了许多功能。其中,调节前池水位这种新型控制方式已经在少量中小型引水式电站尝试运行。对于单个带有前池的引水式电站通常并大网运行,其装机容量在大电网中所占的比重很小,机组担任基荷任务。机组按调节前池水位方式运行,能够有效地利用来水,增加机组的出力,实现电站的经济运行。但是,在很长的时间内,人们一直把注意力集中在按机组转速调节或有功功率调节模式运行的水轮机调节系统方面的应用和研究,而对调节水位方式运行的水轮机调节系统的数学模型以及稳定性方面的研究甚少。

2 调节前池水位方式运行的水轮机调节系统控制原理及结构图[1]

机组在按调节前池水位方式运行时,调节器输入给定水位,通常是前池的设计水位,也可随季节流量的变化稍加调整。机组按并大网的情况考虑,频率与电网一致。该调节系统的速动性要求不高,调速器可采用 PI(比例积分)型。通过水位检测装置将前池水位信号反馈给调速器,调速器根据给定值和测量值之间的差值 ,给出操作接力器位移信号,然后接力器改变导叶开度控制水轮机的引用流量。

通常按调节转速或调节有功功率的方式运行的水轮机调节系统由引水系统、水轮机、发电机、调速器和电网组成。按前池水位调节方式运行的水轮机调节系统,控制对象为前池水位,控制系统的结构与前面二者就大不相同了。图 1为按前池水位调节方式运行的水轮机调节系统的一般方框图。

图1 按调节前池水位方式运行的水轮机调节系统控制原理图

图中 Q0——前池的来水流量;

Q1——发电引用流量;

Q2——压力引水管道进口端流量;

ΔQ——前池来水变化流量;

H ——前池水位;

c0——给定水位;

P ——发电机有功功率。

3 调节系统的数学模型[2]

图2 水轮机调节系统框图

水轮机连续调节系统由调节对象和调速器组成,具有并联 PI调节规律调速器的水轮机调节系统的框图见图2。它是一个定值调节系统,c是水位给定信号,q0为前池来水流量扰动信号。

4 调节系统仿真系统图

水位调节模式下的调节系统的实际输入量通常是突然的扰动量或是一些突然扰动量的综合,阶跃函数是比较合理的试验信号。水位调节模式下调节系统的阶跃试验信号根据来源可分为:前池水位和前池来水量扰动。这里,分别进行 5%的前池水位阶跃增加扰动和 10%前池来水量阶跃增加扰动下调节系统的仿真分析。

采用 Matlab的 Simulink进行调节系统仿真,仿真框图见图3。分析中水流惯性时间常数 Tw=0.8s,接力器不动时间 Ty=0.1s。由于水位调节模式下的调节系统的扰动通常为小波动扰动,可以采用线性理想水轮机进行分析,其主要特性参数:参照文献[3]给出的调节参数整定公式:

图3 仿真系统示意

选择 KP=6.4,KI=13.8/s。

前池水位发生 5%和 10%阶跃变化时的调节系统仿真结果见图4、5。

5 仿真结果分析

当扰动信号为 5%水位增加变化时,图4(a)可以看出,接力器先有导叶关闭过程,随后导叶逐渐开启,接力器行程 y最终稳定到初始的稳态值;由图 4(b)可知,蜗壳进口端水压 h1在接力器关闭动作时有一正向水压,很快就开始减小,最后稳定在初始稳定值附近;由图 4(c)可以看出,机组的出力 mt先有增加,最后稳定在初始出力稳定值附近;由图 4(d)可以得知,前池的水位 h过程曲线上升较快,超调次数为 1次,最大超调量为 8%,振荡次数少,过渡时间较短,最终前池水位 h能够很好地稳定在给定水位值附近。

当扰动信号为 10%来水流量增加时,由图 5(a)可以看出,接力器行程 y的过渡过程很平缓,接力器动作没有突变;由图 5(b)可知,蜗壳进口端水压 h1在接力器开始动作时有一负向水压,很快就开始逐渐增加,尽管在稳定阶段水压有微小波动,但对机组的稳定运行影响很小,能够满足系统稳定的动态性能要求;由图 5(c)可以看出,机组的出力 mt上升得很快,能够很快的稳定,振荡次数少,没有较大的波动,机组出力最终稳定在较初始稳定值增加10%附近;由图 5(d)可以得知,前池的水位 h过程曲线上升较快,超调次数为 1次,最大超调量为12%,振荡次数少,过渡时间较短,最终前池水位 h能够很好地稳定在初始给定水位值附近。

可见,对于引水式电站调节前池水位水轮机调节系统可以依照连续调节系统的参数整定公式选取调节参数 Kp,KI,能够较好地满足调节系统的动态性能要求。