200MW水轮电动机调速系统设计

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摘 要： 本文介绍通过水轮机调速系统在水轮机运行过程中的作用。在运用matlab仿真的基础上，通过观察示波器波形分析得到最接近现实的试验方法。

关键词： 调速系统； 仿真； matlab

中图分类号： TK730.41 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）（11-12）-0030-01

水力发电在当今国家能源上的地位越来越重要，调速系统在水轮机更是起着枢纽的作用。调速系统的设计有三种基本方法：一种是采用PI调节器；第二种是采用PID调节器；第三种是采用改进型PID调节器。改进型PID比其他两种调节器响应时间短，动态效果影响小、误差面积小。本文介绍采用改进型PID调节器调节水轮机的方法。

1 PID控制图

一般情况下，水轮机效率η以及水的比重γ可认为固定不变，水头H的改变不仅在技术处理上比较困难而且不经济，因此，控制水轮机的转速或出力，合理而可行的办法是改变进入水轮机的流量Q。水轮机调节的基本途径就是利用调速器控制水轮导叶的开度以改变进入水轮机的流量。由于负荷是不断变化的，因而水轮机调节也要不断进行，为此大多数电站都装有能自动进行水轮机调节的调速器。水轮机调速器是调节系统中的主要环节，其分类方法有多种，从不同的角度分类有如下几种：（1）按元件结构的不同，调速器可分为机械液压型和电气液压型以及微机调速型；（2）按调节规律可分为PI和PID调速器等；（3）按反馈的位置，可分为辅助接力器型、中间接力器型和电子调节器型；（4）按执行机构的数目可分为单调节和双调节调速器；（5）按调速器的工作容量，调速器可分为大、中、小型。主配压阀直径在 80mm，以上的称为大型调速器，功率在 10000-30000Nm 之间的称为中型调速器，功率在10000Nm 及以下的称为小型调速器。

PID算法分为位置式和增量式两种。位置算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值，容易产生较大的积累误差，同时，因为调节器输出的是对象调节机构的位置值，当计算机发生电源消失故障时，将会产生不必要的错误动作，导致调节系统严重的事故，为此，必须考虑电源消失保护措施。而增量型数字PID调节器输出的是对象调节结构的变化量，增量算法只计算增量，计算误差或精度不足对控制量的影响较小，故控制效果更好，应用比较广泛[1]。

2 电路设计

2.1 水轮机调速系统框图

水轮机调速器的各个环节，包括转速测量单元，放大单元，执行单元，调差单元，软反馈单元等，可用相应的传递函数来进行模拟。例如，机械调速器中，放大单元由配压阀组成，在忽略配压阀惯性时，可看成一比例环节。执行单元一般由配压阀和接力器组成，按工作原理是一个积分环节，因为它只有在输入为零时，输出才能稳定，所以接力器行程的传递函数为：Ls=■

式中：Kσ，Tσ接力器增益和接力器时间常数。

2.2 水轮调速器的数学模型

水轮机是以一定压力的水为工质的叶轮式发动机。水轮机模型描写的是水轮机导水叶开度μ和输出机械功率Pm之间的动态关系。电力系统分析中均采用简化的水轮机及其引水管道动态模型， 通常只考虑引水管道由于水流惯性引起的水锤效应（又称“水击”）。水锤效应可简述如下：稳态运行时，引水管道中各点的流速一定， 管道中各点的水压也一定；当导水叶开度μ突然变化时，引水管道各点的水压将发生变化，从而输入水轮机的机械功率Pm也相应变化；在导水叶突然开大时，会引起流量增大的趋势，反而使水压减小，水轮机瞬时功率不是增大而是突然减小一下，然后再增加，反之亦然。这一现象称为水锤现象，或水击[2]。

引水管道的水击是导致水轮机系统动态特性恶化的重要因素。若忽略引水管道的弹性，则刚性引水管道水锤效应（又称“刚性水击”）的数学表达式为：h=-Tw■

式中，L为引水管道长度；Hr为上、下游水位差；g为重力加速度；Tw单位为s。式的负号反映了当水流量突增时，水头的瞬时减少，即水锤效应。

2.3 水轮调速器的数学模型

考虑到配压阀行程和导水叶开度的限制，以及调速器机械部分干摩擦和间隙存在，而有一定的调节失灵区，则水轮机离心飞摆式机械调速器的传递函数框图。对传递函数框图的另一种形式是将测速放大环节K移入反馈环节相应的闭环内部，并定义静调差系数和软反馈系数。稳态时=0，σ=0，从而有：ωref-ω=δi μ

由水轮机传递函数Pm=■μ可知，稳态时：Pm=μ，从而可知，δi即为稳态功频特性的斜率，此即静调差系数δi的物理意义，也反映了硬反馈在一次调频中的作用。

3 matlab仿真

Matlab 仿真，包括200mw原动机，电压采集模块、负载、变压器、无穷大系统、故障系统、调速模块、原动机数据采集分析模块。水轮机调速器常用的参数为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为机组惯性时间常数。运用此参数调节方法，对水轮机调速器加以调试，最后得到实验结果想要的波形，以下通过波形的对比分析出水轮调速器在电力系统运行过程中的作用。本次仿真通过接调速系统与不接调速系统相比较，不接调速系统的时，将原动机Pm输入端接入常量1，在10秒是设置故障持续0.2秒，通过与常量的对比从波形看出接有调速系统的不同波形变化，从而能得出调速系统在电力系统运行中的作用[3]。

4 结论

上述测量电路及方法实测结果：根据matlab仿真得到波形图显示：在装设调速系统电路输出的转速很快稳定，原动机在正常运行过程中震荡的幅度和频率有所减小，当故障后能迅速恢复正常。

参考文献：

[1]吴国瑜.电力系统仿真[M].北京：水利电力出版社，1985.15-18.

[2]杨德先.原动机调速系统动态仿真技术研究[J].中国机械工程，1998，9（2）：12-14.

[3]冯垛生.交流调速系统[M].北京：电子工业出版社，2008.78-89.