前池水位調節模式下的水輪機調節系統仿真研究

周 中 建

(四川雅安電力(集團)股份有限公司,四川 雅安 625000)

1 前 言

隨著現代計算機技術和微電子技術的迅速發展,水輪發電機組的控制技術也得到了長足的進步。特別是水輪發電機組控制的核心部件之一水輪機調速器,無論是硬件還是控制策略都得到了很大的發展。可靠的硬件結構,靈活的控制策略,方便的控制程序,使得現代水輪機調速器擴展了許多功能。其中,調節前池水位這種新型控制方式已經在少量中小型引水式電站嘗試運行。對于單個帶有前池的引水式電站通常并大網運行,其裝機容量在大電網中所占的比重很小,機組擔任基荷任務。機組按調節前池水位方式運行,能夠有效地利用來水,增加機組的出力,實現電站的經濟運行。但是,在很長的時間內,人們一直把注意力集中在按機組轉速調節或有功功率調節模式運行的水輪機調節系統方面的應用和研究,而對調節水位方式運行的水輪機調節系統的數學模型以及穩定性方面的研究甚少。

2 調節前池水位方式運行的水輪機調節系統控制原理及結構圖[1]

機組在按調節前池水位方式運行時,調節器輸入給定水位,通常是前池的設計水位,也可隨季節流量的變化稍加調整。機組按并大網的情況考慮,頻率與電網一致。該調節系統的速動性要求不高,調速器可采用 PI(比例積分)型。通過水位檢測裝置將前池水位信號反饋給調速器,調速器根據給定值和測量值之間的差值 ,給出操作接力器位移信號,然后接力器改變導葉開度控制水輪機的引用流量。

通常按調節轉速或調節有功功率的方式運行的水輪機調節系統由引水系統、水輪機、發電機、調速器和電網組成。按前池水位調節方式運行的水輪機調節系統,控制對象為前池水位,控制系統的結構與前面二者就大不相同了。圖 1為按前池水位調節方式運行的水輪機調節系統的一般方框圖。

圖1 按調節前池水位方式運行的水輪機調節系統控制原理圖

圖中 Q0——前池的來水流量;

Q1——發電引用流量;

Q2——壓力引水管道進口端流量;

ΔQ——前池來水變化流量;

H ——前池水位;

c0——給定水位;

P ——發電機有功功率。

3 調節系統的數學模型[2]

圖2 水輪機調節系統框圖

水輪機連續調節系統由調節對象和調速器組成,具有并聯 PI調節規律調速器的水輪機調節系統的框圖見圖2。它是一個定值調節系統,c是水位給定信號,q0為前池來水流量擾動信號。

4 調節系統仿真系統圖

水位調節模式下的調節系統的實際輸入量通常是突然的擾動量或是一些突然擾動量的綜合,階躍函數是比較合理的試驗信號。水位調節模式下調節系統的階躍試驗信號根據來源可分為:前池水位和前池來水量擾動。這里,分別進行 5%的前池水位階躍增加擾動和 10%前池來水量階躍增加擾動下調節系統的仿真分析。

采用 Matlab的 Simulink進行調節系統仿真,仿真框圖見圖3。分析中水流慣性時間常數 Tw=0.8s,接力器不動時間 Ty=0.1s。由于水位調節模式下的調節系統的擾動通常為小波動擾動,可以采用線性理想水輪機進行分析,其主要特性參數:參照文獻[3]給出的調節參數整定公式:

圖3 仿真系統示意

選擇 KP=6.4,KI=13.8/s。

前池水位發生 5%和 10%階躍變化時的調節系統仿真結果見圖4、5。

5 仿真結果分析

當擾動信號為 5%水位增加變化時,圖4(a)可以看出,接力器先有導葉關閉過程,隨后導葉逐漸開啟,接力器行程 y最終穩定到初始的穩態值;由圖 4(b)可知,蝸殼進口端水壓 h1在接力器關閉動作時有一正向水壓,很快就開始減小,最后穩定在初始穩定值附近;由圖 4(c)可以看出,機組的出力 mt先有增加,最后穩定在初始出力穩定值附近;由圖 4(d)可以得知,前池的水位 h過程曲線上升較快,超調次數為 1次,最大超調量為 8%,振蕩次數少,過渡時間較短,最終前池水位 h能夠很好地穩定在給定水位值附近。

當擾動信號為 10%來水流量增加時,由圖 5(a)可以看出,接力器行程 y的過渡過程很平緩,接力器動作沒有突變;由圖 5(b)可知,蝸殼進口端水壓 h1在接力器開始動作時有一負向水壓,很快就開始逐漸增加,盡管在穩定階段水壓有微小波動,但對機組的穩定運行影響很小,能夠滿足系統穩定的動態性能要求;由圖 5(c)可以看出,機組的出力 mt上升得很快,能夠很快的穩定,振蕩次數少,沒有較大的波動,機組出力最終穩定在較初始穩定值增加10%附近;由圖 5(d)可以得知,前池的水位 h過程曲線上升較快,超調次數為 1次,最大超調量為12%,振蕩次數少,過渡時間較短,最終前池水位 h能夠很好地穩定在初始給定水位值附近。

可見,對于引水式電站調節前池水位水輪機調節系統可以依照連續調節系統的參數整定公式選取調節參數 Kp,KI,能夠較好地滿足調節系統的動態性能要求。

圖4 前池水位發生 5%階躍變化時的調節系統仿真結果

圖5 前池水位發生10%階躍變化時的調節系統仿真結果

[1]常黎,梁年生,金和平 .引水式水電站前池水位及有功負荷最優分配的綜合控制[J].水電能源科學,1994(1):50-57.

[2]邵文權,南海鵬,王濤.引水式電站恒前池水位控制系統的穩定分析[J].大電機技術,2005(1):67-71.

[3]南海鵬,邵文權,羅興锜.水位調節模式下水輪機調節系統調節參數最優配置[J].水力發電學報,2005(5):112-117.