基于Matlab的DEH控制系統動態仿真與分析

王超 陳申乾 姬海剛 任建興

摘要：針對火力發電廠汽輪機數字電液控制系統在Matlab/Simulink環境下進行動態建模與仿真，并根據不

同的仿真模型對DEH的動態特性進行研究，即分別從控制方式和時間參數著手進行仿真模擬，從而對實際

運行中的機組進行參數整定，減小現場的調試次數。

關鍵詞：數字電液控制系統（DEH）；Matlab/Simulink；動態仿真

隨著高參數、大容量、中間再熱機組的廣泛投運，需要進一步提高中間再熱機組的動態

特性指標和抗干擾能力來滿足電網調頻的需要。與此同時，計算機仿真技術的快速發展，使得其對火電廠汽輪機數字電液控制系統進行性能仿真成為其研究的重要手段，通過該仿真技術對中間再熱機組及DEH 系統進行研究和各種控制方案的驗證，整定出最優控制參數， 從而大大減少現場調試的次數[1]。

Simulink是MATLAB實現系統建模、動態仿真和綜合分析的一個集成環境，體現了組建模塊和系統仿真的基本思想[2]。本文通過采用Matlab/Simulink對DEH進行建模與仿真，討論串級，單級等不同控制方式和其時間參數對動態特性的影響，從而對汽輪機的動態特性做出進一步的研究。

一、DEH動態建模

圖1 基于Simulink的DEH仿真模型

機組的仿真是在理想的情況下運行的。該系統采用復合串級PI調節方式。依據主副回路設計原則，把功率回路作為主回路，采用PI調節器，把壓力回路作為副回路，并對擾動作出快速的反應。當系統受到擾動時， 調節級汽室壓力先變化，通過副回路使系統對擾動做出快速響應； 而發電機功率的變化同時受中間再熱容積和自身慣性的影響， 其響應較慢。雖然通過主回路不能對系統受到的擾動作出快速響應， 但可以保證其功率輸出值嚴格等于給定值，提高調節的精度[3]。

系統中為轉速給定值，為功率給定值，為負荷外擾，為蒸汽內擾，為轉速輸出。系統的速度變動率為0.04，轉速給定值為1-5V，功率給定為1-5V。機組甩額定負荷時，則可以視為輸入一階躍外擾動，傳遞函數為。仿真模型各環節時間常數以及反饋放大系數的選定，根據主副回路的設計原則，采用自動調節逐步逼近法和反復試驗的手動調整方法，設定反饋回路的放大系數均為1，各個環節的時間常數如表1所示[4]。

表1 DEH各環節時間常數

項目 電液轉換閥 油動機 高壓缸調節容積 中間再熱環節 機組轉子

時間常數 0.06 0.15 0.3 8.0 6.0

其對應函數為[5]：

電液轉換閥：

油動機：

高壓缸調節容積：

中間再熱環節：

機組轉子：

二、不同控制方式對動態特性的影響

系統由內回路、中間回路、外回路串級組成，其中內回路為調節級壓力回路，中間回路為功率回路，外回路為轉速一次調頻回路。調節級壓力與功率回路和一次調頻回路一起共同組成功率一頻率調節系統。汽輪機組并網前，只存在轉速控制，且轉速控制器為PI控制器。該PI控制器接收汽輪機的目標轉速與實際轉速的偏差信號，經運算處理為調節閥門的開度信號，此信號經過電/液轉換器的轉換及放大后，使油動機動作來控制調節閥門的開度，從而通過汽輪機的進汽量來實現對轉速的控制[6]。

表2 DEH 的PI調節器的參數

串級PI 單級PI1 單級PI2

三種不同的仿真圖形如下圖2所示：

圖2 理想情況下三種不同控制方式的仿真圖形

從圖中可以看出串級PI調節圖形相對平滑，因此具有較好的動態品質。串級PI1轉速飛升最好，缺乏控制系統的快速性。串級PI2控制系統曲線波動大，動態特性也很差，原因在于它的反饋信號是第一級的壓力信號，比轉速變化快，因而容易出現過調現象。而串級PI內回路促進了調節過程的快速性，外回路則保證了輸出值嚴格等于給定值。PI調節中的比例環節對調節偏差信號迅速放大；積分環節保證消除系統的靜差，是一種無差控制系統[7]。

三、各環節時間參數的變化對動態品質的影響

采用同樣的仿真方法，分別改變以下各環節的時間參數，來討論其對動態品質的影響。

（一）、油動機時間常數變化

當油動機時間數分別控制在、、時，仿真后可以看出，油動機時間常數越大，轉速過渡過程震蕩越大，過渡時間越長，動態品質越差。

（二）、中間再熱環節時間常數

當中間再熱環節時間常數分別控制在、、時，仿真后可以看出，中間再熱環節時間常數越大，過渡的時間就越長，控制品質就越差。

（三）、高壓缸調節汽室容積時間常數

當高壓缸調節汽室容積時間常數分別控制在、、時，仿真后可以看出，時間常數越大，控制過程的動態偏差越大，系統動態品質越差。

（四）、轉子飛升時間常數

當不同轉子飛升時間常數分別控制在、、時，仿真后可以看出，轉子的飛升時間越小，轉子的最大飛升轉速越高，而且過渡過程的振蕩將加劇。

（五）、不同速度變動率

當速度變動率分別控制在、、時，，仿真后可以看出，隨著轉速不等率的增大，控制速度變快，但是動態偏差也越大，當機組參數變化太大時，對縮短機組的壽命。因此，速度變動率應在合理的范圍內。

四、結語

本文提出了一種利用Matlab/Simulink軟件實現對汽輪機數字電液控制系統的動態仿真，分析了不同控制方式和時間參數對其動態特性的影響。其中串級PI控制調節方式具有很好的動態品質，PI調節過程中的比例與積分環節的聯合作用實現了對其無差控制。而對時間參數的控制中，油動機時間常數Tc，中間再熱時間常數TR，調節氣室容積時間常數Tp越小，動態品質越好，然而轉子飛升時間常數Ta越小，震蕩過程加劇，動態品質變差，同時速度變動率應該控制在合理的范圍內，這樣才能保證良好的動態特性。這種通過內外回路參數的整定與仿真，可以選出最優控制參數，從而大大減少現場調試次數，對具有中間再熱機組及DEH的仿真研究具有重要意義。

參考文獻

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[2]張志涌，楊志櫻.MATLAB教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011：257-258

[3]張學超， 姚群.DEH系統負荷控制功能仿真研究[J].熱力透平.2009，38（3）：197-198

[4]王慧星；小網工況汽輪機數字電液伺服控制的研究[D]；上海交通大學；2011

[5]王素鳳.汽輪機電液位置伺服系統的設計與仿真[J].機床與液壓.2010，38（9）：106-107

[6]時獻江，王渝，邵俊鵬.工業汽輪機調節系統動態特性的數學模型及仿真[J].汽輪機技術.2005，47（2）：99-100

[7]阮大偉.大型火電機組汽輪機數字式電液控制系統[J].熱力發電，2001（5）：52-54