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1、华中科技大学 硕士学位论文 水轮机调速系统非线性建模研究与算法实现 姓名：杜思存 申请学位级别：硕士 专业：水利水电工程 指导教师：周建中 20070614 I 摘 要 水轮机调速器的性能决定着电力生产的质量和水电厂运行安全，并对水电厂的经 济效益有重要的影响，因此水电厂和调速器生产厂商都非常重视调速器的性能测试和 鉴定。由于对水轮机调速器测试设备性能要求的不断提高，开发新一代的仿真测试设 备拥有广泛的应用前景，研究更为全面、高精度的调速系统仿真模型和快速、稳定的 仿真算法具有十分重要的理论与工程意义。 本文借鉴水轮机调速系统仿真测试行业的研究成果和经验，结合仿真测试的发展 趋势，研究并实现了
2、一种适合实时仿真测试并具有较高仿真精度的水轮机调速系统非 线性模型，并在综合考虑实时仿真测试需求的基础上，采用按环节离散仿真算法对模 型进行求解。经工程实用验证，模型有较高的仿真精度；算法稳定性好，速度快，符 合仿真测试需要。论文研究的主要工作总结如下： （1）介绍了课题的背景、目的和意义，探讨了水轮机调速器仿真测试仪的发展现 状和不足，详细讨论了水轮机调速系统仿真建模的技术要点和建模策略。 （2） 研究了水轮机调速器的仿真模型， 构建了双调节机组调速器的协联关系模型。 （3）论述了水轮机过流系统仿真模型，并给出了高阶弹性水击模型在仿真实现中 的处理方法，讨论了发电机和负载的模型，对机组惯性时
3、间常数在仿真测试中的简化 处理进行了修正并给出比较。 （4）在分析了水轮机组线性和非线性模型仿真方法的基础上，给出了非线性模型 迭代收敛的若干建议，并通过线性模型和非线性模型的效果对比，对两者的异同进行 了理论分析。 （5）引入了按环节离散仿真算法并成功应用于工程中，对算法程序的编写采用模 块化处理，提高了计算速度，方便了代码的复用，并节约DSP的存储空间。 （6）设计并实现了现场仿真测试的功能，并通过现场数据对仿真模型精度进行了 测试。 关键词：水轮机调速器，非线性模型，仿真，按环节离散仿真算法 II ABSTRACT The function of governor of hydrauli
4、c turbine plays a significant role in the quality of electricity and security in the operation of the hydraulic plants. Therefore, both the hydraulic plants and the manufacturers of the governor attach great importance to its functional test and evaluation. Because of an increasing demand of the tes
5、ting equipment, the development of a new testing and simulation testing equipment is very important and has a promising future. Developing a more comprehensive and sophisticated operating simulation model and working out a stable algorithm have fundamental theoretical and engineering significance. T
6、his thesis is based on the research and experience in the field of hydraulic governing simulation. it develops and explores a non-linear model of hydraulic turbine governing system with comparatively simulation precision which is suitable for on-line testing. In addition, on the basis of considering
7、 the requirements of online simulation testing, it attempts to give a solution to this model by using a discrete analog simulation algorithm. The model has a relatively high simulation precision and the effects have been proved by experiments. The research of this thesis is summarized as follows: 1)
8、 It describes the background, purpose and significance of this subject and explores present state and deficiencies of hydraulic simulation testing system and discusses the major technological points and strategies of establishing models in great detail. 2) It builds the model of the dual controlled
9、governor for hydraulic turbine, at the basis of a deep analysis of the governor. 3) It discusses simulation model of the penstock system and the model of generator and electricity net. It modifies inertia time constant and makes a comparison. 4) It researches the simulation approaches to the linear
10、and non-linear models, analyzing the convergence property of the non-linear model simulation, comparing the effects of the non-linear models and gives a theoretic analysis of their similarity and differences. 5) It employs discrete analog simulation algorithm, which is successfully be applied in the
11、 project. 6）It introduces the functional design and applications of different working conditions, of the on-the-spot simulation testing, and also of a precision of simulation by using its statistics. Keywords: Hydraulic governor, Non-linear model, Simulation, Discrete analog simulation algorithm 独创性
12、声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进
13、行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 本论文属于 1 1 绪 论 1.1 研究工作的背景、目的及意义 水轮机调速器是电厂的重要调节设备，它根据电网负荷的变化实时调节电厂有功 功率的输出，并维持机组转速在规定范围内，从而控制电能频率的稳定，它的可靠运 行关系到电厂的生产质量甚至电网安全。因此，电厂和水轮机调速器厂都非常重视调 速器性能的鉴定，国标对此有详细的测试和评价标准1-3。 对调速器进行的性能鉴定包括静态性能鉴定和动态
14、性能鉴定，常规的检测手段只 能得到调速器的静态性能，比如调速器的死区、开启关闭时间、导叶主接全行程、开 启和关闭速度等，而对调速器在机组过渡过程中的动作性能的测试无能为力；对调速 器的静态性能的鉴定也因为参与人员的素质和测试工具性能而受到较大的干扰。开发 一种现代的、专业性较强的调速器调试和测试设备是一件很有意义的研究课题。 本论文是适应国标要求和现代水轮机调试和测试要求而进行的研究：在掌握国标 和调速器厂需求的基础上，通过构建调速器控制对象仿真模型并嵌入到核心控制单元， 模拟机组在各种典型工况中的动作规律，与调速器构成一个闭环系统，以便对调速器 进行各种动态性能试验。调速器在各种模拟工况下的
15、动作和控制对象在过渡过程中的 响应被仿真测试仪实时记录，以获得相应性能指标来综合评价调速器是否满足过渡过 程的需要，进而综合评价调速器的动态性能。调速器仿真测试仪的使用将极大地降低 调速器在投产时未知因素的风险，对电厂的快速、安全提供保障。 调速器包括控制部件和执行部件，在调速器的发展过程中，其形式经历了机械液 压型、模拟电调和数字式电液调节型的过程。数字式电液调速器又称微机（或 PLC） 调速器，它具有较强的适应能力和抗干扰能力，能够执行复杂的控制规律，便于参数 整定等优点，成为当今国内水轮机调速器的主流产品。其他类型的调速器在老式的电 厂内可能还有使用，但已不多见，并将很快被淘汰4。文中的
16、调速器如无说明均指微机 型调速器。 调速器的控制对象为水轮机以及水轮机的引水系统和发电机负载等，习惯把调速 器和调速器的控制对象统称为水轮机调速系统，其结构图如图 1.1 所示。 2 水轮机调速器水轮机组发电机和电网 有压引水管道 基准频率 图 1.1 水轮机调速器系统结构框图 水轮机调速系统是一个复杂的非线性和非最小相位系统，它的调节过程是一个复 杂的动态过程，其中包括了电气、机械、流体力学等学科领域知识，对它的精细仿真 建模是一项非常困难的工作5。在行业的长期发展中，前人经过辛苦的探索，总结了一 些有价值的经验和公式，本文在此基础上，从面向调速器实时仿真测试角度入手，进 行了一些有实用价值的仿真建模研究，并在工程上获得了成功应用。 1.2 水轮机调速器仿真测试仪发展现状 目前投入应用的水轮机调速器仿真测试仪类型比较多。进口的水轮机调速器仿真 测试仪的整机性能较好，硬件可靠，精度较高，软件的功能丰富，但由于价格较高和 语言障碍造成普及的困难，一般只在科研单位中使用。国内生产的水轮机调速器仿
