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1、华中科技大学 硕士学位论文 水轮机调节系统的研究与仿真 姓名：罗旋 申请学位级别：硕士 专业：水利水电工程 指导教师：魏守平 20050619 I 摘 要 本文所描述的水轮机调节系统的仿真模型是以水轮机调节系统的数学模型为 基础根据系统内部各个模块的传递函数来创建的作者参与并完成了其中系统仿 真的设计与调试等工作 本文的主要内容有 1. 阐述了水轮机调节的基本理论知识例如水轮机调节的定义和调节原理 水轮机调速器的基本结构水轮机调节系统的特点等等 2 . 分析水轮机调节系统各模块传递函数并建立调节系统的线性化数学模型 3 . 利用 M A T L A B 软件中的 S I M U L I N K
2、 工具依据水轮机调节系统的线性化数学 模型建立仿真模型并针对水轮机的空载频率波动空载扰动甩 1 0 0 % 负荷及单机负荷扰动等状态进行了仿真研究 4 . 对水轮机调节系统的调节对象参数和调速器参数做了仿真分析定性的分 析了各个参数对调节系统动态品质的影响运用改进的正交试验法对调速 器参数进行选择从而得到较好的参数组合 5 . 指出本设计在实施过程中应该注意的问题总结了水轮机调节系统仿真模 型的优缺点最后指出本文作者未尽的工作即可以提高和改进的地方提 出了作者的几点想法 关键词 水轮机调节系统 P I D 控制 S I M U L I N K 仿真模型 改进的正交试验法 II Abstract
3、 The simulate model of hydro turbine governing system in this article is based on the mathematics model and the delivering function according to internal mold pieces of the system, the author has participated and finished the design of the system, the trying of the simulate models. The main content
4、is as follows: 1. The theory of hydro turbine governing system has been introduced, such as its definition, the principle of governing, the basic structure of the speed governor and the characteristics of the governor system. 2. Making use of the transfer-function of each module ,the simulate model
5、for hydro turbine governing system has been built up. 3. Making use of the tool of SIMULINK in the software of MATLAB,the simulate models for hydro turbine governing system have been built up,and the simulation for testing projects such as requency waving of no-load,no-load disturbance ,load sheddin
6、g and load disturbance have been processed. 4. Do some simulate analysis on parameters in modulatory objects and speed governor for hydro turbine governing system ,the effect about each parameter for dynamic quality in governor systemhas been qualitative analysed.Making use of improved othorgonal te
7、sting method to choose better parameters in speed governor,and then the best parameter combination has been obtained. 5. Some problems should be paid attention were presented. The advantages and weaknesses of simulate models of hydro turbine governing system were concluded. In the end, the places ne
8、ed to be improved were discussed and some authors ideas were presented,too. Key Words: Hydro turbine governing system PID control law SIMULINK, Simulate model Improved Othorgonal testing method 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
9、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 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 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 本论文属于 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 日 1 1 绪 论 1.1 引言 水力发电厂是将水能转换成电能的生产企业
10、 水轮发电机组能够把水能转变成电 能输入到电力系统供用户使用由于电力系统的负荷会随时变化的这种变化必 然导致系统频率的变化这样也就要求水轮发电机组不断地调节有功功率的输出以 维持机组转速及系统频率在规定范围内这就是水轮机调节系统的基本任务 1.2 水轮机调速器原理概述 对于电力系统的频率我国的电力系统规定频率应严格保持在5 0 H z 左右系统容 量在5 0 万K W 以下的其频率偏差不得超过 0 . 5 H z 对于大容量系统系统容量在5 0 万K W 以上频率偏差不得超过 0 . 2 H z 电力系统的频率稳定主要取决于系统内有功 功率的平衡然而电力系统的负荷是不断变化的对我国的中小电网来
11、说系统电荷 波动有时会达到总容量的51 0而且即使是大的电力系统其负荷波动也往往 会达到其容量的23因此根据负荷的变化不断的调节水轮机发电机组的输出 功率并维持机组的转速频率在额定转速频率的规定范围内 发电机的频率与转速的关系为f= 60 pn 1 1 式中 f发电机频率 p发电机磁极对数 n发电机转速 对于已制成的发电机来说磁极对数 p 是固定不变的从而频率 f 与机组转速 n 有着比例关系因此要想保持机组频率 f 稳定不变则必须保持水轮发电机组 的转速 n 稳定不变 水电站一般要求水轮发电机组转速变化不超过额定转速的 0.1 到 0.4水轮机调节的调节目标就是保持转速符合上述要求 2 其次
12、电力系统负荷是动态变化的电能不能直接储存因此必须保持系统输 入能量和输出能量之间的平衡当电力系统的负荷变化时就要求有关机组迅速地 改变其出力以适应负荷的变化水轮机调节的实质就是随负荷的变化而迅速的 改变机组的出力 水轮机调节除完成以上基本任务以外还担任机组的起动停机增减负荷以 及对并入电网的机组进行成组调节等职能15 1.3 水轮调节系统的基本结构 水轮机调节系统是由水轮机控制设备系统和被控制系统组成的闭环系统 水轮机引水和泄水系统装有电压调节器的发电机所并入的电网称为水轮机调节 系统中的被控制系统用来检测被控制参量转速功率水位流量等与给定 量的偏差并将其按一定特性转成主接力器行程偏差的一些装
13、置组合称为水轮机 控制设备系统 1 水轮机调节系统结构图 被控制系统 _ + _ 水轮机控制设备(系统) 图 11 水轮机调节系统的框图 引水和泄水 系 统 水轮机 发电机 电 网 执行机构 放大校正元件 测量元件 给定元件 给定元件 3 1.4 水轮发电机组的运动方程 水轮发电机组的运动方程可按照描述刚体绕固定轴转动的微分方程写为1 gt d d MM t J= 1 2 式中 J机组转动部分的惯性矩kgm2 30 n =机组转动角速度rad/s n机组转动速度r/min Mt水轮机转矩Nm Mg发电机负荷阻力矩负载转矩Nm 式12清楚地表明机组转速(频率)保持恒值的条件是0 d d = t
14、,转速加速度 为零即要求 gt MM =否则就会导致机组转速(频率)相对于额定值升高或降低从 而出现转速(频率)偏差 水轮机转矩表达式如下 t t QH M = 1 3 式中 Q通过水轮机的流量m3/s H水轮机净水头m t 水轮机效率 水的密度kg/m3 水轮机调节就是维持水轮发电机组转速频率在额定值附近的允许范围内 然而从实质上讲只有当水轮机调速器相应地调节水轮机导水机构开度从而调 4 节水轮机流量 Q和水轮机轮叶的角度从而调节水轮机效率 t 使 gt MM =才 能使机组在一个允许的稳定转速频率下运行随着负荷的变化相应的改变导 水机构或喷嘴桨叶的开度以使水轮发电机组的转速维持在某一额定值
15、或 按某一预定的规律变化从而使水轮发电机组功率与负荷功率的平衡 1 1.5 水轮机调速器的发展历史与趋势 水轮机调速器在水电厂的应用已有很长的历史早期的水轮机调速器是利用测 速元件直接操作水轮机执行机构的直接作用式调速器随着发展19 世纪末叶出现 了用液压元件进行功率放大的液压调速器至 30 年代已有相当完善的机械液压 型调速器到了 50 年代末 6 0 年代是电液调速器大规模发展的时期7 0 年代末大 规模集成电路技术发展迅速集成电路运算放大器应用于水轮机调速器于是电液 调速器也就逐渐由分离元件发展成为集成电路结构进入 80 年代由于科技进步 有关科研单位和制造部门为了提高调速器的运行可靠性
16、和调节品质开始研制微机 调速器又称为数字式电液调速器进入 90 年代在新造或更新改造的大型水电 站微机电液调速器采用已相当普遍并取得良好的控制效果 从调速器所形成的控制规律来看 调速器的发展也很迅速 最早的调速器是个 比例环节即形成比例控制规律用符号 P 表示后来绝大多数调速器都设计成具 有比例积分的控制规律即 P I 型调速器I 表示积分作用到 5 0 年代末和 6 0 年代 初研制出 P - I - D 调速器此处 D 表示微分作用7 0 年代中期P I D 调节器直接用 到了水轮机调速器上出现了 P I D型也就是比例P积分I微分D 环 节并联的新式调速器其积分作用也是靠电气环节产生的这与以前的 P - I - D 调速 器中积分作用靠油压接力器来产生是一个明显的区别这种 P I D 型调速器静态质量 好动态特性也好4 水轮机调速器的发展趋势 调速器的微机
