CN103529868A - 水轮机转速调节系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水轮机转速调节系统，包括水轮机机组、转速测量模块、PCC调速模块、执行机构；转速测量模块对测得的水轮机机组转速信号进行分析，将数据传递给PCC调速模块，PCC调速模块对输入信号进行处理后，发出调节信号，执行机构根据调节信号动作，调整水轮机机组的导叶开度；本发明能够实时、高效、稳定的对水力透平机的转速进行控制，有效地减少了调速过程中存在的不稳定、大幅波动、调节滞后等问题，适合于工业应用；监测到实时的水力透平机转速，对超速情况进行报警，提醒操作人员及时处理。

Description

水轮机转速调节系统
技术领域
本发明涉及一种水轮机转速调节系统。
背景技术
水力透平机将水能转化为电能，是水电站中的基本单元。水力透平机发出的电能的质量取决于对它调节的质量。水力透平机调节的任务是由水力透平机调速器来完成的。调速器随着负荷的改变，相应改变导水机构的开度，从而改变水流对水力透平机产生的动力矩，调节水力透平机组的有功功率输出，并维持机组转速在指定的范围内。水力透平机调速器是保证水电厂机组稳定运行的重要控制设备，直接关系到机组的安全与稳定运行。
电力系统是个非常复杂的不断变化着的系统，其负载更是多种多样。负荷则是千变万化的，时常有波动、震荡等情况出现。而这种波动、变化、震荡大多是不可预见的。此外，电力系统负荷在工作和生活用电上还有不同高峰期与低谷期对于不同的时刻，电力需求也会随之波动。同样这种波动过程却是不可预见的，也许过渡过程在某一时刻非常迅速，同样，也存在着非常缓慢的时候。电力系统的负荷在任何时刻都不一样，是不断改变的，这样就导致系统的频率也时时刻刻发生着变化。如何将系统频率保持在国家规定范围之内，就成了电力系统的首要任务。
在水力透平机用以水电厂发电时，除了必须保证人们生产、生活用电的安全外，在水力透平机发电机组利用水能的过程中，还需要保证转换成的电能在频率和阈值稳定在额定范围，因此，除要求供电过程安全、可靠外，电能的频率及电压在额定值必须保持在某一范围内，才能保证用电正常。比如在我国，电力系统的额定频率是50HZ，规定偏差不应超过0.4%~1%。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种水轮机转速调节系统；本调节系统调节更为迅速，波动较小，利于避免在调节水力透平机转速时出现大幅度的波动，适合于工业应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 
一种水轮机转速调节系统，包括水轮机机组、转速测量模块、PCC调速模块、执行机构；转速测量模块对测得的水轮机机组转速信号进行分析，将数据传递给PCC调速模块，PCC调速模块对输入信号进行处理后，发出调节信号，执行机构根据调节信号动作，调整水轮机机组的导叶开度。
所述PCC调速模块包括PP41控制器、控制界面、开关量输入口、开关量输出口、CAN现场总线接口、RS232接口、模拟量输入模块、通讯接口模块、数字量输入的接口、备用模块、晶体管输出接口、晶体管输出口、开关量输入模块、转速测量模块；其中控制界面、开关量输入口、开关量输出口、CAN现场总线接口、RS232接口、模拟量输入模块、通讯接口模块、数字量输入的接口、备用模块、晶体管输出接口、晶体管输出口、开关量输入模块、转速测量模块均与PP41控制器连接。
所述转速测量模块包括核心处理器、电源电路、复位电路、显示电路、报警电路；其中，电源电路、复位电路、显示电路、报警电路均与核心处理器连接。
所述核心处理器为LPC2114，具有两个定时器、I2C接口、PWM、中断系统、UART接口、实时时钟信号RTC、A/D转换器。
所述显示电路的芯片为ZLG7290，直接驱动8为共阴极数码管。
所述复位电路的核心芯片为SP708S。
所述PCC调速模块采用单神经元自适应PID控制方法。
本发明的有益效果： 
1. 本发明调节更为迅速，波动较小，利于避免在调节水力透平机转速时出现大幅度的波动； 
2. 空载速度响应曲线仍比较平稳、响应迅速，且调节效果较好。由此可以看出，当水力透平机的参数改变时，水力透平机转速调节与控制系统仍能保证其较好的调节作用，具有较好的控制能力； 
3. 能够实时、高效、稳定的对水力透平机的转速进行控制，有效地减少了调速过程中存在的不稳定、大幅波动、调节滞后等问题，适合于工业应用；
4. 监测到实时的水力透平机转速，对超速情况进行报警，提醒操作人员及时处理。 
附图说明
图1为本发明的组成示意图； 
图2为PCC调节模块的结构示意图；
图3为本发明的simulink仿真结构图；
图4为本发明的仿真效果曲线对比图。 
其中， 1、水轮机机组；2、转速测量模块；3、PCC调节模块；4、执行机构；5、模拟量输入模块 ；6、通讯接口模块；7、数字量输入的接口；8、备用模块；9、晶体管输出接口；10、晶体管输出口；11、开关量输入模块；12、转速测量模块； 13、PP41控制器；14、控制界面；15、开关量输入口；16、开关量输出口；17、CAN现场总线接口；18、RS232接口；19、环节I；20、环节II；21、环节III；22、环节IV；a、PID控制效果曲线；b、单神经元自适应PID控制效果曲线。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。 
如图1所示，一种水轮机转速调节系统，包括水轮机机组1、转速测量模块2、PCC调速模块3、执行机构4；转速测量模块2对测得的水轮机机组1转速信号进行分析，将数据传递给PCC调速模块3，PCC调速模块3对输入信号进行处理后，发出调节信号，执行机构根据调节信号动作，调整水轮机机组1的导叶开度。
如图2所示，PCC调节模块3需要±12V和24V两种规格的电源，其中24V电源用于驱动步进电机，±12V电源用于测频整形电路、PCC各模块及开关量输入电路，在对PCC各模块及开关量输入电路供电时，±12V电源通过接线使其构成24 V电源。供电电源与步进电机驱动电源分开，这就减少了步进电机驱动电路对PCC调节模块的干扰。两种电源都是开关式电源，能采用交直流两种电源输入，以维持输入电压的稳定性、高效力。
PCC调节模块3不像PLC和PC机一样受限于硬件设备，它的硬件具有高可靠性，具有单双机两种操作模式。单机模式时，调节器硬件配置如下：PP41控制器13、模拟量输入模块5、通讯接口模块6、开关量输入模块11、开关量输入口15、开关量输出口16晶体管输出接口9组成。
此外，PP41还提供用以开发PCC程序用的RS232接口18和远距离网络通讯用的CAN现场总线接口17，数量都为一。内部具有数字量输入的接口7、备用模块8扩展槽、晶体管输出口10。
如图3所示，建立整个系统的仿真模型。各个部分的数学模型为：
发电机是应用于水力发电的水力透平机机组中一个重要设备，在描述其特性时，将其视为刚体旋转，则其运动方程描述为：
Figure 2013105188417100002DEST_PATH_IMAGE002
………………....……………….….……………..…….(3-4)
其中的、
Figure 2013105188417100002DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 2013105188417100002DEST_PATH_IMAGE008
均为偏差相对值形式，分别为水力透平机主动力矩偏差相对值、水力透平机阻力矩偏差相对值和机组转速偏差相对值。
得其传递函数为：
Figure 2013105188417100002DEST_PATH_IMAGE010
…………………………………………….………………….(3-5)
其中
Figure 2013105188417100002DEST_PATH_IMAGE012
为机组惯性时间常数，为机组静态频率自调节系数。
流量和力矩是水力透平机的两个重要参数，流量反映水力透平机的水力特性，力矩反映水力透平机的机械特性。流量
Figure 2013105188417100002DEST_PATH_IMAGE016
和转矩
Figure 2013105188417100002DEST_PATH_IMAGE018
是与导叶开度（近似用接力器位移来表示）、水头和机组转速有关的函数。具体函数用相对值来表示，为  
Figure 2013105188417100002DEST_PATH_IMAGE020
………………..……………………………..………….……….(3-6a)
…………...………………….………….….…..………….(3-6b)
式中
Figure 2013105188417100002DEST_PATH_IMAGE024
为转矩，
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
为流量，
Figure 2013105188417100002DEST_PATH_IMAGE027
为导叶开度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为水头，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为转速。
在研究小波动的情况下可分别将式3-6a、3-6b用泰勒级数展开，略去二阶以上高次项，可得水力透平机线性模型的力矩和流量方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
Figure DEST_PATH_IMAGE035
………………………………………………...…….(3-7a)
Figure DEST_PATH_IMAGE037
…………………………………………..….……….(3-7b)
其中的变量为偏差相对值形式，按下式转换：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 2013105188417100002DEST_PATH_IMAGE043
,
Figure DEST_PATH_IMAGE045
,
Figure DEST_PATH_IMAGE047
…………………………(3-8)
其中的系数描述如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
，，
Figure DEST_PATH_IMAGE059
……………………(3-9)
则机械液压部件的开环传递函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，
由于是个三阶模型，为了容易判断，令
Figure DEST_PATH_IMAGE063
，
Figure DEST_PATH_IMAGE065
，。
可得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE069
；
有时为建模简单，也会将
Figure DEST_PATH_IMAGE071
或连同
Figure DEST_PATH_IMAGE073
一起舍去，形成二阶或一阶模型。
环节I 19为单神经元自适应PID控制方法的simulink模型，环节II 20为机械液压部件的传递函数，环节III 21为水力透平机的线性模型，环节IV 22为发电机系统的传递函数。
由图4可以看出， PID控制效果曲线a与单神经元自适应PID控制效果曲线b存在较大差距。使用单神经元自适应PID控制方法的仿真效果，明显好于使用PID控制策略的仿真效果，单神经元自适应PID控制方法的响应时间更短，调节更为迅速，波动较小，利于避免在调节水力透平机转速时出现大幅度的波动。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种水轮机转速调节系统，其特征在于：包括水轮机机组、转速测量模块、PCC调速模块、执行机构；转速测量模块对测得的水轮机机组转速信号进行分析，将数据传递给PCC调速模块，PCC调速模块对输入信号进行处理后，发出调节信号，执行机构根据调节信号动作，调整水轮机机组的导叶开度。
2.如权利要求1所述的一种水轮机转速调节系统，其特征在于：所述PCC调速模块包括PP41控制器、控制界面、开关量输入口、开关量输出口、CAN现场总线接口、RS232接口、模拟量输入模块、通讯接口模块、数字量输入的接口、备用模块、晶体管输出接口、晶体管输出口、开关量输入模块、转速测量模块；其中控制界面、开关量输入口、开关量输出口、CAN现场总线接口、RS232接口、模拟量输入模块、通讯接口模块、数字量输入的接口、备用模块、晶体管输出接口、晶体管输出口、开关量输入模块、转速测量模块均与PP41控制器连接。
3.如权利要求1所述的一种水轮机转速调节系统，其特征在于：所述转速测量模块包括核心处理器、电源电路、复位电路、显示电路、报警电路；其中，电源电路、复位电路、显示电路、报警电路均与核心处理器连接。
4.如权利要求3所述的一种水轮机转速调节系统，其特征在于：所述核心处理器为LPC2114，具有两个定时器、I2C接口、PWM、中断系统、UART接口、实时时钟信号RTC、A/D转换器。
5.如权利要求3所述的一种水轮机转速调节系统，其特征在于：所述显示电路的芯片为ZLG7290，直接驱动8为共阴极数码管。
6.如权利要求3所述的一种水轮机转速调节系统，其特征在于：所述复位电路的核心芯片为SP708S。
7.如权利要求1所述的一种水轮机转速调节系统，其特征在于：所述PCC调速模块采用单神经元自适应PID控制方法。
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