CN111581770B - 一种双调整水轮机调速器电液随动系统仿真模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双调整水轮机调速器电液随动系统仿真模型，包括两个相互独立的前向通路及一个协联关系环节，两个所述相互独立的前向通路分别为导叶控制通路和桨叶控制通路；所述导叶控制通路和桨叶控制通路具有完全相同的计算环节；所述计算环节包括PID环节、限幅环节、时间常数环节、积分环节、积分限幅环节、负反馈环节、输出延迟环节。该仿真模型适用于对所有双调整水轮机调速器电液随动系统的建模工作，既能达到较高的模型精度，又方便获取模型参数。

Description

一种双调整水轮机调速器电液随动系统仿真模型

技术领域

本发明涉及水轮机调速器建模及电力系统仿真计算技术领域，尤其涉及一种双调整水轮机调速器电液随动系统仿真模型。

背景技术

水轮发电机组的建模与仿真是电力系统仿真计算的主要内容之一，而水轮机调速系统又是水轮发电机组的重要组成部分。目前国内外关于水轮机调速器电液随动系统的建模和仿真的研究中，有的研究单纯追求简便性，例如使用带有接力器反应时间常数的一阶惯性模型，但该模型忽略了众多非线性环节，导致模型的计算精度不高；有的研究将电液随动系统的各组成部分(例如综合放大器、电气—机械/液压转换装置、主配压阀、接力器)分别建模再整合起来，这种建模方法虽然物理意义清晰，但所需的参数较多且获取困难。此外，目前的研究大多数只适用于以混流式机组为代表的单调整型水轮发电机组，而对于以轴流转浆式、灯泡贯流式为代表的双调整型水轮发电机组，却鲜有提及与其相适应的水轮机调速器电液随动系统模型。

因此，需要提出一种模型精度较高，所需参数较少，且适用于双调整型水轮发电机组的水轮机调速器电液随动系统模型。

发明内容

本发明的目的是提供一种双调整水轮机调速器电液随动系统仿真模型，能够适用于对所有双调整型水轮发电机组的水轮机调速器电液随动系统的建模工作，并同时具有较高的模型计算精度和较易获取的模型参数。

本发明提供了一种双调整水轮机调速器电液随动系统仿真模型，包括两个相互独立的前向通路及一个协联关系环节，两个所述相互独立的前向通路分别为导叶控制通路和桨叶控制通路；所述导叶控制通路和桨叶控制通路具有完全相同的计算环节；所述计算环节包括PID环节、限幅环节、时间常数环节、积分环节、积分限幅环节、负反馈环节、输出延迟环节。

进一步地，所述仿真模型将电子调节器输出的导叶控制信号直接作为所述导叶控制通路的输入信号，并将导叶控制信号经过协联关系环节计算后得到的桨叶控制信号作为所述桨叶控制通路的输入信号。

进一步地，在所述导叶控制通路内，导叶控制信号经过PID环节运算处理后，送入限幅环节进行限幅，限幅后的信号通过时间常数环节进行判断输出，判断输出的结果送入积分环节，通过积分环节积分后进入积分限幅环节，经积分限幅环节限幅后进入输出延迟环节，最终通过输出延迟环节输出导叶接力器行程信号。

进一步地，在所述桨叶控制通路内，桨叶控制信号经过PID环节运算处理后，送入限幅环节进行限幅，限幅后的信号通过时间常数环节进行判断输出，判断输出的结果送入积分环节，通过积分环节积分后进入积分限幅环节，通过积分限幅环节限幅后进入输出延迟环节，最终通过输出延迟环节输出桨叶接力器行程信号。

借由上述方案，通过双调整水轮机调速器电液随动系统仿真模型，具有如下技术效果：

1)根据双调整型水轮发电机组的调节特性设计，可以适用于所有双调整水轮机调速器电液随动系统的建模工作。

2)与广泛应用的带有接力器反应时间常数的一阶惯性模型相比，本仿真模型各变量的物理意义较为清晰，且具有的一些必要的非线性环节，使得模型计算精度也较高。

3)与将电液随动系统的各组成部分分别建模的方法相比，本仿真模型所需的参数较少且较易获取。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明双调整水轮机调速器电液随动系统仿真原理图；

图2为+0.15Hz扰动导叶接力器行程实测与仿真曲线对比图；

图3为+0.15Hz扰动桨叶接力器行程实测与仿真曲线对比图；

图4为-0.15Hz扰动导叶接力器行程实测与仿真曲线对比图；

图5为-0.15Hz扰动桨叶接力器行程实测与仿真曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例提供了一种双调整水轮机调速器电液随动系统仿真模型，该模型包括如下组成部分：

(1)该仿真模型包含两个相互独立的前向通路，即导叶控制通路和桨叶控制通路，并包含一个协联关系环节。两个通路所包含的各计算环节完全相同，即PID环节、限幅环节、时间常数环节、积分环节、积分限幅环节、负反馈环节、输出延迟环节。

(2)电子调节器输出的导叶控制信号Y_pid直接作为导叶控制通路的输入信号；Y_pid经过协联关系环节计算后，得到的桨叶控制信号Y_pid，r作为桨叶控制通路的输入信号；

(3)在导叶控制通路内，为了模拟实际系统中综合放大器的功能，Y_pid和导叶反馈信号Y₅作差后，再经过PID环节运算处理，输出信号为Y₁。

(4)为了模拟实际系统中电气-机械/液压转换装置的机械限制，Y₁经过一个限幅环节得到输出Y₂，限幅环节的幅值上、下限分别是V_o、V_c，V_o、V_c分别代表导叶接力器在开启、关闭方向上的速度限制，并通过以下公式求取：

式中，T_o为导叶接力器开启时间常数；S_o为导叶最快开启时间；T_c为导叶接力器关闭时间常数；S_c为导叶最快关闭时间。

(5)Y₂代表实际系统中导叶主配压阀的相对行程，通过导叶接力器的运动方向进行判断，Y₂除以相对应的时间常数得到Y₃，即

(6)Y₃代表实际系统中导叶接力器的运动速度，Y₃经过积分环节和积分限幅环节后得到Y₄，积分限幅环节的幅值上、下限分别是Y_max、Y_min；Y₄经过一个一阶惯性环节得到导叶反馈信号Y₅，该一阶惯性环节的时间常数T1即为导叶接力器行程测量环节时间常数。

(7)Y₄经过输出延迟环节最终得到导叶接力器行程信号Y。

(8)在桨叶控制通路内，为了模拟实际系统中综合放大器的功能，Y_pid，r和桨叶反馈信号Y_5，r作差后，再经过PID环节运算处理，输出信号为Y_1，r。

(9)为了模拟实际系统中电气-机械/液压转换装置的机械限制，Y_1，r经过一个限幅环节得到输出Y_2，r，限幅环节的幅值上、下限分别是V_o，r、V_c，r，V_o，r、V_c，r分别代表桨叶接力器在开启、关闭方向上的速度限制，并通过以下公式求取：

式中，T_o，r为桨叶接力器开启时间常数；S_o，r为桨叶最快开启时间；T_c，r为桨叶接力器关闭时间常数；S_c，r为桨叶最快关闭时间。

(10)Y_2，r代表实际系统中桨叶主配压阀的相对行程，通过桨叶接力器的运动方向进行判断，Y_2，r除以相对应的时间常数得到Y_3，r，即

(11)Y_3，r代表实际系统中桨叶接力器的运动速度，Y_3，r经过积分环节和积分限幅环节后得到Y_4，r，积分限幅环节的幅值上、下限分别是Y_max，r、Y_min，r；Y_4，r经过一个一阶惯性环节得到桨叶反馈信号Y_5，r，该一阶惯性环节的时间常数T₂即为桨叶接力器行程测量环节时间常数。

(12)Y_4，r经过输出延迟环节最终得到桨叶接力器行程信号Y_r。

该仿真模型适用于对所有双调整水轮机调速器电液随动系统的建模工作，既能达到较高的模型精度，又方便获取模型参数，具有较好的实用价值。

下面对本发明作进一步详细说明

参图1所示，图中，Y_pid为电子调节器输出的导叶控制信号，Y₅为导叶反馈信号，Y₁为导叶控制通路中PID环节的输出。为了便于仿真计算，取离散时间步长为T，在t∈[(k-1)T，kT]的时间内，Y₁(k)通过下式求取：

式中，K_p、K_i、K_d分别为导叶控制通路中PID环节的比例、积分、微分系数。

Y₁经过一个限幅环节得到输出Y₂，限幅环节的幅值上、下限分别是V_o、V_c，即

式中，V_o、V_c分别代表导叶接力器在开启、关闭方向上的速度限制，并通过以下公式求取：

式中，T_o为导叶接力器开启时间常数；S_o为导叶最快开启时间；T_c为导叶接力器关闭时间常数；S_c为导叶最快关闭时间。

Y₂代表实际系统中导叶主配压阀的相对行程，通过导叶接力器的运动方向进行判断，Y₂除以相对应的时间常数得到Y₃，Y₃代表实际系统中导叶接力器的运动速度，即

Y₃经过积分环节和积分限幅环节后得到Y₄，积分限幅环节的幅值上、下限分别是Y_max、Y_min，用后向差分代替积分，即

Y₄经过一个一阶惯性环节得到导叶反馈信号Y₅，经过离散化后得到

式中，T₁为导叶接力器行程测量环节时间常数。

Y₄经过输出延迟环节最终得到导叶接力器行程信号Y，设τ₁为导叶控制通路的输出延迟环节延迟时间，

经过四舍五入取整后得到d1，于是有

Y(k)＝Y₄(k-d₁)

通过导叶接力器行程、水头和桨叶接力器行程构成的协联关系表，可以拟合得到导叶控制信号Y_pid、工作水头H和桨叶控制信号Y_pid，r之间函数关系

Y_pid，r＝F_XL(Y_pid，H)

Y_5，r为桨叶反馈信号，Y_1，r为桨叶控制通路中PID环节的输出。为了便于仿真计算，取离散时间步长为T，在t∈[(k-1)T，kT]的时间内，Y_1，r(k)通过下式求取

式中，K_p，r、K_i，r、K_d，r分别为桨叶控制通路中PID环节的比例、积分、微分系数。

Y_1，r经过一个限幅环节得到输出Y_2，r，限幅环节的幅值上、下限分别是V_o，r、V_c，r，即

式中，V_o，r、V_c，r分别代表桨叶接力器在开启、关闭方向上的速度限制，并通过以下公式求取

式中，T_o，r为桨叶接力器开启时间常数；S_o，r为桨叶最快开启时间；T_c，r为桨叶接力器关闭时间常数；S_c，r为桨叶最快关闭时间。

Y_2，r代表实际系统中桨叶主配压阀的相对行程，通过桨叶接力器的运动方向进行判断，Y_2，r除以相对应的时间常数得到Y_3，r，Y_3，r代表实际系统中桨叶接力器的运动速度，即

Y_3，r经过积分环节和积分限幅环节后得到Y_4，r，积分限幅环节的幅值上、下限分别是Y_max，r、Y_min，r，用后向差分代替积分，即

Y_4，r经过一个一阶惯性环节得到导叶反馈信号Y_5，r，经过离散化后得到

式中，T₂为桨叶接力器行程测量环节时间常数。

Y_4，r经过输出延迟环节最终得到桨叶接力器行程信号Y_r，设τ₂为桨叶控制通路的输出延迟环节延迟时间，

经过四舍五入取整后得到d2，于是有

Y_r(k)＝Y_4，r(k-d₂)

依据某灯泡贯流式机组的实际情况，将本发明的仿真模型嵌入到单机无穷大系统中进行仿真。除人为设置的参数和实测参数外，本仿真模型中的T_o、T_c、T_o，r、T_c，r是根据实测曲线数据，采用斐波那契法进行二维搜索得到。模型参数和仿真参数值见表1。

表1

+0.15Hz扰动导叶接力器行程实测与仿真曲线对比如图2所示，+0.15Hz扰动桨叶接力器行程实测与仿真曲线对比如图3所示，-0.15Hz扰动导叶接力器行程实测与仿真曲线对比如图4所示，-0.15Hz扰动桨叶接力器行程实测与仿真曲线对比如图5所示，导叶、桨叶接力器行程实测曲线和仿真曲线性能指标对比见表2。

表2

由表2和图2～5可知，±0.15Hz频率扰动过程导叶、桨叶接力器行程实测曲线与仿真曲线的性能指标偏差均在允许范围以内，实测曲线和仿真曲线高度吻合，说明本仿真模型具有较高的模型精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种双调整水轮机调速器电液随动系统仿真模型，其特征在于，包括两个相互独立的前向通路及一个协联关系环节，两个所述相互独立的前向通路分别为导叶控制通路和桨叶控制通路；所述导叶控制通路和桨叶控制通路具有完全相同的计算环节；所述计算环节包括PID环节、限幅环节、时间常数环节、积分环节、积分限幅环节、负反馈环节、输出延迟环节；

所述仿真模型将电子调节器输出的导叶控制信号直接作为所述导叶控制通路的输入信号，并将导叶控制信号经过协联关系环节计算后得到的桨叶控制信号作为所述桨叶控制通路的输入信号；

在所述导叶控制通路内，导叶控制信号经过PID环节运算处理后，送入限幅环节进行限幅，限幅后的信号通过时间常数环节进行判断输出，判断输出的结果送入积分环节，通过积分环节积分后进入积分限幅环节，经积分限幅环节限幅后进入输出延迟环节，最终通过输出延迟环节输出导叶接力器行程信号，包括：取离散时间步长为T，在t∈[(k-1)T，kT]的时间内，Y₁(k)通过下式求取：

式中，K_p、K_i、K_d分别为导叶控制通路中PID环节的比例、积分、微分系数；Y_pid为电子调节器输出的导叶控制信号，Y₅为导叶反馈信号，Y₁为导叶控制通路中PID环节的输出；

Y₁经过一个限幅环节得到输出Y₂，限幅环节的幅值上、下限分别是V_o、V_c，即

式中，V_o、V_c分别代表导叶接力器在开启、关闭方向上的速度限制，并通过以下公式求取：

式中，T_o为导叶接力器开启时间常数；S_o为导叶最快开启时间；T_c为导叶接力器关闭时间常数；S_c为导叶最快关闭时间；

Y₂代表实际系统中导叶主配压阀的相对行程，通过导叶接力器的运动方向进行判断，Y₂除以相对应的时间常数得到Y₃，Y₃代表实际系统中导叶接力器的运动速度，即

Y₃经过积分环节和积分限幅环节后得到Y₄，积分限幅环节的幅值上、下限分别是Y_max、Y_min，用后向差分代替积分，即

Y₄经过一个一阶惯性环节得到导叶反馈信号Y₅，经过离散化后得到

式中，T₁为导叶接力器行程测量环节时间常数；

Y₄经过输出延迟环节最终得到导叶接力器行程信号Y，设τ₁为导叶控制通路的输出延迟环节延迟时间，

经过四舍五入取整后得到d₁，于是有

Y(k)＝Y₄(k-d₁)；

在所述桨叶控制通路内，桨叶控制信号经过PID环节运算处理后，送入限幅环节进行限幅，限幅后的信号通过时间常数环节进行判断输出，判断输出的结果送入积分环节，通过积分环节积分后进入积分限幅环节，通过积分限幅环节限幅后进入输出延迟环节，最终通过输出延迟环节输出桨叶接力器行程信号，包括：

通过导叶接力器行程、水头和桨叶接力器行程构成的协联关系表，拟合得到导叶控制信号Y_pid、工作水头H和桨叶控制信号Y_pid，r之间函数关系：

Y_pid，r＝F_XL(Y_pid，H)

Y_5，r为桨叶反馈信号，Y_1，r为桨叶控制通路中PID环节的输出；取离散时间步长为T，在t∈[(k-1)T，kT]的时间内，Y_1，r(k)通过下式求取

式中，K_p，r、K_i，r、K_d，r分别为桨叶控制通路中PID环节的比例、积分、微分系数；

Y_1，r经过一个限幅环节得到输出Y_2，r，限幅环节的幅值上、下限分别是V_o，r，V_c，r，即

式中，V_o，r，V_c，r分别代表桨叶接力器在开启、关闭方向上的速度限制，并通过以下公式求取

式中，T_o，r为桨叶接力器开启时间常数；S_o，r为桨叶最快开启时间；T_c，r为桨叶接力器关闭时间常数；S_c，r为桨叶最快关闭时间；

Y_2，r代表实际系统中桨叶主配压阀的相对行程，通过桨叶接力器的运动方向进行判断，Y_2，r除以相对应的时间常数得到Y_3，r，Y_3，r代表实际系统中桨叶接力器的运动速度，即

Y_3，r经过积分环节和积分限幅环节后得到Y_4，r，积分限幅环节的幅值上、下限分别是Y_max，r、Y_min，r，用后向差分代替积分，即

Y_4，r经过一个一阶惯性环节得到导叶反馈信号Y_5，r，经过离散化后得到

式中，T₂为桨叶接力器行程测量环节时间常数；

Y_4，r经过输出延迟环节最终得到桨叶接力器行程信号Y_r，设τ₂为桨叶控制通路的输出延迟环节延迟时间，

经过四舍五入取整后得到d₂，于是有

Y_r(k)＝Y_4，r(k-d₂)。

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