CN113464354B - 一种应用于具有长有压引水道水电站的水轮机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应用于具有长有压引水道水电站的水轮机控制方法。本发明在现有常规水轮机调速器结构基础上,将导叶接力器行程信号以比例负反馈方式,引入至调速器的比例和微分环节输入端,以改变调速器的结构。本发明使具有长有压引水道水电站的水轮机调节系统小波动过渡过程动态特性得到有效改善,以提高水电站运行的安全性和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于水力发电技术领域,尤其涉及应用于具有长有压引水道水电站的水轮机控制方法。
背景技术
对于具有长有压引水道的水电站,通常其水流惯性时间常数较大,如不采取相应的工程措施,就会出现水轮机调节系统的大波动过渡过程不满足调节保证计算要求,小波动过渡过程的动态特性较差的问题。为了改善大、小波动过渡过程,工程上常采用措施:一般有设置调压井或安装调压阀。
对于设置调压井的工程措施,其实质是可以明显地减小水电站有压引水系统的水流惯性时间常数,这对改善水轮机调节系统的大、小波动过渡过程具有明显的效果。但是设置调压井会带来对环境破坏大,建设时间长,投资较大等问题。
对于安装调压阀的工程措施,通过调压阀的启闭规律与水轮机导叶关闭规律协同配合,可以有效地改善大波动过渡过程,同时可大大降低投资成本,减小对环境的破坏。但是,这一措施不能减小水流惯性时间常数,因此其对水轮机调节系统的小波动过渡过程起不到改善效果。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷,提供应用于具有长有压引水道水电站的水轮机控制方法。由于安装了调压阀,为了解决小波动过渡过程中动态品质差的问题,本发明在现有常规调速器的基础上,将导叶接力器行程信号以比例负反馈方式,引入至调速器的比例和微分环节输入端,改变调速器的结构,以此提高机组运行过程的稳定性和安全性。同时,为了在改善水轮机调节系统小波动过渡过程动态特性的同时,不对水轮机调节系统静特性产生影响,比例反馈增益推荐取值为0.8至2.0。
本发明采用如下技术方案:
一种应用于具有长有压引水道水电站的水轮机控制方法,包括如下步骤:
步骤1.建立基于常规水轮机调速器结构的水轮机调节系统数学模型常规水轮机调速器的传递函数Gr(s)为式(1)
结合有压引水道和水轮发电机组的数学模型,构建常规水轮机调速器结构模式下的水轮机调节系统仿真模型,以转速给定信号xc(t)为输入时,系统开环传递函数G0(s)为式(2)
式中:ey——水轮机力矩对导叶开度传递系数;
eqy——水轮机流量对导叶开度传递系数;
eqx——水轮机流量对转速传递系数;
eh——水轮机力矩对水头传递系数;
eqh——水轮机流量对水头传递系数;
Ta——机组惯性时间常数,单位s;
Tw——水流惯性时间常数,单位s;
Td1——微分环节时间常数,单位s,一般取Td1=0.01s左右;
Ty——接力器反应时间常数,单位s;
bp——永态转差系数,其整定范围为0~0.1;
en——水轮发电机组综合自调节系数;
Kp——比例增益;
Ki——积分增益;
Kd——微分增益;
步骤2.建立引入接力器行程比例负反馈信号后的水轮机调节系统数学模型
为抑制系统调节初期接力器过快的运动速度,将接力器行程信号以比例负反馈的形式引入调速器的比例和微分环节,其中比例增益为Ky,以改变调速器的结构;
引入接力器行程比例负反馈信号后,调速器的传递函数Gr,y(s)为式(3)
引入接力器行程比例负反馈信号后,以转速给定信号xc(t)为输入时,相应水轮机调节系统的开环传递函数G0,y(s)为式(4)
式中:D=[[Kp(Td1s+1)+Kds]s+Ki(Td1s+1)][-Tweqyehs+ey(Tweqhs)+1]
E=[(Td1s+1)(Tys+1)s+Ky[KP(Td1s+1)+Kds]s+Kibp(Td1s+1)(Tys+1)]
F=[(TWeqhs+1)(Tas+en)+Tweheqhs]
步骤3.分析引入接力器行程比例负反馈信号后,对水轮机调节系统静特性影响
引入接力器行程比例负反馈信号后,水轮机调节系统开环传递函数G0,y(s)为式(4),机组转速误差的拉普拉斯变换E(s)为式(5)
式中:Xc(s)——输入信号xc(t)的拉普拉斯变换;
相应的稳态误差e(∞)根据拉普拉斯变换终值定理,按式(6)计算
当输入信号xc(t)为阶跃信号时,即有式(7)
式中:xc——xc(t)阶跃信号的幅值。
在式(7)中,未出现比例增益Ky,即引入接力器行程比例负反馈信号并不会影响系统的稳态误差。因此,引入接力器行程比例负反馈信号后,对水轮机调节系统静特性无影响;
步骤4.比例增益Ky取值范围确定
比例增益Ky取值越大,对抑制接力器运动速度的效果越好,但是比例增益Ky过大,会使接力器限幅非线性特性显现,并对调节系统的静特性产生影响。比例增益Ky的取值范围为0.8~2。
本发明的有益效果:
将接力器行程信号以比例负反馈方式同时引入至调速器的比例和微分环节后,在小波动过渡过程中,机组的水头波动幅度、转速反调量和转速超调量明显减小,使水轮机调节系统的动态性能得到明显提升。
附图说明
图1为常规水轮机调速器结构框图;
图2(a)-图2(b)为常规水轮机调速器结构模式下的水轮机调节系统仿真模型;
图3为常规水轮机调速器结构模式下的水轮机调节系统阶跃响应曲线;
图4为常规水轮机调速器结构模式下的水轮机调节系统开环对数频率特性;
图5为引入导叶接力器行程比例负反馈信号后调速器结构框图;
图6(a)-图6(b)为引入导叶接力器行程比例负反馈信号后的水轮机调节系统仿真模型;
图7为引入导叶接力器行程比例负反馈信号前后水轮机调节系统阶跃响应曲线;
图8为引入导叶接力器行程比例负反馈信号前后接力器位移响应曲线;
图9为引入导叶接力器行程比例负反馈信号前后的水轮机水头波动图;
图10为引入导叶接力器行程比例负反馈信号后水轮机调节系统开环对数频率特性;
图11为本发明结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面就本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明是通过引入接力器行程比例负反馈提高水轮机调节系统动态性能的。
如图11所示,本发明的一种应用于具有长有压引水道水电站的水轮机控制方法,包括如下步骤:
步骤1.分析采用常规水轮机调速器结构的水轮机调节系统动态特性如图1所示,常规水轮机调速器相应的传递函数为式(1)
结合有压引水道和水轮发电机组的数学模型,构建常规水轮机调速器结构模式下的水轮机调节系统仿真模型,如图2(a)-图2(b)所示。以转速给定信号xc(t)为输入时,系统开环传递函数G0(s)为式(2)
式中:ey——水轮机力矩对导叶开度传递系数;
eqy——水轮机流量对导叶开度传递系数;
eqx——水轮机流量对转速传递系数;
eh——水轮机力矩对水头传递系数;
eqh——水轮机流量对水头传递系数;
Ta——机组惯性时间常数,单位s;
Tw——水流惯性时间常数,单位s;
Td1——微分环节时间常数,单位s,一般取Td1=0.01s左右;
Ty——接力器反应时间常数,单位s;
bp——永态转差系数,其整定范围为0~0.1;
en——水轮发电机组综合自调节系数;
Kp——比例增益;
Ki——积分增益;
Kd——微分增益。
为了便于分析说明,以某水电站为例加以分析。电站有压引水系统水流惯性时间常数Tw为20.46s,机组惯性时间常数Ta为5.05s,机组额定转速为333.3rpm。针对59%开度工况,其水轮机六个传递系数见表1。此外,设定水轮发电机组综合自调节系数en(其中包含水轮机力矩对转速传递系数ex的取值)为2.168。
表1水轮机六个传递系数
对于调速器的PID参数设置见表2,永态转差系数bp设置为0。
表2调速器PID参数
由图2(a)-图2(b)可知,该系统为双输入单输出调节系统。其中输入信号xc(t)为转速给定信号,c(t)为开度给定信号,仿真分析时,转速给定信号设定为+10%的阶跃信号,开度给定信号设定为0,即
xc(t)=0.1·1(t)
c(t)=0
式中:1(t)——单位阶跃信号。
通过数字仿真,可得该系统阶跃响应曲线,如图3所示。
由图3可知,虽然系统最终可以稳定,但机组转速反调量相当大。这是由于调节初期,接力器运动速度过快,在大水流惯性作用下,水轮机工作水头急剧下降造成的。
对上述系统采用开环对数频率特性分析的结果如图4所示。由图4可见,其增益裕量非常小,仅有1.96dB。这表明系统的动态特性很差,与数字仿真结果一致。
步骤2.寻求抑制系统调节初期接力器运动速度的措施
为抑制系统调节初期接力器运动速度,最直接的办法即是将接力器行程信号以负反馈的形式引入调速器的输入端,但同时必须注意,不能对调速器的静特性产生影响。因此将接力器行程信号以比例负反馈(比例增益定义为Ky)的形式引入调速器的比例和微分环节,以改变调速器的结构。
如图5所示,为引入导叶接力器行程比例负反馈后调速器结构框图,相应的调速器传递函数Gr,y(s)为式(3)。
结合水轮机组段和发电机及电网数学模型,构建引入接力器行程比例负反馈信号后的水轮机调节系统仿真模型,如图6(a)-图6(b)所示。
步骤3.分析引入接力器行程比例负反馈信号后,水轮机调速器结构的水轮机调节系统动态特性
采用与步骤1分析相同的数据,并取Ky为1,对引入接力器行程比例负反馈信号后的水轮机调节系统进行数字仿真,其结果如图7~9所示。
由图7可知,系统阶跃响应动态过程得到了明显改善,机组转速反调量和超调量极小;由图8可知,在调节初期,接力器运动速度得到明显降低;由图9可知,水轮机水头波动得到明显抑制。
引入接力器行程比例负反馈信号后,相应水轮机调节系统的开环传递函数G0,y(s)为(4)。
式中:D=[[Kp(Td1s+1)+Kds]s+Ki(Td1s+1)][-Tweqyehs+ey(Tweqhs)+1]
E=[(Td1s+1)(Tys+1)s+Ky[KP(Td1s+1)+Kds]s+Kibp(Td1s+1)(Tys+1)]
F=[(TWeqhs+1)(Tas+en)+Tweheqhs]
对该系统采用开环对数频率特性分析的结果如图10所示。由图10可见,其增益裕量得到有效地提升,达到9.5dB。这表明系统的动态特性得到了改善,亦与数字仿真结果一致。
步骤4.引入接力器行程比例负反馈信号后,对水轮机调节系统静特性影响分析
正如前述分析,引入接力器行程比例负反馈信号后,水轮机调节系统开环传递函数G0,y(s)为式(4),因此,根据图6(a)-图6(b),机组转速误差的拉普拉斯变换E(s)为式(5)。
式中:Xc(s)——输入信号xc(t)的拉普拉斯变换。
相应的稳态误差e(∞)可根据拉普拉斯变换终值定理按式(6)计算。
当输入信号xc(t)为阶跃信号时,即有式(7)
式中:xc——xc(t)阶跃信号的幅值。
在式(7)中,未出现比例增益Ky,即引入接力器行程比例负反馈信号并不会影响系统的稳态误差,因此,引入接力器行程比例负反馈信号后,对水轮机调节系统静特性无影响。
步骤5.比例增益Ky取值范围确定
通过对图6(a)-图6(b)所示仿真模型数字仿真表明,比例增益Ky取值越大,对抑制接力器运动速度的效果越好,但是Ky过大,会使接力器限幅非线性特性显现,并对调节系统的静特性产生影响。通过仿真验证,Ky取值在0.8~2之间,可避免上述不良影响。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (1)
1.一种应用于具有长有压引水道水电站的水轮机控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1.建立基于常规水轮机调速器结构的水轮机调节系统数学模型
常规水轮机调速器的传递函数Gr(s)为式(1)
结合有压引水道和水轮发电机组的数学模型,构建常规水轮机调速器结构模式下的水轮机调节系统仿真模型,以转速给定信号xc(t)为输入时,系统开环传递函数G0(s)为式(2)
式中:ey——水轮机力矩对导叶开度传递系数;
eqy——水轮机流量对导叶开度传递系数;
eqx——水轮机流量对转速传递系数;
eh——水轮机力矩对水头传递系数;
eqh——水轮机流量对水头传递系数;
Ta——机组惯性时间常数,单位s;
Tw——水流惯性时间常数,单位s;
Td1——微分环节时间常数,单位s,取Td1=0.01s;
Ty——接力器反应时间常数,单位s;
bp——永态转差系数,其整定范围为0~0.1;
en——水轮发电机组综合自调节系数;
Kp——比例增益;
Ki——积分增益;
Kd——微分增益;
步骤2.建立引入接力器行程比例负反馈信号后的水轮机调节系统数学模型为抑制系统调节初期接力器过快的运动速度,将接力器行程信号以比例负反馈的形式引入调速器的比例和微分环节,其中比例增益为Ky,以改变调速器的结构;
引入接力器行程比例负反馈信号后,调速器的传递函数Gr,y(s)为式(3)
引入接力器行程比例负反馈信号后,以转速给定信号xc(t)为输入时,相应水轮机调节系统的开环传递函数G0,y(s)为式(4)
式中:D=[[Kp(Td1s+1)+Kds]s+Ki(Td1s+1)][-Tweqyehs+ey(Tweqhs)+1]
E=[(Td1s+1)(Tys+1)s+Ky[KP(Td1s+1)+Kds]s+Kibp(Td1s+1)(Tys+1)]
F=[(TWeqhs+1)(Tas+en)+Tweheqhs]
步骤3.分析引入接力器行程比例负反馈信号后,对水轮机调节系统静特性影响
引入接力器行程比例负反馈信号后,水轮机调节系统开环传递函数G0,y(s)为式(4),机组转速误差的拉普拉斯变换E(s)为式(5)
式中:Xc(s)——输入信号xc(t)的拉普拉斯变换;
相应的稳态误差e(∞)根据拉普拉斯变换终值定理,按式(6)计算;
当输入信号xc(t)为阶跃信号时,即有式(7)
式中:xc——xc(t)阶跃信号的幅值;
在式(7)中,未出现比例增益Ky,即引入接力器行程比例负反馈信号并不会影响系统的稳态误差,因此,引入接力器行程比例负反馈信号后,对水轮机调节系统静特性无影响;
步骤4.比例增益Ky取值范围确定
比例增益Ky取值越大,对抑制接力器运动速度的效果越好,但是比例增益Ky过大,会使接力器限幅非线性特性显现,并对调节系统的静特性产生影响;
比例增益Ky的取值范围为0.8~2。
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