冲击式水轮发电机组

2024-05-06

冲击式水轮发电机组（精选四篇）

冲击式水轮发电机组篇1

冲击式水轮机的效率研究表明:高水头冲击水轮机最优效率所对应的最优转速范围很窄,转速是影响效率的重要因素。因此,应采用变速恒频运行措施来提高机组性能,它可使水轮发电机组一直处于最优工况运行,加权平均效率提高2%~5%,并减少水轮机转轮空蚀和磨损,大大延长机组的检修周期和寿命。

本文研制了基于32位DSP的高水头冲击水轮发电机组交流励磁控制系统,在国内首次对高水头冲击水轮发电机组的变速恒频运行、最大效率追踪等问题进行系统分析和研究。并开发了高可靠、高性能、低成本交流励磁与调速协调控制系统,提出了空载运行控制策略和发电运行协调控制策略,提高了电网稳定性,实现了高水头冲击水轮发电机的最大效率追踪。

1 系统总体结构和工作原理

交流励磁变速恒频冲击水轮发电机组主要由冲击式水轮机、双馈型异步发电机、液压调速器、交流励磁主回路、交流励磁与调速器协调控制系统组成,总体结构如图1所示。

并网发电机组多工况运行(如空载运行和并网运行等),控制系统具有多变量、多回路、多目标等特点,且被控参量非线性、强耦合。为了获得良好的控制品质,笔者提出了变结构、变参数协调控制思想,即设计协调控制模块,建立协调控制机制。在协调控制模块管理下实现空载运行控制和并网发电控制的动态切换、交流励磁控制和转速控制的动态匹配。并网运行时交流励磁与液压调速协调控制系统原理如图2所示。

空载运行是为并网运行做准备的。此时,空载控制程序根据水头和最优转速模型计算最优转速na,其速度调节回路按转速指令控制调速器,粗调水轮机转速至na,完成最优转速开机。系统投励操作信号发出后,其电压调节回路检测水机转速,调节交流励磁电流的幅值、频率和相位,使之满足:fm+fe=fz,ut=un,θt=θn,以等待并网。式中:fm代表水轮机频率;fe代表交流励磁电流频率;fz代表电网同步频率;ut代表机端电压有效值;un代表电网电压有效值;θt代表机端电压相位角;θn代表电网电压相位角。

并网运行以提高电网稳定性为首要目标,主要完成功率调节和最大效率追踪,交流励磁与液压调速采用协调控制,协调控制系统包含功率解耦调节、速度调节、负荷突变控制和水机喷针开度前馈控制等四个部分,电网负荷变化和水头变化是主要扰动因素。中小机组的输出功率给定一般都是由电网调度来分配,功率调节回路按功率需求指令调节。和同步发电机的调速器调节有功输出、直流励磁系统调节无功输出的控制方法相比较,交流励磁异步发电机组的优点是交流励磁控制系统可以实现有功、无功的独立控制。若功率需求变化时,有功和无功调节回路调节励磁电流,跟随电功率需求变化;喷针开度前馈控制预调水机出力以减小速度波动;速度调节回路缓慢调节水机喷针开度以调节机械出力,平衡电功率变化,抑制水轮机转速波动。若水头变化,控制系统计算最优转速,速度调节回路按新的转速指令控制转速,实现最大效率追踪。同时,功率调节回路检测水机转速,快速调节交流励磁电流幅值与频率,以使输出功率无波动。得益于交流励磁与液压调速的动态协调控制,功率调节快而精,提高了电力系统稳定性;速度调节慢而粗,减少了机组喷针抽动,降低了速度控制难度,实现了最大效率追踪控制[1,2,3,4,5,6]。

2 交流励磁与液压调速协调控制策略

协调控制模块实时监测发电机组状态,按协调机制调用控制策略、调整控制结构、重配控制参数。协调控制系统总体结构框图如图3所示[7,8,9]。

2.1 空载运行控制策略

空载运行时,发电机组为并网发电做准备。空载运行控制策略由电压调节回路和速度调节回路组成。速度调节回路按最优转速指令调节水轮机的喷针开度,实现最优转速开机、多转速并网。系统投励操作指令发出后,电压调节回路跟踪电网电压向量、检测水机转速、快速精确地调节励磁电流幅值、频率和相位,从而调节发电机机端电压向量以满足并网条件。具体调节步骤如下:

(1)根据水头数据和最优转速模型计算最优转速na;

(2)将na作为速度调节回路的转速指令,速度调节器调节水轮机喷针开度,将水轮机转速稳定在最优转速;

(3)操作指令发出后,其电压调节回路以电网电压为参考量,检测水机转速、调节励磁电流的频率、幅值和相位,使发电机机端电压满足并网条件;

(4)接并网指令后,操作并网断路器合闸并网。

2.2 并网发电控制策略1

并网发电时,调节输出电功率满足负荷快速变化、提高系统稳定性是协调控制系统的核心任务。当DL=1时,即并网油开关合闸,协调控制模块调用并网发电控制策略1。控制策略1由功率解耦控制、速度闭环控制和开度前馈控制组成。当功率需求变化时,有功功率调节回路和无功功率调节回路以功率指令为给定值,快速、精确地独立调节有功和无功励磁电流分量,使输出电功率快速跟随有功和无功变化;开度前馈控制根据有功变化量,在机组转速尚未变化时预调喷针开度以减小转速波动;输出电机功率的变化将破坏电功率和机械功率的平衡,机组转速缓慢变化,这时速度调节回路作用,调节水轮机喷针开度,重新恢复发电机与水轮机功率的平衡,保持机组转速恒定。

当工作水头发生变化时,控制任务是实现最大效率追踪。按最优转速模型计算最优转速指令,最优转速指令变化时,速度调节回路起作用,调节水轮机喷针开度以满足新的转速指令。速度调节过程中,转速变化将对功率调节产生扰动。要维持电机输出功率恒定不变,功率调节回路也同时起作用,检测水机转速,调节励磁电流频率。因为机组转速变化缓慢,电功率调节响应迅速,因此可通过提高功率调节回路的抗速度扰动能力来获得良好的控制品质,不设功率前馈控制。

2.3 并网发电控制策略2

当DL=1,且功率需求和工作水头同时变化时,协调控制模块调用并网发电控制策略2。控制策略2同样由功率解耦控制、转速闭环控制和开度前馈控制组成,不同之处在于三种控制遵循严格的时序,即先启动功率控制以保证电网稳定,待调节过程基本稳定后再启动最大效率追踪。协调控制模块首先将功率指令下发给功率调节回路,功率调节回路快速、精确地独立调节有功和无功励磁电流分量,使输出电功率满足电网需求变化;前馈控制在机组转速尚未变化时预调喷针开度以减小转速波动。功率调节基本稳定后,电机功率的变化势必打破电功率和水轮机出力的平衡,引起机组转速缓慢变化,这时启动最大效率追踪控制:计算最优转速指令,投入速度控制回路以调节水轮机喷针开度,从而平衡发电机与水轮机功率,调节并稳定转速。

2.4 负荷突变控制策略

当DL=1时,为了快速抑制负荷突变或电网故障所引起的频率和电压波动,协调控制模块检测电网电压的幅值变化Δu和频率变化Δf。当变化大于死区时,调用负荷突变控制策略,投入有功、无功校正环节,即在转子励磁电流给定环节叠加有功、无功校正分量Δi*t2=f(Δf)和Δim*2=f(Δu)。

3 交流励磁控制系统硬件实现

交流励磁控制系统硬件平台由微处理器模块、传感器模块、信号调理模块、信号隔离、驱动模块、双PWM主回路等组成。全数字化交流励磁控制系统结构框图如图4所示。由于系统检测参量多、变化快、数据处理量大,且对控制系统实时性要求高,故选用TMS320F2812作为主控器[10,11]。

4 交流励磁控制系统软件实现

控制系统软件主程序流程,如图5所示。

系统状态检测模块主要用于检测开机命令、停机命令、并网断路器状态、功率给定等信号。系统故障检测模块主要用于微机控制系统自检和检测锁定、复归、油压、温度等开机准备信号是否正常。若系统检测无故障且开机命令发出,控制系统调用空载运行控制策略,开机并进入空载运行,等待并网操作。开机顺序是先打开水轮机喷针至空载开度,在速度控制回路作用下,将机组转速稳定在最优转速;然后交流励磁控制投入,实施机端电压闭环控制,调节励磁电流幅值、频率和相位,跟踪电网电压向量以达到并网条件。

进入空载运行后若并网断路器合闸,即DL=1,系统自动转入发电运行。在发电运行控制策略作用下,有功、无功和速度控制回路协调工作,实现有功、无功独立控制和最大效率跟踪;若断路器再次分闸,即DL=0,系统解列后回到空载运行。在空载运行或发电运行状态,若机组接到停机命令,则进入停机操作:关闭喷针开度,切除交流励磁,同时反向冲水制动,等待机组转速为零后锁定。

空载并网控制程序由定子电压检测、转子电流检测、状态检测、空载运行交流励磁控制、SPWM控制、速度控制、并网操作、停机控制等子程序组成。

发电运行控制程序由定子电流电压检测、转子电流检测、运行状态检测、交流励磁与液压调速器协调控制、SPWM控制、解列操作、停机控制等子程序组成。

5 实验结果与分析

实验装置由直流电动机、交流异步发电机、直流可控电源、双PWM主回路、励磁与调速协调控制系统、同期并网装置等组成。直流电动机及直流可控电源模拟水轮机作原动机,功率为3.3 k W,采用调压调速方式;交流绕线电机模拟双馈异步发电机,功率2.2 k W,4极,额定转速1 500 rpm,直流拖动电机和交流异步发电机直轴连接;双PWM主回路向交流异步电机转子绕组提供变频励磁电源,直流可控电源向直流电动机提供电源;励磁与调速协调控制系统检测状态量、输出控制量,协调控制发电机功率和直流电动机转速;同期并网装置用于并网操作,电网电压380 V。

5.1 空载并网控制实验

实验波形及数据如图6所示。实验结论:1)经计算,并网时间0.20~0.25 s;跟网调节时间<0.1 s;该实验条件下冲击电流<5 A,并迅速衰减。2)空载并网控制策略使机端电压快速跟踪电网电压,并网时间短,冲击电流小。3)交流变频范围≥±15.00 Hz,机组能在宽转速范围内快速小扰动并网。

5.2 最大效率追踪实验

实验波形及数据如图7所示。实验结论:1)最优转速算法能实时计算最优转速,计算精度高;最优转速变化±20%,水头变化范围可达±44%。2)速度控制回路按最优转速指令调节,将转速稳定在最优转速;转速响应慢而稳、有效克服了机组抽动。3)交流励磁与调速器的协调控制,使最大效率追踪过程中的转速变化不影响有功、无功输出。调节过程中有功波动小,无功无波动,稳定后有功、无功不变。

6 结论

运用交流励磁技术与高水头冲击式水轮发电机组结合能更充分有效地利用水力资源,从环境保护、节约能源等方面体现出巨大的社会效益。本文以32位DSP为控制器,开发了能实现最优动态匹配重构容错控制的高可靠、低成本交流励磁与调速协调控制系统。课题研究成果不仅可以用于水力发电机组,同时也能在风力发电机组上加以推广应用。高水头冲击水轮发电机组的最大效率追踪以及相关的交流励磁控制技术的研究成果,具有一定的学术应用价值和较大的推广应用前景。

摘要：在国内首次对高水头冲击水轮发电机组的变速恒频运行、最大效率追踪等问题进行系统分析和研究。针对被控对象多变量、强耦合特点,提出了变结构、变参数协调控制策略,实现了交流励磁控制与液压调速器的最优动态匹配。采用双PWM变换器结构,构建了一套基于TMS320F2812的高可靠、低成本交流励磁与调速协调控制系统,通过实验分析表明,该控制系统提高了电网稳定性,实现了高水头冲击水轮发电机的最大效率追踪。

关键词：变速恒频,交流励磁控制,数字信号处理器,高水头冲击水轮发电机组

参考文献

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[10]刘和平.DSP原理及电机控制应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

冲击式水轮机调节控制设计探讨篇2

【摘要】本文主要介绍冲击式水轮机调节系统的组成部分，以及在使用过程中采用的几种调节方式和调节原理，着重介绍目前比较安全的一种喷嘴装配结构：内拆式水力自关闭喷嘴。

【关键词】冲击式水轮机；喷针；偏流器；调速器；自关闭

概述

冲击式水轮机都用于高水头水电站，冲击式水轮机调节控制系统需满足两个方面的功能：一、通过调节机组过流来调节机组的转速或出力，使机组能在任何负荷工况下保持额定转速稳定运行。其中包括零符合工况和机组空载时的稳定运行，这是保证机组能快速并入电网的必要条件。二、冲击式水轮机调节控制系统设计必须具备安全性、稳定性和可靠性。满足电站调节保证的要求，保证压力钢管和机组的安全。在机组甩负荷时，保证压力钢管的水压上升和机组转速上升不大于预定值。冲击式水轮机调节系统的组成部分包括：调速器、喷针、偏流器、节流器、自动化元件等。喷针调节和偏流器调节组成冲击式水轮机组的双重调节机构。

双重调节机构动作原理

（工况一）当机组在某一稳定负荷下运行时，喷针处于与负荷相适应的位置，保持不动，偏流器位于射流柱外，不干涉射流作功。（工况二）当机组甩100%负荷时，机组转速急剧上升，偏流器快速动作，将射流偏离水轮机转轮，于是，机组转速上升被控制在允许范围；同时，喷针缓慢移动关闭喷嘴，压力钢管的水压上升也被控制在允许范围内 [注：喷针、偏流器的动作速度是根据调节保证计算要求的开启和关闭时间，预先整定设置，由调速器控制]。（工况三）当机组缓慢减负荷时，偏流器不会切入射流。（工况四）当机组增负荷时，偏流器不能干涉射流作功，也不会切入射流。（工况五）当空载并网时，由于喷针移动速度缓慢，单独依靠喷针调节来稳定机组额定转速是困难的，必须由偏流器快速关闭帮忙，才能迅速稳定机组频率，并入电网。

双重调节的分类

一、按调节过程完成后，偏流器与射流相对位置的不同来区分，双重调节系统可分为两种形式：1、喷针-偏流器协联动作式冲击式水轮机双重调节系统。“协联动作”就是指偏流器始终跟随射流（直径）变化而动作，在调节过程完成后，偏流器切水口都位于射流外，并保持很小的距离（一般为6-8mm）；2、喷针-偏流器非协联动作式冲击式水轮机双重调节系统。“非协联动作”就是指偏流器不跟随射流（直径）变化而动作，而且，偏流器只有两个极端位置：全开和全关。

二、按喷针-偏流器不同控制方式来区分，双重调节系统又可分为两种形式：1、偏流器-喷针相继动作式冲击式水轮机双重调节系统，“相继动作式”指由自动调速器的接力器直接操纵偏流器动作，同时由偏流器接力器通过协联机构的协联凸轮、喷针配压阀和喷针接力器来操纵喷针动作。2、偏流器-喷针并列动作式冲击式水轮机双重调节系统，“并列动作式”指由自动调速器控制的两个配压阀同时动作，然后控制偏流器和喷针的接力器操纵偏流器和喷针同时动作。

冲击式调速器简介

自动调速器开始为电液自动调速器。主要型式为YDT、YWT，后来发展为使用步进电机PLC的BWT调速器。电液自动调速器输出的是扭矩，通过调速轴，把调速器的转臂和水轮机的操作机构连接在一起，调速器的指令通过连杆操作机构中的配压阀活塞左、右移动，压力油通过配压阀的孔口流入接力器的两侧，操作喷针启闭，在调速轴的适当位置，另设一套拐臂、连杆来直接控制偏流器，以保证偏流器和喷针的协连关系，此种设计，单喷嘴冲击式水轮机可靠、稳定。如果是双喷嘴冲击式水轮机或多喷嘴水轮机要保证多个喷针和偏流器协联动作难度较大，存在喷针位移控制不稳等问题。

目前，冲击式水轮机普遍采用喷针-偏流器非协联动作式冲击式水轮机双重调节系统。冲击式调速器都采用冲击式专用调速器，冲击式专用调速器是改进过的PLC型电液自动调速器，冲击式专用调速器与一般调速器的主要区别在于输出不再是扭矩，而是压力油。由于冲击式调速器是通过改变喷针的开度来改变流量，喷针作直线运动，因此只在喷针后设置一个接力器，控制压力油的进出方向就直接控制喷针的启闭。这样，就可以取消水轮机上的操作机构，为了让调速器减少调节，使调节过程稳定，须精确控制喷针的行程，因此需要设置一个直线位移传感器[精度为微米级]，对于偏流器只需再全开和全关位置各设置一个行程开关。冲击式专用调速器大多数厂家采用可编程逻辑控制器（PLC），采用面向硬件的仿真编程，采用模块结构，变参数并联PID调节原理，测频环节由PLC完成，无需单独设置测频回路，提高了测频环节的可靠性。有的厂家采用PCC（可编程计算机控制器），它将原PLC的标准功能与工业计算机的多任务操作系统集成在一起，配以数字阀随动系统，用户反映良好。

喷针和偏流器结构分类

现在的喷针和偏流器都是靠接力器控制，接力器是通过调速器压力油控制。根据接力器的通油腔数计算，分单腔操作结构和双腔操作结构。双腔操作结构开启和关闭（喷针或偏流器）都通过调速器油压来完成，调速器采用的电磁阀为二位四通，此种方式存在一个风险就是当调速器失压或压力不足，就不能正常关闭（喷针或偏流器），此种控制方式为目前各大厂家普遍采用。单腔操作结构就是开启（喷针或偏流器）采用调速器油压，而调速器采用的电磁阀为二位三通。关闭（喷针或偏流器）采用弹簧或压力水。这就是笔者着重推荐的自关闭结构。就是在调速器失压或压力不足，也能关闭（喷针或偏流器）。目前我厂的冲击式水轮机均采用内拆式水力自关闭喷嘴，喷嘴关闭靠水力自关，偏流器关闭靠弹簧自关。此种结构方式在2008年汶川大地震得到检验。四川省阿坝州茂县色如沟电站（水轮机：CJA237-W-105/1×9、发电机：SFW1600-8/1430）地震时，滚石打坏调速器，但由于该机组采用我厂专利喷嘴：自关闭结构，在地震后检查，喷嘴、偏流器在地震时自关闭，没造成机组飞车，压力钢管还保持压力水。

“内拆式水力自关闭喷嘴”全面改善了喷嘴的调节性能，主要体现在：

1）喷针水力自关闭技术-----在油压装置事故低压和失压的情况下，机组都能安全停机，不会飞逸。2）喷嘴装配的内部零件内拆---可缩短大修时间，维修、更换零件方便，大大减小劳动强度。3）油水隔离和防砂装置-----防止油水混合，环保，保证机组安全运行，便于观察密封圈是否损坏。4）新型喷针轴、活塞的密封和导向装置---摩阻力小，能提高喷针调节灵敏度，并能自动补偿磨损，经久耐用。5）喷针水力平衡装置-----能改善喷针开关力特性，使喷针开关力对称、全程均匀，开关灵敏，不发生卡阻。6）采用单腔控制式油缸----能简化控制系统的油管路，每个组合式喷嘴装配的控制部分，只有2根油管与自动调速器软连接（传统结构需要4根油管），安装维护方便。7）采用高精密μm级电子位移传感器，只需一根电缆向“冲击式专用电子自动调速器”反馈，提高了喷针调节灵敏度；方便安裝。8）采用具有自关闭功能的偏流器的组合式喷嘴和多喷一折机构，使喷针水力自关闭和偏流器自关闭，双重保险，保证了机组停机的绝对可靠。9）采用喷针、偏流器非协联双重调节控制系统。

结语

冲击式水轮机调节控制设计在水轮发电机组中是非常重要的一个环节，随着时间推移，技术进步，其结构和系统也会不断发展和进步，须广大同行共同努力，为我国水电发展多作贡献。

参考文献

[1]周文桐，周晓泉著.《水斗式水轮机基础理论与设计》.中国水利水电出版社

[2]《水轮机设计手册》.哈尔滨大电机研究所

冲击式水轮机专用调速器的应用体会篇3

随着调速器在冲击式水轮机中的运用, 使得冲击式水轮机的运行效率和质量得到了大幅度提升, 同时还提高了水轮机的节能效果从而为我国电力事业和人类的可持续发展起到了至关重要的作用同时也为满足人们的电力需求奠定了坚实的基础。

然而从冲击式水轮机的运行情况而言, 为了使冲击式水轮机能够的性能能够进一步提升, 还应该对冲击式水轮机以及调速器进行改进。本文从冲击式水轮机专用调速器的概述出发, 对冲击式水轮机和调速器进行了深入的研究。然后对冲击式水轮机专用调速器的应用进行了详细阐述。希望能够起到抛砖引玉的效果, 是同行相互探讨, 共同提高, 进而为我国电力事业发展起到一定的促进作用。

1 配置电液调速器时的特点

电液自动调速器主要是指ydt、ywt型, 后来发展为使用步进电机plc的bwt调速器, 它的测频放大、回复及控制部分采用电气回路来实现, 而液压放大、反馈机构、作功机构则采用机械液压装置, 是目前应用最广泛的调速器。

由于冲击式水轮机的压力钢管一般比较长, 因此, 喷针不能关闭太快, 否则会产生极大的水压, 危害压力管的安全, 同时, 又必须在极短的时间内切除射流, 以防止出现飞逸, 现在的机组一般采用喷针与折向器双重调节的操作机构。

2 配置冲调时的特点

冲调实际上是改进过的plc型电液自动调速器, 它分单喷嘴用调速器、双喷嘴用调速器, 冲调与普通调速器的主要区别在于它输出的不是扭矩, 而是压力油;由于冲击式水轮机是通过改变喷针的开度来改变其流量, 喷针是作直线运动的, 因此只要在喷针后设置1个接力器, 控制压力油的进出方向, 就能直接控制喷针的启闭, 这样, 就可以取消水轮机上的操作机构。为了让调速器减少过调节, 使调节过程稳定, 精确控制喷针的行程, 要设置1个位移反馈装置。

位移反馈装置通常有机械反馈和电气反馈两种。机械反馈是用钢丝或钢带将喷针的位移信号送到调速器的回复轴上, 再通过调速器内部液压系统和电气回路共同作用, 使主配压阀的活塞逐渐回到平衡位置, 从而使喷针达到稳定状态;而电气反馈则是通过位移传感器或电位计等电子元件将喷针的位移信号转变为电压信号, 反馈到plc的a/d接口 (模数转换接口) , 该数值与plc内部的计算值进行比较, 以决定喷针是开还是关。由于反馈电压的作用与频率偏差的作用正好相反, 就减缓了接力器的移动速度, 减小了过调节, 使调节达到平衡, 保证机组稳定运行。目前, 国内不同厂家生产的冲调采用的反馈形式各有其特点, 可根据不同的机组的具体情况, 选择合适的反馈形式。

冲调的另一改进是它的软件系统, 大多厂家的可编程逻辑控制器 (plc) , 采用面向硬件仿真编程, 采用模块结构, 变参数并联pid调节原理, 改变了以往采用梯形图、指令表等程序结构, 其测频环节由plc本身完成, 无须单独设置测频电路, 提高了测频环节的可靠性。也有厂家采用pcc (可编程计算机控制器) , 它将原plc的标准功能和工业计算机的多任务操作系统集成在一起, 配以数字阀随动系统, 效果也不错。

3 应用实例

浙江丽水黄样口电站, 装机容量为两台800kw的cja237-w-62/2x7型双喷嘴冲击式水轮机, 电站的技术参数如下:设计水头239m, 设计流量0.439真/。发电机为sfw800-6/1180, 调速器为天津某厂的tdbwct-2型冲击式水轮机专用调速器。

在设计时, 考虑到下喷针在厂房平面以下, 工作环境比较潮湿, 还有可能发生滴水滴油等情况, 我们对电位计、位移传感器等电气元件能否长期可靠工作存有疑虑, 所以选择了机械反馈方式, 并设计了1个反馈机构, 将喷针的移动距离转换为扇形轮的旋转弧长, 再通过5mm的钢丝绳经滑轮反馈到调速器中的回复轴上。当喷针移动时, 回复轴也相应转动, 通过杠杆使与之相联的步进电机发出位移反馈信号, 经与plc的位置信号进行运算后, 输出一个频率差值, 通过步进电机驱动器去驱动步进电机, 使引导阀针塞离开中间位置;此时, 主配压阀的活塞受压差作用作相应移动, 通过液压系统向喷针接力器配送压力油, 同时, 带动回复机构运动, 通过杠杆使引导阀针塞回到中间位置, 完成一次调节, 从而控制喷针稳定在某一位置, 以保证机组频率和出力的稳定。在这台机组的试运行时, 先进行手动操作, 喷针接到指令后, 迅速移动, 没有发生配置普通ydt调速器时的滞后现象;自动开机起动时, 机组自动跟踪电网频率, 转速迅速上升到同期要求, 顺利并网。

结束语

随着调速器在冲击式水轮机中的运用, 使得冲击式水轮机的运行效率和质量得到了大幅度提升, 同时还提高了水轮机的节能效果, 从而为我国电力事业和人类的可持续发展起到了至关重要的作用, 同时也为满足人们的电力需求奠定了坚实的基础。

通过本文对冲击式水轮机专用调试器的深入分析, 相信读者对其也有了更深刻的认识。总而言之, 为了使冲击式水轮机能够的性能能够进一步提升, 还应该对冲击式水轮机以及调速器进行改进。

摘要：在科学技术高速发展的新时代, 由于科学技术的日新月异, 在当前社会的各领域中各种先进的设备和技术以及理论层出不穷, 随着这些设备和技术以及理论在社会各生产领域中的应用, 使得社会的生产水平得到了大幅度提高, 从而为推动社会经济发展起到了不可估量的作用。在当前的一些中小型冲击式水轮机中, 通常会配置电液调速器, 电液调速器能够大幅度提高冲击式水轮机的运行效果。随着调速器在冲击式水轮机中的运用, 使得冲击式水轮机的运行效率和质量得到了大幅度提升, 同时还提高了水轮机的节能效果, 从而为我国电力事业和人类的可持续发展起到了至关重要的作用, 同时也为满足人们的电力需求奠定了坚实的基础。然而从冲击式水轮机的运行情况而言, 为了使冲击式水轮机能够的性能能够进一步提升, 还应该对冲击式水轮机以及调速器进行改进。本文通过对冲击式水轮机和调速器的深入研究。然后对冲击式水轮机专用调速器的应用进行了详细阐述, 以供同行探讨。

冲击式水轮发电机组篇4

水轮机调速器是水轮发电机组的重要辅助设备, 其状态的好坏直接关系到发电机的供电质量并影响水轮发电机组的安全稳定和经济运行。因此, 全面、有效、客观地对水轮机调节系统进行性能的评价是十分必要的。一般而言, 完整的评价应包含静态和动态性能评价两个方面的内容[1,2], 前者主要针对调速器, 后者则针对整个系统。对于调速器静特性的测试而言, 可在调速器生产厂或在电厂机组无水状态下实现。然而, 对于调速系统的动特性测试, 以往则必须等待机组开机条件具备后方可进行。为克服这种限制, 利用实时仿真系统模拟机组的动态特性, 并作为受控对象与真实调速器一起构成闭环系统, 实现机组在无水状态下的各种调速系统动特性试验将是一种很好的出路。这不仅可提前预知调速设备质量和及早发现设备缺陷所在, 为调速系统相关设备的安装和检修质量提供可信服的检验, 而且也可以通过试验寻找调速器最优参数, 减少真机系统试验成本, 甚至可取消真机试验。图1给出了这种实时仿真系统的示意图。

本文在混流式机组仿真的基础上, 探讨轴流转桨式水轮机组的非线性实时仿真方法。其特点在于:在硬件上, 采用了最先进的浮点型数字信号控制器 (Digital Signal Controller, DSC) TMS320F28335作为仪器的核心, 保证了在进行非线性仿真情况下的实时性;在算法上, 采用了两个BP型神经网络分别用以模拟轴流转桨式水轮机导叶开度、桨叶开度、单位转速与单位流量、单位转矩间的非线性关系, 保证了仿真算法的通用性、准确性和易实现性;在软件上, 采用专门用于测试系统的虚拟仪器开发平台 (LabWindows/CVI) 开发, 保证了仪器软件的可靠性、多种操作系统下的可移植性和易学、易用性。

1 实时仿真系统的结构和原理

仿真系统的硬件是基于浮点DSC的水力机组调速系统实时仿真测试仪, 由上位机 (PC机) 和前置机两部分组成。前置机的核心部件是DSC处理芯片, 其主要任务是:一方面, 对各路调速器测点信号, 如导叶接力器位移和轮叶开度进行采集和处理, 并根据给定的数学模型进行实时仿真计算, 最后输出仿真的频率信号。另一方面, 将采集到的信息和仿真结果通过以太网传送至PC机, 供上位机分析、记录和显示等软件模块使用。系统硬件电路由两部分电路组成。第一部分为信号调理电路或前置电路, 第二部分是主控制板电路。

信号调理电路:主要用于对试验和仿真所需的输入信号进行预处理, 对各个从主控制板输出的参数进行变换。此电路板主要由以下3个部分组成。

(1) 调理电路电源系统;

(2) 模拟信号输入/输出调理电路;

(3) 频率及开关量信号输入/输出调理电路。

主控制板电路:将对调理电路送来的相关物理量进行采集和计算处理, 与上位机 (PC) 通过以太网连接对试验数据进行传送。主控制板电路由以下几个部分组成。

(1) 主控制板电路电源系统;

(2) 通信接口电路 (主通讯TCP/IP) ;

(3) AD/DA转换电路;

(4) I/O接口电路;

(5) 外扩RAM电路;

(6) CPLD电路;

(7) DSC芯片及其外围电路。

系统的软件由两部分构成, 即前置机软件和分析机软件。其中, 前置机的软件使用美国TI公司提供的DSP软件开发平台CCS3.3和所提供的浮点软件支持包, 整个软件由C语言编写, 并固化在DSP内部的Flash中。分析机软件采用了美国NI公司 (National Instrument) 的虚拟仪器开发平台Labwindows/CVI8.5完成。该开发平台以工程技术人员所熟知的ANSI C为核心, 将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析和表达的测控专业工具相结合, 从而使所开发的仿真应用软件更可靠、更易学、易用。图2给出了机组实时仿真系统结构示意图。

2 轴流转桨式水轮机组非线性实时仿真算法实现

所讨论的机组非线性实时仿真算法与工程上熟知的水轮机调节系统的大波动计算过程有所不同。考虑到对其实时性和连续运行的要求, 其主要特点包括:①在引水系统中, 由流量变化引起的水头变化采用了简单情况下的特征线法, 即仅考虑单段单管对单机的情形。大量实验表明, 这种方法的迭代收敛性要优于其他方法;②对于水轮机的非线性, 采用了两个三输入单输出的BP型神经网络分别描述单位转速、导叶开度、桨叶开度到单位流量、单位转矩间的关系。这样做最大的益处是前置机不需要存储大量的用于插值计算的数据, 同时, 由于这种用神经网络描述的关系可保证导数的连续性, 更进一步增强了迭代计算的收敛性。

2.1 计算模型

下面以图3所示的轴流转桨式水力机组数学模型的框图讨论其仿真算法的实现问题。

非线性仿真用到的数学模型如下。

(1) 水轮机模型。水轮机模型以接力器开度y、桨叶开度φ、转速N、水轮机水头H为输入, 以流量q和转矩mt为输出, 并分别作用于引水系统和发电机模型。

非线性仿真算法用到的基本关系:

$\begin{array}{l} Ν_{11, k} = Ν_{k} D_{1} / \sqrt{Η_{k}} (1) \\ q_{k} = Q_{11, k} D_{1}^{2} \sqrt{Η_{k}} / Q_{r} (2) \\ m_{t, k} = Μ_{11, k} D_{1}^{3} Η_{k} / Μ_{r} (3) \end{array}$

非线性仿真算法中的非线性关系:

$\begin{array}{l} a_{k} = f_{a} (y_{k}) (4) \\ Q_{11, k} = f_{Q} (Ν_{11, k}, a_{k}, φ_{k}) (5) \\ Μ_{11, k} = f_{Μ} (Ν_{11, k}, a_{k}, φ_{k}) (6) \end{array}$

式中:D1为转轮直径;a为导叶开度;φ为桨叶开度;N11为单位转速。相应的, Q11表示单位流量, q表示水轮机流量, M11表示单位力矩。mt表示水轮机输出力矩。fQ (N11, a, φ) 和fM (N11, a, φ) 分别表示单位流量和单位转矩与单位转速、导叶开度以及桨叶开度间的非线性关系, 其实现将在后面讨论。而接力器开度到导叶开度的非线性关系ak=fa (yk) , 为计算方便, 在算法实现过程中用一个5次多项式描述, 即

$a = Κ_{6} + Κ_{5} y + Κ_{4} y^{2} + Κ_{3} y^{3} + Κ_{2} y^{4} + Κ_{1} y^{5} (7)$

这里的K1…K6为拟合系数, 由给定的样本数据用MATLAB的fit () 工具确定。

(2) 引水系统模型。考虑如图4所示简单引水系统。

图中的s和q分别为引水管道在水库端入口和机组端出口 (水轮机蜗壳进口) 的流量。为简单起见, 将引水系统视为长度为L, 直径为D的单一管道系统, 同时计算段也选为1段。考虑到工程技术人员的习惯和软件使用的便捷性, 模型计算前给定采样周期 (即计算步长) TS和水流加速时间常数TW:

$\begin{array}{l} Τ_{S} = L / V_{W} (8) \\ Τ_{W} = 2 Τ_{S} h_{W} (9) \end{array}$

式中的VW为水击波速, 通常可视为一常数。hW为管道常数[7]。如果进一步考虑基值流量时的水头损失相对值kf为常数, 则在这种情况下的特征线法可描述为

$\begin{array}{l} C_{p, k} = s_{k - 1} - C_{a} k_{f} | s_{k - 1} | s_{k - 1} (10) \\ q_{k} = C_{p, k} - C_{a} Δ h_{k} (11) \\ s_{k} = q_{k - 1} - C_{a} Δ h_{k - 1} - C_{a} k_{f} | q_{k - 1} | q_{k - 1} (12) \end{array}$

这里, Δh表示水轮机蜗壳进口水头的增量值。Ca=TS/TW在仿真过程中可视为常数。显然, 给定流量s0, q0和水头增量Δh0, 则可利用式 (10) , (11) , (12) 不断地递推下去, 从而获得引水管道两端的流量和水头增量值。式 (11) 事实上包含两个未知数, 即引水管道出口的流量qk和水头增量Δhk。为求得这两个值, 必须增补一个边界条件方可求出。考虑到引水管道出口的流量即为水轮机流量, 将式 (2) 与式 (11) 联立求解, 并令

$q_{11} = Q_{11, k} D_{1}^{2} \sqrt{Η_{r}} / Q_{r}$

则有

$Δ h_{k} = (\frac{- q_{11} + \sqrt{(q_{11})^{2} + 4 C_{a} (C_{a} + C_{p, k})}}{2 C_{a}})^{2} - h_{0} (13)$

式 (10) , (11) , (12) 和 (13) 即为所使用的引水系统实时仿真计算模型。

(3) 发电机模型。发电机模型较为简单。采用常规的一阶模型并离散化后得转速的增量值为

$Δ n_{k} = Τ_{s} (m_{t, k} - m_{σ, k}) / Τ_{a} (14)$

式中的mσ为作用于机组的所有阻力矩之和, Ta是机组的惯性时间常数。这样, 当前步的机组转速就可确定为:

$n_{k} = n_{k - 1} + Δ n_{k} (15)$

3.2 机组非线性特性的模拟

在水轮机计算模型中, 包含两个重要的非线性关系fQ (N11, a, φ) 和fM (N11, a, φ) 。它们不仅是区别于不同机组特性的关键所在, 也决定了实时仿真结果的真实性。一般而言, 这两个非线性关系需从机组的模型综合特性曲线上直接读取, 并将获得的数据 (样本数据) , 进行适当的工况延拓, 制成相应的数据表格存储在计算机的内存中。仿真时, 根据当前工况和该数据表格, 采用适当的插值方法, 获取机组的单位流量和单位转矩。这种方法的优点是计算量相对较小, 但缺点是数据量大较大, 占用的存储器较多, 同时也不能保证非线性关系导数的连续性, 给迭代的收敛带来一定的困难。为此, 在我们的非线性仿真实现中, 采用了两个BP型神经网络来实现这种非线性关系。其方法是将来自于机组综合特性曲线的样本数据, 用MATLAB提供的神经网络工具, 离线训练两个结构确定的网络。然后, 将获得的神经网络参数, 包括所有的权值和阈值下载到前置机中。仿真时, 根据当前工况直接利用这些下载的权值和阈值进行神经网络的模拟计算, 从而获得机组在该工况下的单位流量和单位转矩。

为获得合理的拟合精度和尽量小的计算工作量, 必须合理地选择神经网络结构。在大量实验的基础上, 选择了如图5所示所示的神经网络结构。同时, 为实现上的方便, 两个非线性关系实现的神经网络采用了完全相同的结构。

如图5所示, 它们均包含有3个输入和1个输出。图中bx为各神经元的阈值, wxx为连接各神经元和输入输出的权值。其输入层由14个神经元组成, 传递函数Fo (x) 选择为近似的logsig函数。为计算简单, 输出层选择为一个纯线性神经元。

为说明方法的可行性, 图6和图7给出了对于ZZ500型轴流转桨式机组的两个神经网络输入和输出间的关系 (图 (a) ) 以及神经网络输出和训练样本数据间的比较误差 (图 (b) ) 。对于每个神经网络, 其训练用的样本数据来自于该水轮机的模型综合特性曲线, 经工况延拓后, 形成的864组样本数据。

如图所示, 这种方法克服了传统方法的缺点, 每一神经网络对应的数据量, 包括所有的权值、阈值及输入输出的调整系数共79个, 不仅大大小于插值方法的数百到数千个数据, 也保证了关系曲面的平滑性。若要提高仿真精度, 可通过适当增加网络输入层的神经元个数来实现。

3.3 仿真程序流程

非线性仿真算法安排在前置机的中断服务程序中, 由采样周期定时器定时启动。中断服务程序每启动一次, 则算法运行一次。该过程在一预先设定的仿真时间 (由上位机设定并下载) 里反复进行直至完成, 或当接收到上位机的停止仿真命令后, 立即停止。所有算法均采用28335支持的单精度浮点运算, 图8是它的算法实现流程图。

4 结语

本文使用基于MATLAB辅助设计的三输入BP型神经网络模拟机组的非线性特性, 在所提出的硬件系统上, 成功地实现了轴流转桨式水力机组的非线性实时仿真。所探讨的装置可以在不接入原型机的情况下, 与真实双调调速器构成闭环调节系统, 辅助帮助选择调速器参数, 测试调节系统的动态特性以及各参数指标, 从而可以克服原型试验的缺点以及现场调试的盲目性。

参考文献

[1]中华人民共和国电力行业标准.水轮机电液调节系统及装置技术规程 (DL/T563-95) [S].

[2]中华人民共和国国家标准.水轮机调速器与油压装置试验验收规程. (GB/T9652.2-1997) [S].

[3]沈祖诒, 尹延凯.水轮机调节系统对象实时仿真研究[J].大电机技术, 1992, (4) :58-63.

[4]杨惠生, 张健明.水轮机调速系统动态特性试验、仿真及现场应用[J].大电机技术, 2000, (5) :62-65.

[5]刘琪, 张江滨.水轮机调节系统实时仿真测试系统研究[J].大电机技术, 2006, (4) :64-68.

[7]沈祖诒.水轮机调节[M].北京:水利电力出版社, 1988.

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