研究水电站混流式水轮机的非线性动力学模型及暂态过程的控制战略

研究水电站混流式水轮机的非线性动力学模型及暂态过程的控制战略HaiyanBaoHaiyanBao,JiandongYang,LiangFu国家重点实验室，水资源与水电工程科学,中国武汉大学武昌地区东湖南路8号,[e-mail]文摘——在水电站管道加上液体，机器，电的暂态过程是一个非常复杂的动态过程。在本文中，整个混流式水轮机的非线性动力学模型在水电站暂态过程已经制定，并且每一个暂态过程的控制策略都进行了研究。非线性水轮机和恒压供水管道的弹性水击效应被考虑在模型中。该模型足够精确可以代表和模拟每个工厂的暂态过程，可以使工厂经营者受益，在大范围的暂态过程下方便静态研究稳定和暂态稳定的水电站。此外，文献把水电站作为工程案例模拟瞬态过程水轮发电机单位的启动负载瞬态过程变化，满载拒绝从电网和急停。与模拟的结果非常满意。关键词：液压暂态，非线性数学模型，数值模拟，控制策略一.介绍水电是一个重要和关键的可再生能源，是能转换成能量的活水电力。一般来说，水轮发电机组有很多不同的操作条件，任何操作条件的变化会导致不同的水力瞬变。该水力瞬变计算是一个安全的关键环节，单位和可靠性液压装置。传统上，水力瞬变计算的目标是预测三主要包括对调保参数最大动态压力的螺旋情况下，最大转速上升率和尾水管最小压力，从而确保安全运行水电站。然而，随着中国水利水电工程施工和技术的发展，水力瞬变计算的内容是不断地被丰富，它已经不仅包括监管计算保证参数，而且还包括计算和研究质量的稳定和动态[1]。在常规水电站，还有一系列水力瞬变过程，如启动，负载变化，从电网满负荷排斥反应，紧急停止，其中功率和频率的规定可能总是需要[2]。在以设计适当的控制规律，稳定的非线性系统，解决了许多现有的控制问题，减少经营成本和能源损失，提高保障安全，设备及厂房的安全，有必要制定一个整体的非线性动力学模型，该模型准确足以代表和模拟每一个过渡过程厂。开发的模式可能使控制系统设计师或设备操作人员进行准确，经济，便利的学习的静态稳定和暂态稳定性根据广泛的业务水电站非线性过程模式和条件，并设计适当的控制策略，以提高水轮发电机稳定性单位。文献回顾这项工作进行了一些发现发表的研究工作。在[3]，一个启动一种新的规则建议，利用这条规则之间的矛盾迅速启动和顺利启动被淘汰；在[4]，它分析调整的功率调节模式，数字电液省长，以及如何实现功率调整；在[5]，水力发电机组的瞬态性能指标水轮发电机组甩负荷进行了研究。然而，在上述公布的研究工作，其效果水轮机的特点和管道弹性墙壁上的暂态过程被忽视了。此外，整个非线性动力学模型，可以模拟每个瞬间核电厂的发展过程不是前人的研究工程。在中国，一些大型水电站常现在使用的复杂的安排，此外，液压管道变得越来越长，其非线性度很明显的。因此，这是非常重要和必要的制定一个整体的复杂的非线性动力学模型水电系统。I二.数学模型对于发展整个非线性数学模型，水电厂系统分解为脱钩动力模块如图所示。1，和数学每个模块的模型。图1.水电厂动力系统A.液压管道模型在水电站水力暂态计算，一维连续性方程和动量方程将被应用到非定常流管道[6]。这些方程构成部分的两个方程组衍生工具-双曲型类型。一个确切的整合然而非常复杂的方程，解析解罕见。然而，存在不同的数值方法决策的解决方案。方法的特点经常，有效利用获得的解决方案方程。该方法是合理方便的处理复杂的边界条件。在水电系统站，也有一些边界条件（如汽轮机）这是非线性自己。因此，采取的方法特征，一个复杂的非线性方程组会避免的，从而使求解过程大大简化。通过使用方法的特点，提出了系统的偏导数方程成一个方程组普通的衍生物。下，在固定的时间条件步，普通衍生工具的方程将投入二与两个未知函数的线性代数方程组，放电QP与水头HP沿曲线特征，特性的C+正面和负面特性的C-。这两个方程的简单形式可以写为[7]：在QCP,CQP，QCM的，CQM已知的系数是在相关的时间步前进速度，水头在时间步向前和导管的几何尺寸。B.水轮机模型对不同类型的水轮机在本文中，混流式水轮机的数学模型将被开发。这是众所周知，水轮机的特点通常为代表的综合特性曲线。为了发展数学模型的液压涡轮机，有必要进行数据的处理综合特性曲线。使用专用软件，翻译成综合特性曲线放电特性曲线和转矩特性曲线，分别采取的具体履行Q1''，具体扭矩M1作为纵坐标'，以此作为具体的速度n'1横坐标，并采取便门接力器行程y为参数。但是，仍然没有详细和精确的数学模型，可以描述为Q1和M1'，因此，Q1''和M1'是通常由插值法。每个类型的水轮机流量方程可写成如下：其中D1是汽轮发电机特定的直径，H是可用水头的水轮机，具体流量Q1''可获得使用（3）。而在特定的速度n'1（3）可表现出下面的公式：其中n是水轮发电机组的转速，并且n的计算方法将在下一段讨论。根据水轮机理论，水轮机Mt机械转矩可写为如下：在具体的转矩M1‘可使用（4）。在力学方面的液压转矩Mt涡轮机机械功率P可以写成如下：水轮机的数学模型应用特性曲线，C+和C-（如（1）及（2）所示），上，下游管道联系在一起水轮机,水轮机的示意图见图2。图2.水轮机边界示意图C.同步发电机模型同步发电机转换成水轮机的机械能对在特定的电压电源和频率。电动力在很短的时间相比流体力学为常量，可以忽略[8]。一种旋转机械力学方程是基于旋转的惯性摆动方程。常轴转速对于一个给定的机器时，保持平衡有机械轴之间的电气和制动力矩。扭矩之间的任何不平衡会导致加速或减速机根据运动规律一个旋转体。摆动方程可写为如下：其中J是机器的惯性力矩，Mg是制动电磁转矩。D.水轮机调速器模型调速器是水轮发电机组重要的辅助设备，它与电脑合作监测系统完成水轮发电机单位的启动，负载变化，从电网全甩负荷，到紧急停机等。作为现代水轮机调速器控制模式下，有常用调速，功率控制模式和开放控制模式。而现在，并联PID控制器已广泛应用于水电过程控制。该PID控制器的原理图表示为图3和图4。图3.PID控制器示意图（a）图4.PID控制器示意图（b）对比两图，功率控制模式和开放控制图在每个模式是不同的。在图3，电源控制方式和开放控制方式采用PI控制法，而在图4采用“积分+前馈环“控制法。当水轮机调速器进行调速，频率之间的频率偏差设定点和现在的频率来成并行比例（P）功能，积分（I）函数和微分（D）功能，然后得到整个机械伺服系统。调速衍生方程可以写成如下：其中x是速度相对偏差，bp，bt，Td，Tn是调速器参数.通常情况下，水轮机调速器是在电源控制模式经营单位控制负荷变化。然而，开放控制模式只是一个补充的电力控制模式控制模式。因此，文献主要分析电力控制模式，控制模式衍生方程图3和图4可分别写为如下：而Pc就是电量设定点;Pg是目前的电量。除了上述的数学模型，其他边界条件的数学模型（如调压井，在水电站分岔管系统）还制定受限于本文的范围，的数学模型表达式省略。该省略了上述模型和模型形成整体非线性动力学模型，可以通过时间解决域的方法，是一种数值方法的研究。论非线性动力学模型的基础上，第三节将研究不同的水轮机调速器控制策略，以开展每个水力过渡过程优化控制.III.水电过程控制策略根据水轮机调速器调节和控制对于水轮发电机，有3年的稳步水轮发电机组：正常运行，带负荷运行，停机等待状态。转换的原理图这三个稳定状态连接图5所示。图5.转换连接示意图A.启动控制策略快速启动和同步直接取决于一良好的启动算法。此外，启动程序紧密联系在一起的网络的可靠性，动态性能和经济运行。开环启动规则，闭环启动规则和“开环+期末循环“启动规则是最常见的启动规则。讲座主要模拟“开环+闭环“启动程序。该在启动法治原则如下所示：在启动命令发出的水轮机调速器在关机等待状态，在大门口开始，直到最大速度开启动开闸，开闸保持不变，直到现在的频率差异和频率设置点40Hz的达到一定值。然后常规PID调节放在监管开闸，使频率按照设定的频率点，频率将达到50HZ。当频率偏差，以及相之间的电压偏差单元和网络达到一定值时，机组可同步网络。在启动过程中，产生单位不与网络连接，使制动力矩电机零，即Mg=0。在开环阶段启动起来，开便门接力器行程Ÿ规则是已知的。并在闭环阶段的启动，y的值可获得使用调速方程，如图（9）。无负载水轮机调速器参数条件可以由Tw和Ta[9]的值估计0.3，bp=0，Td=7和Tn=0.6s。让启动门y0=0.1，检票口开放时间Tk=50，以模拟启动过渡过程。模拟结果显示在图6。图6.瞬态启动过程仿真结果B.加载控制策略该机组是在与网络连接负载变化。主要有两种控制模式，速度监管和电源控制方式，控制负载的变化。1）调速常规当机组是与小或隔离网，或与大的网络连接，在日常经营调速，速度调节常规放在控制负载的变化。让bp=0.01，bt=0.3，Td=7和Tn=0.6s，来模拟暂态过程-20％负载阶跃变化。模拟结果显示在图7。图7.根据模拟负载调速-20％阶跃变化仿真结果表明：在-20％步骤在负载变化被检测到，机组转速上升的速度快冲只有一次，那么该单位的速度稳定在新的正常速度，而快速的功率下降，最后稳定在设定一个非常小的超调点的功率。该在图7响应曲线有小的振荡是造成受上游调压室后，在波动中逐步改变负载。2）电源控制方式当机组是大型网络连接，并控制自动发电控制系统（AGC），电源控制方式是把控制负载变化。由于机组是与大网络，我们可以认为是正常速度的速度和停留在负载不断变化。让bp=0.04，bt=0.3，Td=7，模拟-20％的负载阶跃变化的过渡过程。仿真结果显示在图8。图8.-20％的负载阶跃变化的模拟功率控制模式C.紧急停止控制策略和全负荷拒绝控制策略1）紧急停止在本机的正常运作，单位拒绝满载是由该单位造成的死亡事故本身，然后迅速关闭大门检票口最终将在紧急停止。在紧急停止时，机组已经脱离了网络，使制动力矩电机零，便门关闭以最大的速度。仿真急停结果显示在图9。图9.紧急停止瞬态过程仿真结果开闸和速度曲线图9显示：在紧急停止时间，便门收在最高速度，在同一时间，开始速度迅速上升，然后缓慢的速度下降。2）网络的完全甩负荷如果装置满负荷突然拒绝是由于其他如油事故，开关跳闸，便门将关闭直到空载开闸，制动力矩电机为零。让bp=0.01，bt=0.3，Td=7，Tn=0.6s，来模拟暂态过程的满负荷的拒绝。仿真结果在图10所示。图10.网络的水轮发电机组甩负荷仿真结果从网络上后，便门全甩负荷关闭以最大速度，其速度急剧上升，则水轮机调速器，以跟踪和调节的速度，使速度稳定在正常速度，终于在本机无负荷运行。在满负荷排斥反应的模拟表明，无论是高速的动态响应被冲≥3％，仅一次，调节时间满足规范[10]。四.结论在本文中，整个非线性动力学模型水电站过渡过程中的混流式水轮机已经研制成功。该意思是用于治理研究水轮机不同类型的系统问题。而这些非线性水轮机特性和弹性水压力供水管道的影响被认为是在建模。所开发的模型来模拟不同类型短暂的过程，如启动，负载变化，满负荷拒绝从电网，紧急停止，并研究水轮机调速器不同的控制策略。这可能是发现水轮发电机组稳定性好，在每一个过渡过程动态表演最优控制策略。仿真和控制结果战略是非常满意，这表明开发的模式精确到足以使控制系统设计师或设备操作人员进行准确，经济，便捷研究的静态稳定和暂态稳定水力发电站，该模型是有价值的。参考文献[1]L.Q.Ye,“水电过程控制-理论，应用与发展”华中科技大学出版社，中国，2002。[2]J.S.Chang,“液压机装置瞬变”，高等教育教育出版社，中国，2005年。[3]H.B.Zhang,J.C.Xie,S.B.Jiao,“Studyonoptimumstart_upruleforhydroelectricgeneratingunits,”JournalofHydraulicEngineering,vol.35,no.3,pp.53-59,2004.[4]S.P.Wei,Y.J.Wang,P.Luo,“Poweradjustmentofdigitalelect