水轮机调节系统机组开机特性仿真1

水轮机调节系统机组开机特性仿真魏守平一．水轮发电机组开机特性GB/T9652.1-2007《水轮机控制系统技术条件》有关机组启动(机组开机)性能的规定：4.4.2机组启动开始至机组空载转速偏差小于同期带（＋1％－0.5%）的时间tSR不得大于从机组启动开始至机组频率达到80%额定转速的时间t0.8的5倍。这项技术规定，主要是在机组开机过程中的后期，要求从机组转速从0.8倍的额度转速(0.8nr)到上升到稳定于额定转速nr的一个规定区域(0.95nr～1.01)内的时间间隔不能过长，以有利于机组快速同期并网。当然，开机过程的后期性能与开机过程的前期和中期的动态过程形态有着密切的关系。工程实际对水轮发电机组开机(UnitStartup)(机组启动)的主要要求可以归纳如下：1.缩短水轮发电机组转速从机组接收到开机指令开始至机组转速到达额定转速的时间，以利于机组快速进入空载运行状态和同期并入电网运行。2.机组开机过程中机组轴承受到的轴向水推力小。3.水轮机力矩和轴向水推力波动小。4.机组压力引水管道的压力变化小。当然，如果选取较大的启动开度，则水轮发电机组转速上升快、机组转速达到额定转速的时间较短，但是，除了容易使机组转速产生超调之外，还有可能出现机组轴承受到的轴向水推力较大和机组压力引水管道的压力波动较大的情况。所以，近年来有的水轮发电机组(特别是大型或特大型水轮发电机组)对开机过程的机组加速度有要求，即要求有设定2～3段的机组加速度，这在一定程度上有助于满足上述技术要求。目前，我国水轮机调节系统采用的开机规律，主要有接力器2段开度开机规律、机组闭环开机规律和机组3段等加速度开机规律等3种。1984年11月我国第一台微机调速器在湖南欧阳海水电站进行了试验并投入运行时，就是采用了接力器2段开度开机规律。到现在为止，国内的绝大多数微机调速器仍然采用接力器2段开度开机规律。接力器2段开度开机规律应用时间长，积累了丰富的运行经验，但是也暴露了一些缺陷。对接力器运动过程起速率限制的接力器开启时间Tg和接力器关闭时间Tf、对接力器运动过程起极端位置限制的接力器完全开启位置(y=1.0)和接力器完全关闭位置(y=0)等，是接力器运动过程中的主要非线性因素。如果按照水轮机调节系统运行和试验的动态过程中，接力器的运动是否进入了上述接力器非线性区域，来划分水轮机调节系统动态过程特征，我们可以将水轮机调节系统运行和试验中的动态过程特征划分为大波动(大扰动)和小波动(小扰动)动态过程。水轮机调节系统的机组开机特性是具有大波动特征的动态过程。二．水轮发电机组开机特性的仿真结果1.仿真策略在进行水轮机调节系统机组开机特性的每一次仿真中，我们的仿真策略是“1个仿真目标参数的3个数值仿真”，也就是说，在每次仿真中，采用选择的1个仿真目标参数的3个数值进行，将这3个仿真的动态过程的仿真变量波形和全部仿真参数在1个仿真图形中表示。在本章的水轮发电机组开机特性的仿真结果中，显示了机组频率f和接力器行程y的动态波形和进行仿真的全部参数。仿真动态波形的纵坐标为机组频率f和接力器行程y等2个变量，机组频率f是以赫芝(Hz)为单位，接力器行程y是以相对值显示；仿真动态波形的横坐标是时间坐标t，单位是秒s。为了便于比较、分析和研究某1个(组)参数的取值对水轮机调节系统动态特性的作用，在其他的水轮机调节系统参数相同的条件下，选定1个或1组(数个)仿真目标参数，并选择各自3个不同的数值进行仿真，同时得到与之对应的3个仿真结果。第1个(组)变量对应的仿真曲线是红色点画线，第2个(组)变量对应的仿真曲线是黑色实线，第3个(组)变量对应的仿真曲线是蓝色虚线。在仿真波形图中的仿真参数显示区，标示了仿真采用的水轮机调节系统全部参数，在参数显示区的下部用红色、黑色和蓝色标示了3个(组)仿真目标参数，它们分别与红色、黑色和蓝色的仿真动态仿真波形对应。在仿真结果的波形图中，标出了平行于坐标横轴的机组频率40.0Hz(机组80%额定转速)红色实线，以便于确定机组转速到达80%额定转速的时刻t0.8；仿真结果中还标出了平行于坐标横轴的机组频率50.5Hz(即(1.0+0.01)倍的机组额定转速)的黑色实线和平行于坐标横轴的机组频率49.75Hz(即(1.0-0.005)倍的机组额定转速)的黑色实线，以便于确定机组转速进入转速偏差小于同期带（＋1％~－0.5%）的时间tSR。2.仿真波形及其数据存储1).仿真动态波形在线显示的同时,系统还将仿真结果存储在c:\figure中,其上标注有仿真进行的年、月、日、时、分；仿真波形图中还有包括相应国家标准规定的性能指标在内的的辅助线，便于使用者根据国家标准判断仿真结果波形的动态性能指标。2).与仿真波形对应的数据自动存储在C:\SDATA\KJ\的相应同名子文件夹下仿真项目的*.xlsx文件，可以供使用者参考使用。仿真项目SimulationIterm时间区段(s)采样周期(s)数据量/s数据总数表格变量ABCDEKJ(开机)0.0-80.00.05201601TFfyT―时间(s)；F―机组频率(Hz)；f―机组频率(相对值)；y―接力器行程(相对值)；3．水轮机调节仿真决策系统仿真结果计算和显示的动态性能指标KJ(开机)tE，tSR，t0.8，tSR/t0.8tE―开机过程开始至机组频率稳定的时间(s)；tSR―开机过程开始至机组频率稳定的时间(s)；t0.8―开机过程开始机组频率上升至80%额定转速(40Hz)的时间(s)；tSR/t0.8―机组开机过程开始至稳定的时间tSR与机组频率上升至80%额定转速(40Hz)的时间t0.8的比值；4.仿真参数显示选项DS在仿真中引入了“仿真参数显示选项DS”变量，用于选择仿真图形中是否显示全部仿真参数：DS=1(显示比例1.0：1.0)*DS=1：显示全部仿真动态波形和仿真参数，适合显示比例1.0：1.0。DS=1(显示比例0.5：0.5)*DS1：显示全部仿真动态波形和仿真过程特征值，适当增大动态波形曲线粗度、坐标数字字体和文字字体，便于使用者将仿真波形图缩小尺寸，以便用撰写文章的插图和某些技术资料，适合显示比例0.66：0.66或0.5：0.5，在仿真结果右上角显示了仿真项目名称的代号(仿真目标参数)，KJ(ykji)：开机(第一段开机开度)。DS1(显示比例0.66：0.66)DS1(显示比例0.5：0.5)5.STXTFZ-1水轮机调节仿真决策支持系统的决策支持根据工程实际中出现的问题,STFZXT-1水轮机调节仿真决策支持系统可以进行有针对性问题的水轮机调节系统仿真,为解决实际问题和改善其动态特性提供决策支持；特别是对于水电站从事水轮机调节的技术人员和水轮机调速器生产厂家的现场调试技术人员，提供了一种快速简单可靠的仿真分析手段；也是调速器生产厂家的设计人员的理想工具。在仿真中对仿真的动态过程的动态特性性能指标进行了分析，并对其动态特性类型进行了分类(迟缓型、优良型、振荡型等)，为如何修改PID参数以优化系统动态性能提供了决策支持。6.仿真标注在仿真项目中设置了“仿真标注”变量。“仿真标注”变量为空时，仿真结果中没有显示；针对具体水电站的某台机组仿真，可以键入“[###水电厂#号机]”、“[仿真人员]”或[仿真简要说明]，在仿真结果波形图上会显示相应内容。三．水轮发电机组2段接力器开度开机规律水轮发电机组2段接力器开度开机的过程为：当机组接收到机组开机指令后，调速器控制接力器将开度y开启至第1段开机开度ykj1，机组频率上升；当机组频率大于某一设定机组频率切换值f12时，接力器则将水轮机导叶关闭至第2段开机开度ykj2，机组频率继续上升；在机组频率f小于微机调速器整定的PID调节投入频率fpid时，机组开机过程都是一个开环的开机过程。当机组频率上升到调速器PID调节投入频率fpid时，调速器投入PID调节，调速器转入机组频率的闭环PID调节运行，使接力器在其控制下稳定于空载开度y0，机组频率稳定在额定频率50Hz附近，开机过程结束，机组转入空载运行状态。对于双调整调速器来说，在开机过程中，调速器将轮叶接力器由启动开度yru0按设定速度关闭到全关位置（yru=0）。在水轮发电机组2段接力器开度开机过程中，机组频率f的动态过程大致分为3个阶段：tyga(L)0tyKJ1yKJ2y0yga(H1)(H2)ABCCBADDyru0yruO第1阶段，第1段开机开度ykj1主要影响开机过程初期的机组频率f上升速率，第1段开机开度ykj1大，对应第1阶段的机组频率f上升快，第1段开机开度ykj1小，对应的第1阶段机组频率f上升慢。第2阶段，第2段开机开度ykj2主要影响开机过程中期的机组频率f上升速率，他使得第2阶段机组频率f的上升速率小于第1阶段的机组频率f上升速率，以便在第3阶段平滑地切换到调速器PID调节。第2段开机开度ykj2大，对应的第2阶段机组频率f上升速率快；第2段开机开度ykj2大小，对应的第2阶段机组频率f上升速率慢。第3阶段，机组开机过程由开环控制转为闭环调节，机组频率依靠调速器的PID的调节规律，使机组频率迅速稳定在额定频率附近。第3阶段开机的动态性能主要取决于调速器的PID参数选择，必须选择与被控制系统参数(机组惯性比率RI、机组水流惯性时间常数Tw和机组惯性时间常数Ta)相适应的调速器PID参数。采用水轮发电机组接力器2段开度开机规律时，要十分重视机组运行水头H的影响。特别是对于运行水头H变化很大的机组，除了要根据实际运行水头H调整第1段开机开度ykj1和第2段开机开度ykj2之外，还应该使用与实际运行水头H相适应的调速器PID参数，这就是通常所说的适应式变参数开机控制。四．水轮发电机组闭环开机特性仿真所谓水轮发电机组的闭环开机，是指：1).选择闭环开机的最大接力器开机开度ym，一般ym=(1.5~2.0)y0，y0是接力器空载开度。2)..开机时给出接力器开启的最大接力器开机开度ym(开机过程中接力器不一定能够开启到最大接力器开机开度ym)。3).当机组频率进入频率测量环节正常工作范围时，即依靠机组频率测量环节和PID运算对机组开机过程进行闭环调节，直至机组到达空载运行工况。在采用水轮发电机组闭环开机规律时，机组的开机过程分为2个阶段：第1阶段是微机调速器机组频率测量环节还不能正常工作，第1阶段的机组开机过程依靠最大接力器开机开度ym的开环控制。电站运行经验和仿真结果表明，这时的接力器开度也有可能开启不到最大接力器开机开度ym。第2阶段是微机调速器机组频率测量环节工作正常，第2阶段的机组开机过程依靠调速器的PID闭环调节，其动态性能，主要取决于调速器的PID参数选择，必须选择与被控制系统参数(机组惯性比率RI、机组水流惯性时间常数Tw和机组惯性时间常数Ta)相适应的调速器PID参数。。采用水轮发电机组闭环开机规律时，要十分重视机组运行水头H的影响。特别是对于运行水头H变化很大的机组，除了要根据实际运行水头H调整第1段开机开度ykj1和第2段开机开度ykj2之外，还应该使用与实际运行水头H相适应的调速器PID参数，这就是通常所说的适应式变参数开机控制。机组闭环开机可能会使机组频率上升速率（机组加速度）过大，如果加入开机过程的加速度校正，可以控制机组开机过程的机组频率上升速率，从而使开机过程趋于平缓。五．水轮发电机组3段等加速度闭环开机特性仿真在水轮发电机组3段等加速度闭环开机规律中，调速器接到机组开机指令后，即将接力器开启至接力器的启动开度yqd，此后即按照机组频率0～f1，f1～f2和f2～f3的三个区间，通过微机控制器控制导叶开度，使机组加速度相应为a1、a2、a3实现机组快速、近似单调的开启过程，当机组频率达到fpid时，调速器转入空载运行工况。利用这个仿真平台，实际上可以实现水轮发电机组3段等加速度闭环开机规律、水轮发电机组2段等加速度闭环开机规律和水轮发电机组1段等加速度闭环开机规律等多种机组开机规律的仿真。所以，水轮发电机组3段等加速度闭环开机规律