一种水轮机调速器内嵌式控制对象模型模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种水轮机调速器内嵌式控制对象模型模拟方法，在水轮机调速器装置内部嵌入水轮机模型、发电机模型及故障诊断模块；通过获取实际被控对象水轮机及发电机组的基本参数，将水轮机模型和发电机模型分别抽象成拉普拉斯传递函数表达式；然后拉普拉斯传递函数进行差分离散变换，以便程序计算，采集水轮机导叶接力器行程反馈输入到水轮机模型，将水轮机模型的输出输入到发电机模型，计算出发电机转速和有功功率输出；将发电机转速和有功功率信号反馈到实际调速器电柜，实现对调速系统的转速和功率闭环控制。本发明专利技术不依赖外部仿真设备，利用调速器本身资源即可实现调速系统模拟试验及故障诊断，提高调速器设备出厂试验的完整性。

【技术实现步骤摘要】
一种水轮机调速器内嵌式控制对象模型模拟方法
本专利技术涉及一种水轮机调速器内嵌式控制对象模型模拟方法，属于水轮机调速器控制

技术介绍
水轮机调速器是水力发电厂的重要设备，承担着调节水轮机转速及控制出力的任务，其性能的优劣直接影响到机组的调节品质和安全稳定，因此调速器能否准确快速的进行性能和功能试验就显得尤为关键。水轮机调速器处于一个水、机、电联合作用的复杂系统中，为了检验其运行性能，必须将其与所调节、控制的对象联合起来进行试验，因此检验调速器的性能必须将其放入到整个水电机组系统中去。一般都是通过一系列现场试验来实现的，如机组开、停机，频率及负荷扰动，甩负荷等动态特性试验。然而，由于设备出厂时由于没有水轮机、发电机等控制对象，不能完成机组的转速及功率的动态闭环检验，大多数只能做到系统静特性试验为止。目前水电机组安装调试的周期越来越短，系统安装完成后到机组并网，往往只有十多天调试时间，若出厂试验不完整，没有做过空载、并网等动态模拟试验，现场试验发现问题，往往来不及整改，将给现场真机试验带来极大风险。目前有条件的调速器厂家及水电厂会使用专用的独立的仿真装置进行机组状态模拟，从而对调速器系统进行模拟试验。但是这种方案存在设备价格昂贵的缺点，一套专用设备动辄几十万，小型电厂或调速器厂家根本负担不了。试验接线较为复杂，需要将导叶开度、桨叶开度、断路器信号等连线到仿真装置，将仿真输出的功率、频率等信号连线到调速器，每做一台调速器设备试验就需要进行一次线缆的拆装，大大降低了试验效率。目前市场上的仿真装置质量并不可靠，经常出现频率通道信号失常、模拟量测不准、因接地不良信号易受干扰等问题，而仿真装置的厂家并不能及时针对产品故障进行修复也是当前仿真装置广为电厂诟病的原因之一。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种水轮机调速器内嵌式控制对象模型模拟方法，通过在水轮机调速器装置内部嵌入水轮机及发电机模型及故障诊断程序，与调速器装置形成闭环系统，既可以实现水轮机控制系统模拟，又可以实现状态检测。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种水轮机调速器内嵌式控制对象模型模拟方法，包括以下步骤：1)在水轮机调速器装置内部嵌入水轮机模型、发电机模型及故障诊断模块；2)通过获取实际被控对象水轮机及发电机组的基本参数，将水轮机模型和发电机模型分别抽象成拉普拉斯传递函数表达式，并进行差分离散变换；3)设置水流惯性时间常数Tw、发电机转动惯量时间常数Ta、负荷自调节系数eg、空载开度Ynld，然后设置初始化调节参数，包括PID调节模块1和PID调节模块2的比例、积分、微分参数，设置调差系数bp；4)依次模拟发电机开机试验，模拟发电机空载扰动试验，模拟并网工况下的负荷扰动试验，模拟发电机甩负荷试验；在模拟发电机空载扰动试验和并网工况下的负荷扰动试验过程中，将水轮机导叶接力器位置信号输入到水轮机模型和发电机模型，计算出发电机转速和有功功率输出；然后将发电机转速和有功功率信号反馈到实际调速器电柜，实现对调速系统的转速和功率闭环控制。前述的步骤2)中，水轮机模型的拉普拉斯传递函数表达式为：其中，为水流惯性时间常数，L为引水管长度，Q为流量，H为水头，A为截面，g为重力加速度，s为拉普拉斯算子，y为导叶开度，Pm为水轮机轴功率；对拉普拉斯传递函数进行差分变换，过程如下：将拉普拉斯传递函数式(1)变换为：写成差分形式：整理得到：其中，Δt为离散计算周期，即调速器控制器本身的程序执行周期，yi为i时刻的导叶开度，yi-1为i-1时刻的导叶开度，Pmi为i时刻的水轮机轴频率，Pm(i-1)为i-1时刻的水轮机轴频率；所述水轮机模型通过实时采集导叶开度yi，计算出水轮机轴频率，输出至发电机模型。前述的步骤2)中，发电机模型的拉普拉斯传递函数表达式为：其中，Ta为发电机转动惯量时间常数，eg为负荷自调节系数，s为拉普拉斯算子；对拉普拉斯传递函数进行差分离散变换，过程如下：将拉普拉斯传递函数式(5)变换为：写成差分形式：整理得到：其中，Pei为i时刻的发电机功率，Pe(i-1)为i-1时刻的发电机功率；所述发电机模型通过输入水轮机出力，输出为发电机功率Pe和转速Ne。前述的发电机功率和转速输出为：转速输出：(1)当机组并网时，即断路器合闸的情况，模型输出转速对应50Hz频率，对应输出信号为50Hz方波；(2)当机组空载时，即断路器分闸的情况，模型输出为与Pe相对应的变化转速，仿真转速输出为：其中，K1为比例系数，N为仿真转速输出；功率输出：(1)当机组空载时，即断路器分闸的情况，仿真功率输出P固定为0；(2)当机组并网时，即断路器合闸的情况，仿真功率输出P为：P＝K2Pe，其中，K2为比例系数。前述的步骤4)中，模拟发电机开机试验具体为：首先将导叶开度关闭到0，机组转速降到0，断开发电机出口断路器，此时bp为0；然后设置转速给定等于50Hz，调速器输入开机指令，导叶给定为空载开度，导叶逐渐开启，模型输出相应变化的转速信号，经过相应的转速PID调节和开度PID调节，最终转速上升到50Hz附近，开度维持在空载开度附近。前述的步骤4)中，模拟发电机空载扰动试验具体为：机组已经开启到空载，在人机界面上修改转速给定，此时产生转速偏差，通过PID调节模块1产生导叶开度变化量，与空载开度Ynld叠加，输出开度给定，再与导叶开度比较，产生开度偏差，经过PID调节模块2，调节导叶接力器到给定位置，该位置信号输入到水轮机模型及发电机模型，仿真转速N随导叶开度y变化，当y大于Ynld时，转速信号为高于50Hz的方波，反之为低于50Hz的方波，仿真功率P始终输出为0；最终仿真转速N与设定的转速相接近。前述的步骤4)中，模拟并网状况下的负荷扰动试验具体为，机组在空载情况下，合上发电机出口断路器，此时机组转入并网工况，bp为设定值，转速给定恒等于50Hz，此时仿真功率P随导叶开度y变化而变化，修改功率设定值，与当前仿真功率比较，产生功率偏差，再乘以调差系数bp，通过PID调节模块1产生导叶开度变化量，与空载开度叠加，输出开度给定，再与导叶开度比较，产生开度偏差，经过PID调节模块2，调节导叶接力器到给定位置，该位置信号输入到水轮机及发电机模型，仿真功率P随导叶开度y变化，当y等于Ynld时，仿真功率P为0，当y等于0.9到0.95范围时，仿真功率P为1，该信号被调速器电气柜所采样并换算出相应的功率反馈，与功率设定值相比较。前述的步骤4)中，模拟机组甩负荷试验具体为：在发电工况下，导叶开度y在0.7以上，模型输出一定功率P的基础上，断开出口断路器，此时模型由发电工况转为空载工况，仿真功率P输出为0，仿真转速N随导叶开度y变化而变化，由于此时导叶开度y较大，仿真转速N迅速从额定转速上升，调速器必须根据转速变化来调节，将导叶迅速关闭并最终调节机组转速在额定转速附近。前述的步骤1)中，内嵌的水轮机模型、发电机模型及故障诊断模块采用PCC编程实现，且置于PCC标准任务层。前述的水轮机模型程序、发电机模型程序及故障诊断模块程序独立于调速器的控制程序，在需要进行系统模拟时，通过外部硬开关或软开关控制系统水轮机模型程序和发电机模型程序投入执行，对系统进行仿真模拟；当需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水轮机调速器内嵌式控制对象模型模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在水轮机调速器装置内部嵌入水轮机模型、发电机模型及故障诊断模块；2)通过获取实际被控对象水轮机及发电机组的基本参数，将水轮机模型和发电机模型分别抽象成拉普拉斯传递函数表达式，并进行差分离散变换；3)设置水流惯性时间常数Tw、发电机转动惯量时间常数Ta、负荷自调节系数eg、空载开度Ynld，然后设置初始化调节参数，包括PID调节模块1和PID调节模块2的比例、积分、微分参数，设置调差系数bp；4)依次模拟发电机开机试验，模拟发电机空载扰动试验，模拟并网工况下的负荷扰动试验，模拟发电机甩负荷试验；在模拟发电机空载扰动试验和并网工况下的负荷扰动试验过程中，将水轮机导叶接力器位置信号输入到水轮机模型和发电机模型，计算出发电机转速和有功功率输出；然后将发电机转速和有功功率信号反馈到实际调速器电柜，实现对调速系统的转速和功率闭环控制。

【技术特征摘要】
1.一种水轮机调速器内嵌式控制对象模型模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在水轮机调速器装置内部嵌入水轮机模型、发电机模型及故障诊断模块；2)通过获取实际被控对象水轮机及发电机组的基本参数，将水轮机模型和发电机模型分别抽象成拉普拉斯传递函数表达式，并进行差分离散变换；3)设置水流惯性时间常数Tw、发电机转动惯量时间常数Ta、负荷自调节系数eg、空载开度Ynld，然后设置初始化调节参数，包括PID调节模块1和PID调节模块2的比例、积分、微分参数，设置调差系数bp；4)依次模拟发电机开机试验，模拟发电机空载扰动试验，模拟并网工况下的负荷扰动试验，模拟发电机甩负荷试验；在模拟发电机空载扰动试验和并网工况下的负荷扰动试验过程中，将水轮机导叶接力器位置信号输入到水轮机模型和发电机模型，计算出发电机转速和有功功率输出；然后将发电机转速和有功功率信号反馈到实际调速器电柜，实现对调速系统的转速和功率闭环控制。2.根据权利要求1所述的一种水轮机调速器内嵌式控制对象模型模拟方法，其特征在于，所述步骤2)中，水轮机模型的拉普拉斯传递函数表达式为：其中，为水流惯性时间常数，L为引水管长度，Q为流量，H为水头，A为截面，g为重力加速度，s为拉普拉斯算子，y为导叶开度，Pm为水轮机轴功率；对拉普拉斯传递函数进行差分变换，过程如下：将拉普拉斯传递函数式(1)变换为：写成差分形式：整理得到：其中，Δt为离散计算周期，即调速器控制器本身的程序执行周期，yi为i时刻的导叶开度，yi-1为i-1时刻的导叶开度，Pmi为i时刻的水轮机轴频率，Pm(i-1)为i-1时刻的水轮机轴频率；所述水轮机模型通过实时采集导叶开度yi，计算出水轮机轴频率，输出至发电机模型。3.根据权利要求2所述的一种水轮机调速器内嵌式控制对象模型模拟方法，其特征在于，所述步骤2)中，发电机模型的拉普拉斯传递函数表达式为：其中，Ta为发电机转动惯量时间常数，eg为负荷自调节系数，s为拉普拉斯算子；对拉普拉斯传递函数进行差分离散变换，过程如下：将拉普拉斯传递函数式(5)变换为：写成差分形式：整理得到：其中，Pei为i时刻的发电机功率，Pe(i-1)为i-1时刻的发电机功率；所述发电机模型通过输入水轮机出力，输出为发电机功率Pe和转速Ne。4.根据权利要求3所述的一种水轮机调速器内嵌式控制对象模型模拟方法，其特征在于，所述发电机功率和转速输出为：转速输出：(1)当机组并网时，即断路器合闸的情况，模型输出转速对应50Hz频率，对应输出信号为50Hz方波；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡卫江，张雷，靳光永，何林波，荣红，钱凤，秦晓峰，梅高鑫，
申请(专利权)人：南瑞集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32