[发明专利]一种水轮机调速器内嵌式控制对象模型模拟方法

说明书

技术领域

本发明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领域。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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T_w、发电机转动惯量时间常数T_a、负荷自调节系数e_g、空载开度Y_nld，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b_p；

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，P_m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，y_i为i时刻的导叶开度，y_i-1为i-1时刻的导叶开度，P_mi为i时刻的水轮机轴频率，P_m(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y_i，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，T_a为发电机转动惯量时间常数，e_g为负荷自调节系数，s为拉普拉斯算子；