水电站建模与仿真实验报告

计算机建模与仿真实验报告姓名：***班级：*******学号：**********指导老师：******日期：2011-05-08目录一.水轮机调节系统 (3)1.水轮机调节系统的作用 (3)2.水轮机调节系统的组成 (3)3.水轮机调节系统的工作原理概述 (4)4.水轮机调节系统模块划分 (4)二.空载工况调节系统仿真与参数优化 (7)1.子模块内部结构 (7)2.系统整体封装 (9)3.参数优化与仿真结果 (9)三.全状态水轮机调节系统仿真 (11)1.系统仿真过程 (11)2.子模块结构及其功能说明 (11)3.仿真结果及分析 (18)四.总结 (19)五.参考文献及资料 (19)水轮机调节系统建模与仿真一.水轮机调节系统1.水轮机调节系统的作用为保证水电机组的稳定运行，水轮机调节系统需要实现以下作用：①调节并维持机组频率在额定频率附近，跟踪电网频率使被控机组能尽快同期、并入电网运行；尽量减小负荷突变时的动态频率升高或降低，并加快不正常频率向额定频率恢复的速度。

②在被控制的水轮发电机并入电网运行时，水轮机调速器根据给定的功率指令调节水轮机有功功率。

满足电网二次调频的需求。

③协调水电站微机监控系统完成被控制机组的开机、停机、增加或减小负荷、甩负荷、调相和紧急停机等工作状态及过程。

2.水轮机调节系统的组成图1-1 水轮机系统组成3. 水轮机调节系统的工作原理概述水轮机系统的工作过程为：水轮机控制系统测量元件的把把被控制的发电机组的频率（机组的转速）机组的有功功率、机组的运行水头、水轮机的流量、等参数测量起来，将水轮发电机组的频率给定、功率给定、接力器开度给定等信号和接力器实际开度等反馈信号相结合，由放大矫正元件处理后经接力器驱动水轮机导叶机构及轮叶机构，改变水轮发电机组的功率及频率。

其结构如下图所示：4. 水轮机调节系统模块划分①引水系统 (i) 水库假设：上、下游水库无穷大，即： 上、下游水库的水位恒定，过水系统入口与出口间的压力为常数。

(ii) 过水系统对于单管单机引水道，考虑弹性水锤，不记沿程摩擦损失，则：图1-2 水轮机调节系统结构)2(2)()(s T th T T s q s h r r w -=将shx 与chx 均展开成级数形式，并近似取前两项得：8124)()(2232s T s T s T s q s h r r w++-= ②发电机发电机机械旋转运动方程：r r a rrt r r g n g t n aP n GD T M M M M e t m t m t x e dt t dx T 3580,)()()()(22⨯=∂∂-∂∂=-=+ωωωω考虑到负荷随电压的变化，而电压又是转速的函数：)()()()()(t m t m t x e dt t dx T T g t n b a -=++考虑到阻力矩：)()()()()()(t m t m t m t x e dt t dx T T r g t g b a --=++=m(t)Mt(t): 水轮机主动力矩，Mg(t): 负载力矩，)(t m r 为摩擦阻力矩。

经过Laplace 变换得X(s)/M(s)=1(T a +T b )S+e g③水轮机水轮机为非线性部件，其特性的一般表达式为：),,,(0ϕαn H M M T T = ，),,,(0ϕαn H Q Q =。

在水轮机模型特性曲线的一个小方格内，进行线性化处理。

在方格内确定一个参考工作点 V0，将坐标原点平移到VO ，在在参考工作点附近进行线性化处理。

),,(y f h M m T t =， ),,(y f h q q = 。

对上式全微分可得：yy q f f q h h q q y y m f f m h h m m tt t t ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂++=++=令y qe f q e h q e y m e f m e h m e qy qx qh t y t x t h ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂======，，，，，可得：ye f e h e q ye f e h e m qy qx qh y x h t ⋅+⋅+⋅=⋅+⋅+⋅=则引水系统、发电机、水轮机所构成的数学模型x④调速器机械液压随动系统机械液压随动系统的的物理模型如下图所示。

其控制信号的转化过程为控制电信号 → 弱液压 → 强液压 → 机械位移。

P ＝图1-3 引水系统、发电机、水轮机的数学模型图1-4 机械液压随动系统其数学模型为图1-5 机械液压随动系统数学模型导叶开度在小范围波动时，不灵敏区、机械间隙可以忽略不计。

⑤PID调节器水轮机调节以比例－微分－积分(PID)为控制策略。

其数学模型为：图1-6 PID调节器数学模型二.空载工况调节系统仿真与参数优化当系统不带负载时，施加一个小扰动，观察系统的调节性能。

1.子模块内部结构①引水系统、发电机、水轮机图2-1 引水系统、发电机、水轮机模块该模块中各参数如下：eqh=eqy=ey=1, eqx=0, ex=-0.2, eh=0.7,Tr=0.2, Tw=1.27, Ta=9.6, eg=0.3②机械液压随动系统图2-2 机械液压随动系统模块为保证开机时间满足要求，saturation模块的上限开度设置为0.00667，下限开度设置为-0.0125。

③PID调节器图2-3 PID调节器模块模块中各参数设置如下：Kp=4, Ki=0.15, Kd=0.1.2.系统整体封装图2-4 空载小扰动系统模型3.参数优化与仿真结果为了使开机过程的超调和开机时间更小，需要对系统进行参数优化。

由于PID调节器的参数Kp、Ki、Kd对结果的影响最大，所以只对这三个参数进行优化。

图2-5 不同PID参数时的转速输出波形1号波形：Kp=4，Ki=0.3，Kd=0.12号波形：Kp=4，Ki=0.15，Kd=0.13号波形：Kp=4，Ki=0.15，Kd=24号波形：Kp=2，Ki=0.15，Kd=0.1由1~4号波形对比可得出以下结论：①1号和2号相比，1号的超调量比2号大得多，所以Ki越小超调越小。

②2号和4好相比，4号的开机时间比2号大得多。

所以Kp越大跟踪能力越强。

③2号和3号相比，两者相差不大，但是2号的反应时间更短。

因此经过以上对比，最终选择的一组参数为Kp=4，Ki=0.15，Kd=0.1。

其输出波形为：图2-6 参数优化后的转速输出波形超调量δ%=2.5%，开机时间约为t=10s。

三.全状态水轮机调节系统仿真1.系统仿真过程系统全工况仿真过程分为以下几个阶段：①停机等待。

此时导叶完全关闭。

②开机过程。

将导叶开至0.4，使机组转速迅速上升，然后关至空载开度，此时机组达到额定转速。

③空载状态。

在130s-180s时给机组一个小扰动，在控制器的控制下，使转速迅速恢复到额定转速。

④加负荷过程。

在250s时给机组加负荷，导叶全开运行。

⑤甩负荷过程。

在280s时机组甩负荷，导叶关至空载开度。

⑥关机过程。

在360s时发出停机指令，导叶全关，机组停机。

2.各模块结构及其功能说明系统整体结构如下：①导叶开度给定模块power-set-point开机时给定导叶开度为0.2，加负荷时使开度迅速加到1，甩负荷后，使开度再次打到空载开度0.2.②频率给定模块frequency-set-point图3-1 导叶开度给定模块 图3-1 全状态系统仿真结构频率一直给定为额定频率1，在130s-180s 时加上一个0.04的小扰动。

③导叶开度跟踪模块④控制器模块controller图3-3 导叶开度跟踪模块图3-4 控制器模块控制器模块控制着机组的开机、停机、并网。

该模块主要由状态设定模块SID、开机控制模块start-up、关机控制模块shut-down、PID控制模块PID、跟踪模块follow。

各模块结构如下：图3-5 状态设定模块Out1输出为1时，控制器接通开机环节；Out1输出为2时，控制器接通PID控制环节；Out1输出为3时，调节控制器通关机环节。

图3-6 开机控制模块机组接收到开机指令时，开机控制模块控制机组开机。

为了使机组能尽快开机，使用了两段开机的规律：首先通过正积分使机组转速迅速上升；然后通过负积分使导叶关至空载开度。

图3-7 PID控制模块跟踪模块可以保证在开机控制环节和PID 控制环节之间平滑过渡。

⑤机械液压执行模块servosysterm由于是模拟的全状态的仿真过程，Saturation1的下限设为0，上限设为1。

开关机时间的整定值不变，Saturation 的上下开限仍为小开度仿真时的原值，上限为0.00667，下限为-0.0125。

⑥过水系统模块tube⑦发电机模块generater 图3-8 机械液压执行模块 图3-9 过水系统模块图3-7 跟踪模块当250s<T<280s 时通过两个Switch 的作用，使得0)()()(=-=t m t m dt t d J t t ω。

此时积分环节的输入为零，ω为额定值不变。

⑧水轮机turbine图3-10 发电机模块 图3-11 水轮机模块全状态时水轮机仿真环节要进行非线性校正。

当导叶开度小于0.2时，导叶开度y=（5y 2）；当频率高于0.85时，对频率f 进行非线性校正。

为了使关机过程机组在低转速下不停留太长时间，当0<f<0.35时,启动制动装置，即加入-0.2的制动力矩。

制动模块brake 结构如下:3. 仿真结果及分析①仿真结果②结果分析由上图可知，开机过程比较理想，超调量很小，开机时间大约在30s 左右。

加上0.04的扰动之后，在控制器的调节下很快恢复到额定转速。

在甩负图3-12 制动模块图3-13 全状态系统仿真结果荷时，转速最高达到1.32，略微偏高。

但是如果在调节参数使甩负荷时的转速下降，又会使导叶开度在并网时达不到全开开度，比如仿真结果图3-13中的并网时的开度只达到了0.92左右。

这就产生了一个矛盾。

在同时考虑了超调量以及导叶开度之后，折中选择了如上所诉的参数。

考虑到在实际运行时很少有满负荷并网的情况，这种结果还是在可接受的范围之内。

关机过程比较好，关机时间约为45s。

总体来说结果还是达到了预定要求，只是在甩负荷时略有问题。

四.总结通过本次水轮机调节系统建模与仿真实验，我充分理解了水电站机组控制规律以及控制方式，对于水电机组的各种工况及转换有了更深入的理解，对matlab软件中simulink的使用方法有了初步的认识。

这次实验包含两个实验内容——空载小扰动仿真和全工况系统仿真。

前者相对来说更加容易一些。

空载工况的仿真重点在于参数优化部分，必须理解了PID的控制规律之后才能有目的的进行优化，最终得到满意的结果。