基于SIMULINK的水轮机组调节系统仿真研究Word文件下载.docx
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指导教师
梁丽
时间
2012.10.29~2012.11.02
一、教学要求
1、学会收集和查阅资料，学会针对指定控制系统建立数学模型的方法；
2、学会使用MATLAB/SIMULINK建模和仿真的方法；
3、掌握控制器的设计方法，以及控制器参数整定和优化的方法。
二、设计资料及参数
见参考资料（基于MATLAB-SIMULINK的水轮机调节仿真研究）
三、设计要求及成果
1、分析系统，得到系统的数学模型；
2、设计合适的控制器完成系统仿真研究
3、完成5000字左右的课程设计报告（包括设计原理、设计过程及结果分析几部分），给出设计的模型图和仿真曲线图。
四、进度安排
1、根据给定的参数或工程具体要求，收集和查阅资料（一天）
2、MATLAB/SIMULINK建模（一天）
3、控制系统设计与优化（两天）
4、编写课程设计说明书（一天）
五、评分标准
1）工作态度（占10%）；
2）基本技能的掌握程度（占20%）；
3）方案的设计是否可行和优化（40%）；
4）课程设计技术设计书编写水平（占30%）。
分为优、良、中、合格、不合格五个等级。
六、建议参考资料
1、李国勇.控制系统数字仿真与CAD[M]，北京：
电子工业出版社，2003，9
2、薛定宇.控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言及应用[M].北京：
清华大学出版社，1996
3、闻新、周露、李东江等.MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用[M].北京：
科学出版社，2001
4、易继锴.智能控制技术[M].北京：
北京工业大学出版社，2003，4
摘要
运用国际上先进的仿真软件MATLAB/SIMULINK作为仿真平台，对水轮机调节系统进行可视化建模与仿真计算，重点建立了引水系统和水轮机模型，构建了水电机组整体动态仿真模型。
可以大大减少编程工作量，该方法是由模型库辅助用户进行模型拼合，并利用图形功能生成系统的仿真模型。
模型具有很强的开放性和可移植性，能较好地适应水电站个性强的特点。
关键词
计算机应用软件水电机组仿真分析水轮机调节系统仿真建模SIMULINK
SIMULINKbasedhydraulicturbineregulatingsystemsimulationresearch
Abstract
BasedontheadvancedsimulationsoftwareMATLAB/SIMULINKasthesimulationplatform,thehydraulicturbineregulationsystemvisualizationmodelingandsimulation,focusonestablishingthediversionsystemandturbinemodel,constructthewholedynamicsimulationmodelofhydropowerunit.Cangreatlyreducetheprogrammingworkload,themethodconsistsofamodellibraryusermodelmerging,andtheuseofgraphicsgenerationsystemsimulationmodel.Themodelhastheverystrongopennessandportability,canbetteradapttostrongpersonalitycharacteristicsofhydropowerstation.
Keyword
ComputerapplicationsoftwareHydroelectricgeneratingsetSimulationanalysisTurbineregulatingsystemSimulationmodelingSIMULINK
正文
0 引言
随着国内大型水电站的兴建，水电站仿真技术引起人们更多的关注。
对水电机组建立数学模型进行仿真，可以经济、方便、直观、迅速地研究其静态和动态特性,从而优化企业培训系统，提高运行人员的业务素质，提高企业工作效率。
在仿真计算中，既要考虑仿真结果的准确性，又要提高仿真速度。
根据水电站的特性以及不同的仿真工况，开发出有利于水电站仿真的丰富的模块库。
在建模过程中，要注意推导中的一些假设条件，了解模型的局限性、适用范围，以便在实际工程中选用正确的模型。
同时，水电机组控制系统是一个复杂的非线性系统，模型和算法选取的正确与否应在实践中加以检验，正确、合理的仿真实验对实践才具有指导意义。
水轮机调节系统是一个包含有引水泄水系统、水轮机、发电机、电网、调速器等环节的闭环调节系统，通常由水轮机、发电机，调速器3大部分组成。
在研究和设计水轮机调节系统时，除了进行理论分析和计算外，常常还需要进行实验研究。
由于水轮机调节系统调节对象的参数和形式随电站条件不同而不同，在实验室内建立调节对象的物理模型进行试验，既费时又费钱，另外，现场原型试验更是受许多客观条件的限制。
因此，目前广泛采用计算机仿真来进行先期研究，这种方法具有经济、安全、快速的特点。
以往人们对水轮机调节系统进行仿真，大多采用Basic、Fortran、C、C++等算法语言来编制仿真程序，编程复杂，而且受上述算法语言的绘图功能的限制，要绘出仿真曲线就得调用相应的软件包来作进一步的处理，使得编制、调试程序更复杂。
另外，过去建立仿真模型往往是以系统的状态方程为基础的，在仿真前需要手工求出系统的状态方程。
而水轮机调节系统是一个比较复杂的系统，求取状态方程有一定的难度，若系统结构发生变化,则需要重写状态方程，仿真程序的修改工作量很大，仿真模型的利用率低。
采用当今国际上流行的SIMULINK仿真软件进行水轮机调节系统的仿真，上述问题便迎刃而解。
本文采用MATLAB下的Simulink作为仿真平台,建立了丰富的水力系统模型，并对水电站水轮机调节系统进行建模，采用各种模型对水轮机调节系统进行甩负荷仿真实验。
并将仿真实验与现场试验相比较，分别推导出适用于大波动和小波动过渡过程仿真的水轮机调节系统模型，验证仿真模型和算法的正确性，体现了模块化建模在水电站仿真计算中的优势。
1SIMULINK的主要特点
计算机仿真是利用计算机对系统的数学模型进行试验研究的一种新方法，仿真技术具有高效、优质、经济的特点，它已成为水电能源理论研究和技术开发的有效手段。
然而，目前的仿真计算仍存在一些不足：
编制和调试程序的工作量很大；
仿真程序的移植性较差，很难适应水电站个性强的特点；
缺乏强有力的图形输出支持。
当今流行于欧美的一种先进的仿真软件SIMULINK能克服上述弊端，它提供了一个自学习的人机交互界面和图形输入手段，成为广大科技工作者的有力工具。
它的主要特点为：
（1）SIMULINK提供了非常丰富的系统模型库。
一般在控制系统的分析与设计中遇到的模块几乎都可以从模型库中找到。
（2）实现了可视化建模。
由于在Windows界面下工作，因此用户可以很方便地利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统框图，这样使得一个很复杂模型的输入变得相当容易且直观。
（3）利用SIMULINK进行数字仿真非常简单方便。
它提供了多种数值算法,使用者只需选择合适的算法和有关仿真参数（时间、步长、精度），即可得到仿真结果。
（4）SIMULINK实现了与MATLAB、C、FORTRAN以及硬件工作环境间文件的互用和数据交换。
2 水轮机调节系统的Simulink仿真模型
水轮机调节系统由水轮机及引水系统、调速系统、发电机及负荷等子系统构成，每一子系统建立详细和简单的多种模型以供选用，形成有利于水电站仿真的丰富的子系统模块库。
仿真计算中，应根据水电站的具体特征以及不同的仿真工况选择适当的模型。
本文重点建立了水轮机模块库和引水系统模块库。
2.1 水轮机模块库
2.1.1 非线性水轮机模型
水轮机是一个复杂的非线性系统，流量和力矩是水轮机的2个重要参数，一般根据水轮机的试验特性曲线，将力矩和流量表达为导叶开度、转速、水头的函数：
（1）
式中：
Mt为力矩，Qt为流量，α0为导叶开度，H为水头，n为转速。
目前没有公认的解析式描绘水轮机的流量和力矩特性。
本文直接根据水轮机模型试验数据，通过插值计算描绘它的非线性特性。
2.1.2 线性水轮机模型
将式
（1）在工况点附近用泰勒级数展开，水轮机特性可用线性的力矩方程和流量方程表示为：
（2）
ex，ey，eh分别为水轮机力矩对转速、接力器行程和水头的传递函数：
eqx，eqy，eqh分别为水轮机流量对转速、接力器行程和水头的传递系数。
传递系数的求解大都以插值计算为基础，采用有限差值法近似计算或采用作曲线求斜率法精确计算。
以插值计算为基础求水轮机流量和力矩有一定优势，但用此法求传递系数却使得计算繁琐。
本文应用最小二乘法原理,根据模型试验的实测数据，直接对数据进行拟合，用多项式描述水轮机的力矩特性和流量特性：
再对流量和力矩的拟合多项式分别求导，就可求出6个传递系数。
2.1.3 经典水轮机模型
如果假定水轮机理想无损，在额定工况点运行，并且忽略水轮机转速的影响，引水系统为刚性水击模型，则可以得到常规分析中经常使用的简化模型，即水轮机的经典模型，见图1，表明了水轮机输出功率随着导叶开启的变化而变化的情况。
图1经典水轮机仿真模型
2.2 引水系统模块库
2.2.1 弹性水击模型
引水管道较长时，弹性水击理论能更精确地描述管道动态过程。
在忽略水流与水管壁之间摩擦以及尾水管影响的情况下，考虑水流及水管壁的弹性，由水力学原理中的动力方程和连续性方程可以导出弹性水击方程：
（3）
Tw为水流惯性时间常数，Tw=QrL0/（gFHr），Qr，Hr分别为水轮机的额定流量与水头，L0，F分别为引水管的长度与横截面积，g为重力加速度；
Tr为管道反射时间常数；
Tr=2L0/a；
a为压力水波速，对于钢管是1220m/s，对于石头涵洞是1420m/s。
其Simulink仿真模型见图2。
图2引水系统仿真模型
2.2.2 刚性水击模型
管道较短时，可忽略水击弹性，将一台机组的引水系统简化为简单引水管道，管道反射时间常数Tr小，得出引水系统的刚性水击模型：
（4）
其Simulink仿真模型见图2，其中k=0。
2.3 调速系统模块——水轮机调速器的PID调节模块
采用PID调节，其Simulink仿真模型见图3。
图3调速器PID仿真模型
2.4 发电机及负荷模块
在电站孤网运行时，水轮发电机组过渡过程仿真计算中，发电机及负载可采用一阶简化模型。
其Simulink仿真模型见图4。
Ta为机组和负载惯性时间常数，e为水轮发电机组综合自调节系数
图4发电机及负荷仿真模型
2.5系统的仿真模型
过去建立仿真模型经常是以系统的状态方程为基础的，在仿真前需要手工求出系统状态方程。
若系统结构发生变化，如附加一些装置，则需要重写状态方程。
仿真程序的修改工作量很大，其仿真模型的重复利用率比较低，有时在系统比较复杂的情况下，求取状态方程也有一定的难度。
现在我们可以运用可视化建模工具SIMULINK，利用鼠标器将系统结构框图非常方便快捷地“画”入计算机中，形成很直观的仿真模型。
这种建模的方法吸取了模块化设计思想，具有很强的开放性，模型的结构易于修改和重构，重复利用率高，能较好地适应水电站个性强的特点。
在电力系统中，由于水电机组速动性好，经常承担调频、调峰和事故备用的任务，因此机组启动频繁，开机次数多。
目前普遍采用的开机控制规律是当调速器接到开机令后，以最大的开启速度将导叶开到启动开度，并保持这一开度不变。
这时机组的频率将迅速上升，当频率升至某一设定值Fi时,再将导叶接力器关回到空载开度附近，然后转入PID调节控制，直到机组频率升至额定频率并稳定下来。
图中，MATLABFunction实现开机过程前半段的开环控制。
MATLABFunction从本质上讲是具有特殊调用格式的MATLAB函数，它的优点在于可以编写所需的仿真程序，并通过框图创建模型库中没有的线性或非线性模型。
由于水轮机调节系统的结构复杂，为了使系统结构框图更加清晰明了，可以利用SUMULINK提供的将若干个模块变成1个模块组的功能。
2.6 水电机组仿真系统结构
图5给出了采用Simulink建立的,水轮机调节系统仿真模型，该系统由水轮机及引水系统、调速系统、发电机及负荷等模块构成。
图中,K1、K2为仿真工况转换开关，其中K1为频率给定投入/切除开关，K2为位移/功率反馈转换开关。
这些开关的不同位置以及每一模块不同模型的组合可以构成水轮机调节系统不同的仿真工况。
图5水轮机调节系统仿真模型
采用图5所示的仿真模型,可以对隔河岩水电站的频率控制、功率控制、开/停机控制以及增/减负荷等过程进行仿真，还可以对水电站动态试验如空载扰动试验、甩负荷试验、电网一次调频试验以及负荷扰动等多种试验进行仿真。
仿真过程中尤其要注意，根据水电站特点和不同的仿真工况，每一子系统应选择适当的模型。
限于篇幅，本文仅以甩负荷试验为例，说明水轮机的2种模型的适用范围及其局限性。
3 水电机组动态特性与仿真实验——甩负荷仿真实验
本文对水电机组进行甩负荷仿真实验。
开关K1处于切除位置，K2处于任意位置。
其中引水系统采用弹性水击模型，分别对3种不同工况下的机组进行甩负荷仿真实验，仿真结果见图6。
（a）开度50%（甩26.8%负荷）
（a）开度75%（甩54.9%负荷）
（a）开度100%（甩77.8%负荷）
图6用甩负荷时速度响应曲线
（其中：
很坐标为时间；
纵坐标为转速偏差相对值）
4 结果分析
应用不同的水轮机模型分别对同一调节系统进行仿真，由于水电站引水系统较长，因而弹性水击模型比刚性水击模型更能反映系统的实际状况。
线性水轮机模型结构简单、概念清晰，用于小波动过渡过程仿真，误差小，计算速度快，具有明显优势。
但该模型在负荷扰动较大（甩77.8%负荷）时，误差高，仿真结果严重失真，因而该模型对于大波动过渡过程的仿真研究不宜采用。
水轮机经典模型属于线性化模型的特例，初始工况为额定值时的小波动过渡过程，可考虑水轮机经典模型。
水轮机非线性模型可以较好地反映水轮机的动态特性，其甩负荷仿真结果与实际甩负荷试验结果虽有一定误差，但总体趋势是吻合的；
尤其在负荷扰动较大（甩77.8%负荷）时，非线性模型与线性模型相比表现出明显优势。
因而，水轮机非线性模型可同时用于大波动和小波动过渡过程仿真研究。
但该模型搭建复杂、仿真速度较慢。
SIMULINK下的水轮机非线性模型中的查表模块采用的是线性插值，精度不高,影响仿真结果，故SIMULINK下的水轮机非线性模型更适用于大波动过渡过程仿真，其模型有待于进一步完善。
5结语
仿真结果表明，SIMULINK仿真软件具有可视化建模和图形输出的能力，用它进行仿真，可以大大减小编程量，而且仿真结果与现场试验所得结论基本吻合，因此非常适合水轮机调节系统的仿真研究，并对复杂水轮机调节系统的研究和设计具有重要的指导意义。
采用SIMULINK技术可快速建立水电机组控制系统仿真模型，并对每一子系统建立详细和简化的仿真模型，形成子系统模块库。
本文重点建立了水轮机非线性模型、线性模型、经典模型，形成了水轮机模块库。
仿真计算中应兼顾准确性及快速性，选择适当的仿真模型，并根据具体实践开发出新的仿真模型，不断丰富子系统模块库。
因而，基于SIMULINK的水电机组控制系统仿真模型具有很强的开放性和可移植性，可以形成直观的仿真模型，模型搭建高效、快捷，对水电站的设计、优化控制及危险工况的预测具有重要意义。
但是，水电机组控制系统在建立数学模型的过程中，不可避免地忽略了一些次要因素和对模型进行了简化；
SIMULINK模块库中的有些模块算法精度不高，不能满足专业需求。
因而，基于SIMULINK的水电机组动态仿真实验结果与水电站实际动态试验结果可能会存在误差，应充分发挥SIMULINK技术的优势，根据水电站的具体特性，开发出适合水电站过渡过程仿真的专业模块，兼顾仿真结果的准确性和快速性，根据不同需求调用不同模块，使得仿真更准确地反映水电机组的实际过程，为实际工作提供定性分析及决策支持。
参考文献
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水力电力出版社,1988.
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水力电力出版社,1993.
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[5]杨金栋,周志清,方辉钦.我国水电厂“无人值班”（少人值守）工作评述.水电自动化与大坝监测,2002.
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中国电力出版社,2004.
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国电自动化研究院,2005.
[8]王善永,陈思宁,施冲.MB系列智能可编程逻辑控制器.电力系统自动化,2005.
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