2018600MW汽轮机组数字电液控制系统仿真研究

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　　摘要：本文首先研究了汽轮机组负荷控制的设计，然后进行了仿真研究和鲁棒性仿真探讨，具有一定的理论价值和实际意义，供参考。
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　　关键词：600MW汽轮机组；数字电液控制系统；仿真
　　
　　汽轮机是电厂中的重要设备，在高温高压蒸汽的作用下高速旋转，完成热能到机械能的转换。汽轮机驱动发电机转动，将机械能转换为电能，电网将电能输送给各个用户。为了维持电网频率，要求汽轮机的转速稳定在额定转速附近很小的一个范围内，同时为保证汽轮机设备的安全运行，必须对汽轮机各个部件进行严格的监视和保护，必要时自动停机，防止重大事故发生。为了达到上述要求，汽轮机必须配备完善可靠的自动控制系统。目前600MW汽轮机组均配备汽轮机数字电液控制系统(Digital Electro―Hydraulic Control System，DEH)，实现对汽轮机的监视、控制和保护。它在目前电力工业不断发展的形势下发挥着越来越重要的作用，为电力系统的安全、经济、稳定运行提供了必要的保障。
　　1汽轮机组负荷控制的设计
　　1.1汽轮机负荷控制原理
　　目前大型汽轮机DEH控制系统采用的负荷控制方案如图1所示。汽轮机负荷控制系统，在充分考虑发电机功率、调节级压力以及电网特性的基础上，结合数字计算机逻辑处理和综合判断能力强的特点，组成了串级负荷控制系统。它在转速调节回路的基础上，增加功率控制回路和调节级压力反馈回路，调节级压力反馈回路可以增强调节过程的快速性，而功率控制回路可以保证输出严格等于给定值。它在克服再热机组的功率滞后现象，提高机组对外界负荷的适应性方面有很大的帮助。
　　
　　图1汽轮机数字电液控制系统框图
　　图1所示，系统由三个回路串级组成：内回路调节级压力回路、中间回路功率回路、外回路转速一次调频回路。调节级压力与机组的功率有一定的对应关系，因此与功率回路一样，反馈的是机组的功率，它们与一次调频回路一起共同组成了机组的功率一频率调节系统。
　　当汽轮机组尚未并网时，系统为单回路反馈控制，只存在转速控制。转速控制器为PI控制器。汽轮机的目标转速与实际转速的偏差信号进入PI控制器，经过运算处理后，得到调节阀门的开度信号，此信号经过电／液转换器的转换放大后操纵油动机，由油动机的提升力来控制调节阀门的开度，从而控制汽轮机的进汽量，实现对汽轮机转速的控制。
　　图1中开关Kl和K2的状态可由程序内部的逻辑判断或手动操作切换，通过K1和K2的不同指向决定调节级压力回路、功率回路是否投入，从而提供不同的调节运行方式。
　　当系统处于并网后的负荷控制时，控制方案为串级PID控制。系统中的外扰是负荷扰动(发电机功率)，它是一个前馈信号，内扰是蒸汽压力信号，它是一个反馈信号，此外还有转速反馈信号用于保证转速输出等于给定值。该系统有转速给定和功率给定，他们之间受静态关系的约束。并网运行后不参与调频时用功率回路控制，参与调频时用功一频回路控制。图中，转速控制器为P控制器，功率控制器和调节级压力控制器均为PI控制器。“功率给定"用于增减功率，系统稳定后，机组实际增加的功率与给定的目标功率存在一个比例关系，比例系数为转速控制器的比例增益。负荷变化时，功率控制器接收负荷扰动的前馈信号，直接发出调节机组功率的信号，对机组实发功率进行调整，以保证电网的供电与用电的平衡。
　　1.2仿真框图及参数设置
　　根据图1，在MATLAB下将各个仿真模块连接起来，得到的汽轮机并网后的负荷控制系统仿真方框图如图2所示。
　　
　　图2汽轮机并网后的负荷控制系统仿真方框图
　　图中，分别有高压缸电／液转换器模块，高压油动机模块，高压缸蒸汽容积模块，中压缸蒸汽容积模块，中间再热器模块，汽轮机转子模块，Saturation为限幅器模块。
　　参考有关文献，图2中，高压电／液转换器时间常数 ，高压油动机时间常数 ，高压缸蒸汽容积时间常数 ，中压缸蒸汽容积时间常数 ，中间再热器时间常数 ，汽轮机转子时间常数 ，转速控制器为比例控制器，其中参数P设置为 ，本文中 取0.05。
　　1.3控制器参数的整定
　　控制系统设计的关键是控制器参数的整定，它需要根据被控对象的特性来确定控制器中各个参数的具体数值。本文中控制器参数的整定主要是对PID控制器参数的整定。PID控制器参数的整定方法很多，主要分为两大类：一是工程整定法，它主要依赖现场实际经验，通过对控制系统的反复试验获得具体的参数，该方法操作简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用；二是理论计算法，它是根据系统的数学模型，经过经验公式进行理论计算从而确定控制器的参数。然而这种方法所得到的参数不能直接使用，由于用于计算的经验公式是通过人工经验总结得到的，并不是十分的准确，因此通过理论计算得到的控制器参数还必须通过现场试验进行多次调整。PID控制器参数的工程整定方法，主要有稳定边界法、反应曲线法、衰减曲线法以及仪表参数自整定法等等。这些方法虽然各有各的特点，但都需要通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。因此无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
　　目前PID参数的整定还主要是依靠经验试凑法。这种方法的基本步骤是先将被控系统投入闭环，然后通过人为地给定一个阶跃输入或者扰动信号，通过仿真观察被控系统的阶跃响应曲线。由响应曲线和PID控制器各个参数的不同作用以及期望达到的控制系统的性能指标，对控制器进行反复调整，直到获得令人满意的控制效果为止。本文的所有仿真研究都是在MATLAB环境下进行的，参数的重复修改和观察仿真结果都很方便，所以本章采用经验试凑法作为PID控制器参数的整定方法。
　　图2中，转速控制器仅投比例，其P值为 ，取 为0.05，功率控制器和调节级压力控制器均为PI控制器。
　　由图1可知，调节级压力控制器为内调节器，功率控制器为外调节器，在对它们进行参数整定时遵循“先内后外”的原则，在单个调节器参数整定上即采用试凑法。本文总结的具体步骤如下：
　　(1)将PID控制器中的积分I和微分D均设为0，系统闭环，将比例控制参数P，由小变大，观察系统输出响应曲线的变化，直至得到反应速度最快，超调量最小的响应曲线。
　　(2)若在比例作用下，系统的稳态误差不能满足要求，则需要加入积分作用。此时，将(1)中的比例系数稍作减小，将积分时间设置为一个较大的值，观察响应曲线，若没有达到要求则减小积分时间，并相应调整比例系数P，如此反复试凑，直至得到令人满意的响应曲线。
　　(3)若经过上述步骤后，控制系统的响应曲线仍不能满足要求，则加入微分控制D。保持上两步得到的比例系数和积分时间不变，先将微分时间设置为0，然后从小到大逐步增加微分时间，同时相应的对比例系数P和积分时间I进行微调，反复试凑直至获得满意的系统响应曲线和控制器参数为止。
　　在对各个参数进行整定的过程中可以发现实际获得的参数并不是唯一确定的，不同的参数组合也有可能获得较好的控制效果，需要对不同扰动下系统的输出进行综合研究，具体的参数要根据各种扰动下的控制性能综合确定。
　　根据上述控制器参数整定原则，本文得到了一组汽轮机并网后负荷控制控制器参数，如表1所示。
　　表1汽轮机并网后负荷控制控制器参数设置情况表
　　控制器 参数设置
　　转速控制器 P=20，I=0，D=0
　　功率控制器 P=3.1，I=0．5，D=0
   　　调节级压力控制器 P=2.2，I=0.01，D=0
　　下文所做的仿真研究是以表1所示控制器参数来进行的。
　　2仿真研究
　　针对本文设计的600MW中间再热式汽轮机数学模型，负荷控制的仿真研究主要是并网带负荷后负荷扰动、汽压扰动、功率给定值扰动三种不同的扰动方式下汽轮机功率和转速的输出曲线。
　　2.1负荷扰动仿真
　　将负荷扰动模块的参数Final value设置为0．2，限幅器模块的上、下限参数都设置为0，其它扰动模块的参数Final value均设置为0。将仿真时间设置为30秒，进行仿真，得到负荷扰动下汽轮机功率和转速的输出曲线，如图3所示。
　　
　　图3负荷扰动时仿真曲线
　　图3表明，当电网负荷增加20％时，汽轮机功率能在7秒内增加约20％，迅速弥补用电量的突增，维持电网供给平衡，且超调量较小。与此同时，汽轮机转速能在约6秒内重新稳定在额定值附近，转速偏差约为1％，从而保证电网频率基本不变，满足实际生产的指标要求。
　　2.2汽压扰动仿真
　　将汽压扰动模块的参数Final value设置为0．2，限幅器模块的上、下限参数都设置为0，其它扰动模块的参数Final value均设置为0，将仿真时间设置为30秒，进行仿真，得到汽压扰动下汽轮机功率和转速的输出曲线，如图4所示。
　　
　　图4汽压扰动时仿真曲线
　　由图4的仿真结果可以看出，当汽压受到20％的阶跃扰动时，汽轮机功率能在5秒内稳定下来，功率输出的最大偏差为3％；转速偏离额定值的幅度很小，在此过程中最大动态偏差约为0.14％。
　　2.3功率给定值扰动仿真
　　功率给定值扰动仿真是以MCR阶跃量增加或减少机组目标负荷指令的，本文中设定功率给定值增加20％。
　　为此，在功率给定值阶跃扰动仿真中，将功率给定值模块的slope参数值设置为0．04，限幅器模块中的上、下限分别设置为0．2和-0.．2。其它扰动模块的扰动量均设为0。将仿真时间设置为30秒，进行仿真，功率给定值扰动下汽轮机功率和转速的输出曲线如图5所示。
　　
　　图5功率给定值扰动时仿真曲线
　　由图5可以看出，当功率给定值以4％的速率增加20％时，汽轮机功率稳定后实际增加1％，调节过程中功率变动的最大动态偏差约为2.6％，调节时间约为10秒。与此同时，汽轮机转速增加了约1％，变动的最大动态偏差约为1.1％。仿真结果表明该控制系统与现场实际完全吻合，且各项参数均达到了实际生产的指标要求。
　　3鲁棒性仿真
　　所谓鲁棒性，就是指当控制系统的模型参数发生较大幅度变化时，系统仍能保持渐进稳定。在本本中，为了研究汽轮机控制系统的鲁棒性，将控制方案和整定的调节器的参数保持不变，而被控对象(电／液转换器、油动机、高压缸蒸汽容积、中压缸蒸汽容积、中间再热器、汽轮机转子)的参数增大2倍或减小0.5倍时负荷扰动的仿真曲线图。
　　
　　图6电／液转换器时间常数增大2倍时负荷扰动仿真曲线
　　
　　图7电／液转换器时间常数减小0．5倍时负荷扰动仿真曲线
　　
　　图8油动机时间常数增大2倍时负荷扰动仿真曲线
　　
　　图9油动机时间常数减小0．5倍时负荷扰动仿真曲线
　　
　　图10高压缸蒸汽容积时间常数增大2倍时负荷扰动仿真曲线
　　
　　图11高压缸蒸汽容积时间常数减小0．5倍时负荷扰动仿真曲线
　　
　　图12中间再热器时间常数增大2倍时负荷扰动仿真曲线
　　
　　图13中间再热器时间常数减小0．5倍时负荷扰动仿真曲线
　　
　　图14中压缸蒸汽容积时间常数增大2倍时负荷扰动仿真曲线
　　
　　图15中压缸蒸汽容积时间常数减小0．5倍时负荷扰动仿真曲线
　　
　　图16汽轮机转子时间常数增大2倍时负荷扰动仿真曲线
　　
　　图17汽轮机转子时间常数减小0．5倍时负荷扰动仿真曲线
　　将图6～1 7和图4进行对比可以看出，在不改变控制器参数的情况下，增大或减小被控对象的参数后，可以发现：高压缸蒸汽容积、中间再热器在时间常数减小到0.5倍时，功率输出曲线略有不同，汽轮机转子在时间常数增大或者减小时功率和转速的输出曲线均由较大幅度变化，总的来说控制系统仍能表现出良好的控制性能，这就说明采用串级PTD控制方案的汽轮机数字电液控制系统具有良好的鲁棒性。
　　结束语
　　本文在MATLAB／SIMULINK环境下，对600MW中间再热式汽轮机组并网后的负荷控制进行了大量的仿真研究，给出了各个控制器的具体参数并提出了控制器参数的整定方法，通过仿真研究得到了汽轮机并网后负荷扰动、汽压扰动、功率给定值扰动三种扰动方式下汽轮机功率和转速的输出曲线，最后对控制系统的鲁棒性进行了仿真研究。
　　
　　参考文献：
　　【1】王爽心，葛晓汽．汽轮机数字电液控制系统．北京：中国电力出版社，2009
　　【2】王晓勇，高海东，史章峰等．华能沁北电厂600 MW超临界机组数字电液调节系统调试与控制改进．热力发电，2010，2(9)
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。