水电机组调速系统参数优化仿真研究(附件)
科技的不断发展，社会的不断进步导致了能源的供给上十分的紧缺，许多国家都会因为争抢能源而爆发战争，水资源作为地球上最为丰富的一种能源，需要得到我们的充分利用。水电行业研究的正是将水能转变为电能，其中对水轮机调速器的研究至关重要，水电厂发电机组能否高效稳定地运行就取决于它的控制品质。因此，水轮机调节系统的调节品质关乎着水电行业发展的命运。现在国内外的水轮机调速器使用的大多是主流的PID控制器，对PID控制器的三个参数进行优化，才能达到满意的控制效果。本文首先简单介绍了水轮机调速系统的发展及现状，调节原理，然后建立了水轮机调速系统的模型并逐一分析。除此以外还利用MATLAB/Simulink搭建了调速系统的仿真模型，熟悉了它各个模块组成，并且得到了想要的仿真结果。关键词 水轮机调速器，参数优化，模型，仿真
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 水轮机调速系统的研究背景 1
1.3 水轮机调节原理及特点 2
1.4 本课题的研究对象及规定 3
2 水电机组调速系统的分析与建模 4
2.1 水轮机调节系统的基本结构 4
2.2 水轮机调节系统各个模块组成 4
2.2.1 机械液压系统 5
2.2.2 引水系统 6
2.2.3 水轮机 7
2.2.4 发电机 8
3 水电机组调速系统仿真建模 9
3.1 MATLAB/SIMULINK 平台介绍 9
3.2 水电机组调速系统仿真模型 11
3.2.1 扰动环节 12
3.2.2 调节控制器 14
3.2.3 液压随动系统 17
3.2.4 水轮机 18
3.2.5 发电机 19
4 水电机组调速器优化方法研究 21
4.1调节系统分析 21
4.2 水轮机调节系统控制方案 22
4.3 调试PID控制器增益环节 22
4.4 PID控制器参数优化方法 26
4.4.1 优化方法介绍 26
4.4.2 实验与结果分 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
析 26
全文总结与展望 32
致 谢 33
参 考文献 35
1 绪论
1.1 引言
水的储存量在我国十分丰富，与其他国家相比，我们国家在这一能源上占有很大的优势，所以如何充分利用好这一先天的优势条件，合理有效地将水能转化为电能是我国水电行业的当务之急，也是水电行业蓬勃发展的必然要求。但是，我国在水的使用上并没有很高的效率，在水力发电过程中仍然造成了许多不必要的浪费，因此我们还有很大的进步空间。水力发电这一技术由来已久，其理论也被不断地完善与拓展，技术日益改进。
水能转化为需要依靠一套自动控制设备，我们通常把它叫为水电机组。它并不是什么高昂的产品，相反的是它十分廉价，而且效率还高，对环境造成的损害还小，操作者能简便地使用它。在这套装置中，有两个重要的组成部分：水轮机和发电机。通过这两者，就可以实现水能到电能的转变。水轮机的作用不可忽视，它性能的优劣直接影响到了发电的效率。因此对它的性能和结构进行研究关系到了水电行业的未来。本次论文就是针对这一课题展开，从全方位，多角度的认识研究，并且反复地实验调节。经过这次的努力，能够使我对大学所学的自动控制原理，运动控制系统等方面的知识得到更进一步地理解与掌握，另外，研究的过程就是把教科书上的知识挪到实验中来的过程，使我对知识的使用更加灵活，会对我以后的工作产生不小的帮助。
1.2 水轮机调速器研究背景
水轮机调速器作为水电厂不可或缺的装置，它的性能还有品质会直接关系到水电机组的稳定运作和电能质量。在上世纪50年代初，我国就已经开始设计制造调速器，通过几代人的艰苦奋斗，调速器技术得到了巨大的发展，特别是到了20世纪末，伴随着液压技术，控制技术以及计算机技术的快速崛起，调速器在安全性，调节质量与调节功能方面都有巨大的飞跃。
在水电业刚起步的时候，当时的社会条件只能够生产机械液压调速器，这种调速器有很大的局限性，使用它的水电机组自身要带有负荷而且电网不能过大，只有满足这些条件，才能调节。它的优点就是在传输信号方面较为真实，控制品质优良且安全性有保障。它的局限性更为突出，比如它在结构比较庞大，电网较大的系统中，调节就容易出现问题，误差，无法达到更高性能的要求。所以现在它的使用范围比较狭窄。
到了20世纪80年代，我国以天津电气传动设计研究所为首的各大研究机构陆续开始了微机调速器的研发，将微处理器当作它的核心。1981年底，诞生了能够根据不同的情况，改变自身参数的PID型微机调速器。过了不久，就有水电厂开始使用它。多年以后，由湖南水科所等机构一起研发了WTS双微机调速器，并且小幅生产它。1985年，SJ700系列微机调速器的研发获得了能源科技进步一等奖，它是由国网电力科学研究院研发的。基于MC 68332的32位双微机调速器SAFR2000，正是在这一基础上得到了继承并研发出来。这些微机调节器大多数都将单板机和自制电路板作为它最重要的部分，而模块化软件以及结构式硬件则使用适应性变参数PID的调节模式，双微机相互备用，能够很好的符合电站运作的需要。可是，与这一时期国外的研究成果比较，由于我国的基础工业较为薄弱，调速器行业的规模不够庞大，所以，硬件的安全性不高。
10年以后，PLC，PCC技术得到了飞速的进步，之前的各个机构又开始把这些技术运用到调速器的研发工作中来。长江控制设备等研究所以及能达有限公司创造出了许许多多以这些理论为创新基础的控制器。到现在为止，这些控制器已经成为微机电液调速器的主流，大量存在。
当前，全球范围内许多制造调速器的公司早就停止了对电液调速器的出产。替代它们出现的是改进之后的微机调速器，调速器制造公司也都停止生产体积过于庞大的机械液压调速器。现在，许多小型水轮机发电组也都采用微机调速器。只有极小部分的机械液压型调速器仍在水电站使用。
我国现在的微机调速器的技术功能，技术性能和水轮机的调节技术和国际领先的水准基本保持一致。尤其是在三峡右岸电站的国产化成功以后，对国外的优秀技术借鉴学习，使我国的微机调速器在很多方面都有自己的特色并且在世界上领先。可是，技术的飞速发展也使电力系统对调速器的需要一直在增加，调速器智能化技术仍然有很多问题亟待解决，调速器的发展还有很长的路要走。
1.3 水轮机调节原理及特点
系统电功率的改变往往会水轮机相邻导叶之间的最短距离也随之改变，水轮调节就是重新调回发电机的转速并且控制为满载时的电机转速。水轮调节流量的途径包括反击式和冲击式。其中反击式为改变导叶开度，与此同时，改变叶片转角。冲击式意为改变喷嘴开度（针阀行程）。水轮机调节的实质为调节转速。
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 水轮机调速系统的研究背景 1
1.3 水轮机调节原理及特点 2
1.4 本课题的研究对象及规定 3
2 水电机组调速系统的分析与建模 4
2.1 水轮机调节系统的基本结构 4
2.2 水轮机调节系统各个模块组成 4
2.2.1 机械液压系统 5
2.2.2 引水系统 6
2.2.3 水轮机 7
2.2.4 发电机 8
3 水电机组调速系统仿真建模 9
3.1 MATLAB/SIMULINK 平台介绍 9
3.2 水电机组调速系统仿真模型 11
3.2.1 扰动环节 12
3.2.2 调节控制器 14
3.2.3 液压随动系统 17
3.2.4 水轮机 18
3.2.5 发电机 19
4 水电机组调速器优化方法研究 21
4.1调节系统分析 21
4.2 水轮机调节系统控制方案 22
4.3 调试PID控制器增益环节 22
4.4 PID控制器参数优化方法 26
4.4.1 优化方法介绍 26
4.4.2 实验与结果分 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
析 26
全文总结与展望 32
致 谢 33
参 考文献 35
1 绪论
1.1 引言
水的储存量在我国十分丰富，与其他国家相比，我们国家在这一能源上占有很大的优势，所以如何充分利用好这一先天的优势条件，合理有效地将水能转化为电能是我国水电行业的当务之急，也是水电行业蓬勃发展的必然要求。但是，我国在水的使用上并没有很高的效率，在水力发电过程中仍然造成了许多不必要的浪费，因此我们还有很大的进步空间。水力发电这一技术由来已久，其理论也被不断地完善与拓展，技术日益改进。
水能转化为需要依靠一套自动控制设备，我们通常把它叫为水电机组。它并不是什么高昂的产品，相反的是它十分廉价，而且效率还高，对环境造成的损害还小，操作者能简便地使用它。在这套装置中，有两个重要的组成部分：水轮机和发电机。通过这两者，就可以实现水能到电能的转变。水轮机的作用不可忽视，它性能的优劣直接影响到了发电的效率。因此对它的性能和结构进行研究关系到了水电行业的未来。本次论文就是针对这一课题展开，从全方位，多角度的认识研究，并且反复地实验调节。经过这次的努力，能够使我对大学所学的自动控制原理，运动控制系统等方面的知识得到更进一步地理解与掌握，另外，研究的过程就是把教科书上的知识挪到实验中来的过程，使我对知识的使用更加灵活，会对我以后的工作产生不小的帮助。
1.2 水轮机调速器研究背景
水轮机调速器作为水电厂不可或缺的装置，它的性能还有品质会直接关系到水电机组的稳定运作和电能质量。在上世纪50年代初，我国就已经开始设计制造调速器，通过几代人的艰苦奋斗，调速器技术得到了巨大的发展，特别是到了20世纪末，伴随着液压技术，控制技术以及计算机技术的快速崛起，调速器在安全性，调节质量与调节功能方面都有巨大的飞跃。
在水电业刚起步的时候，当时的社会条件只能够生产机械液压调速器，这种调速器有很大的局限性，使用它的水电机组自身要带有负荷而且电网不能过大，只有满足这些条件，才能调节。它的优点就是在传输信号方面较为真实，控制品质优良且安全性有保障。它的局限性更为突出，比如它在结构比较庞大，电网较大的系统中，调节就容易出现问题，误差，无法达到更高性能的要求。所以现在它的使用范围比较狭窄。
到了20世纪80年代，我国以天津电气传动设计研究所为首的各大研究机构陆续开始了微机调速器的研发，将微处理器当作它的核心。1981年底，诞生了能够根据不同的情况，改变自身参数的PID型微机调速器。过了不久，就有水电厂开始使用它。多年以后，由湖南水科所等机构一起研发了WTS双微机调速器，并且小幅生产它。1985年，SJ700系列微机调速器的研发获得了能源科技进步一等奖，它是由国网电力科学研究院研发的。基于MC 68332的32位双微机调速器SAFR2000，正是在这一基础上得到了继承并研发出来。这些微机调节器大多数都将单板机和自制电路板作为它最重要的部分，而模块化软件以及结构式硬件则使用适应性变参数PID的调节模式，双微机相互备用，能够很好的符合电站运作的需要。可是，与这一时期国外的研究成果比较，由于我国的基础工业较为薄弱，调速器行业的规模不够庞大，所以，硬件的安全性不高。
10年以后，PLC，PCC技术得到了飞速的进步，之前的各个机构又开始把这些技术运用到调速器的研发工作中来。长江控制设备等研究所以及能达有限公司创造出了许许多多以这些理论为创新基础的控制器。到现在为止，这些控制器已经成为微机电液调速器的主流，大量存在。
当前，全球范围内许多制造调速器的公司早就停止了对电液调速器的出产。替代它们出现的是改进之后的微机调速器，调速器制造公司也都停止生产体积过于庞大的机械液压调速器。现在，许多小型水轮机发电组也都采用微机调速器。只有极小部分的机械液压型调速器仍在水电站使用。
我国现在的微机调速器的技术功能，技术性能和水轮机的调节技术和国际领先的水准基本保持一致。尤其是在三峡右岸电站的国产化成功以后，对国外的优秀技术借鉴学习，使我国的微机调速器在很多方面都有自己的特色并且在世界上领先。可是，技术的飞速发展也使电力系统对调速器的需要一直在增加，调速器智能化技术仍然有很多问题亟待解决，调速器的发展还有很长的路要走。
1.3 水轮机调节原理及特点
系统电功率的改变往往会水轮机相邻导叶之间的最短距离也随之改变，水轮调节就是重新调回发电机的转速并且控制为满载时的电机转速。水轮调节流量的途径包括反击式和冲击式。其中反击式为改变导叶开度，与此同时，改变叶片转角。冲击式意为改变喷嘴开度（针阀行程）。水轮机调节的实质为调节转速。
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