1、双机系统中 380MW 同步发电机原动系统设计摘 要： 本文以实物原动机调速系统进行分析、计算为基础，设计仿真了双机系统的 380WM 发电机原动系统，当故障发生时调速系统能使发电机迅速的进入稳定状态，达到设计要求。 关键词： 调速系统； 仿真； 原动机 中图分类号： TM31 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012） （11-12）-0040-01 1 原动机的原理和作用 电力系统中向发电机提供机械功率和机械能的机械装置，如汽轮机、水轮机等统称为原动机。为了控制原动机向发电机输出的机械功率，并保持电网的正常运行频率，以及在各并列运行的发电机之间合理分配负荷，每一台原动机都
2、配置了调速器。调速系统一般通过控制汽轮机的汽门开度来实现功率和频率调节。通过改变调速器的参数及给定值（一般是给定速度或给定功率）可以得到所要求的发电机功率?频率调节特性。 原动机及其调速器在电力系统中的作用及其与其他元件的关系简单示于图 1。发电机的转速 ref 和给定速度 ref 作比较，其偏差 进入调速器，以控制汽轮机汽门开度 ，从而改变原动机输出的机械功率Pm，亦即发电机的输入机械功率，从而可调节速度和（或）调节发电机输出电功率 Pe。 2 原动机数学模型的总体分析 汽轮机的原理以及数学模型 调速器根据转速变化控制进入原动机的动力元素。原动机分汽轮机与水轮机。对于汽轮机，由于调节汽门和第
3、一级喷嘴之间有一定的空间的存在，当汽门开启或关闭时，进入汽门的蒸汽量虽有改变，但这个空间的压力却不能立即改变，这就形成了机械功率滞后于汽门开度变化的现象，称为汽容影响（也称为蒸汽容积效应） 。蒸汽容积效应可简述如下：当改变汽门开度时，由于汽门和喷嘴间存在一定容积的蒸汽，此蒸汽的压力不会立即发生变化，因而输入汽轮机的功率也不会立即发生变化，而有一个时滞，在数学上用一个一阶惯性环节来表示， 即 Pm= （1） 式中， 为为汽门开度，Pm 为汽轮机机械功率，均为以发电机额定工况下的相应值为基值的标幺值；T 为反映蒸汽容积效应的时间常数；P为对时间的微分算子。 汽轮机数学模型就是指汽轮机汽门开度与输出
4、机械功率间的传递函数关系。 在计及蒸汽容积效应时，汽轮机常采用以下二种动态模型即： （1）只计及高压蒸汽容积效应的一阶模型，设汽轮机蒸汽为额定参数，则汽轮机传递函数为 = （2） 式中，Pm 为汽轮机输出机械功率（标幺值） ； 为汽门开度（标幺值） ；TCH 为高压蒸汽容积时间常数，一般为 0.10.4s。 （2）计及高压蒸汽和中间再热蒸汽容积效应的二阶模型， 其传递函数为 =+ （3） 式中， 为高压缸稳态输出功率占汽轮机总输出功率的百分比，一般为 0.3 左右；TRH 为中间再热蒸汽容积效应时间常数，一般为411s；Pm 为汽轮机输出机械功率（标幺值） ； 为汽门开度（标幺值） ；TCH
5、为高压蒸汽容积时间常数，一般为 0.10.4s。 综合以上系统进行总体分析得到以下关系式。 对于离心飞摆中 A 点位移 若以其最大位移为基值，则相应标幺值和速度偏差（ref-）之间有近似的线性关系 =K（ref-） （4） 式中，K 为离心飞摆测速部件的放大倍数；ref 为参考速度。配压阀的标幺行程 是飞摆 A 点位移 和总反馈量 的差，即有 =- （5） 而配压阀的活塞位移 造成接力器活塞位移 的变化，相当于水门开度的变化，二者之间的关系可用积分环节描写，即 = （6） 式中，Ts 为接力器时间常数。调速器的总反馈量 只有硬反馈量2 组成。 =2 （7） 硬反馈和接力器位移 成比例，即 2=
6、Ki （8） 式中，Ki 为硬反馈放大倍数。 3 PID 调节器的改进 由于汽轮机的发电机组基本上都有再热系统，其产生的再热蒸汽的容积效应引起的影响如果不才有 PID 调节器很难进行消除且采用 PID 调节器有利于保证必要的静特性。PID 调节是在 PI 调节的基础上加上微分控制作用 D 就构成 PID 调节规律。PID 调节规律又可分为串联 PID 和并联PID 两种典型结构。串联 PID 调速器就是在 PI 调速器的调节输入通道上加上一个超前校正装置，并联 PID 型水轮机调速器由实现 P、I、D 调节规律的单元并联形成，其最大特点是比例、微分、积分放大系数相互独立，因而参数容易整定，相互
7、无干扰。 由于 bp 有利于系统的稳定，并且值比较小，因此分析汽轮机调节系统动态特性时，传统上是令其等于零进行分析的，这样就无法考虑取自何处更好，实际上永态转差系数 bp 反馈取自不同的地方对系统的动态响应有较大的影响，根据永态转差系数 bp 反馈点的引出位置及反馈输出位置不同构成如图，改进型并联型 PID 调节器。 4 汽轮机原动系统的仿真 此仿真系统包括 380WM 原动机、电压采集模块、负载、变压器、无穷大系统、故障系统、调速模块、原动机数据采集分析模块。 在不加入调速模块的情况时，将原动机的 pm 输入端接入常量 1，Vf值是将电压表示数调节为-1 到 1 时所提供的值为 1.67。在
8、故障模块设置在 10 秒是设置故障且持续 0.2 秒，通过与常量的对比从波形看出接有调速系统和不接的不同波形变化，从而能看出调速系统在电力系统运行中可以起到的作用。 结论 经仿真运行结果证明，本设计可以将模拟控制同步发电机原动系统仿真模型，通过调速器模型的设置，实现了对同步发电机故障时能快速的使系统能快速的进入正常状态的仿真过程。提供了可靠的模拟示数，以供以后的学习和实际工厂仿真运行。 参考文献： 1王离九.电力拖动自动控制系统M.武汉：华中理工大学出版社，1990.10（16）：234-238. 2杨德先.原动机调速系统动态仿真技术研究J.中国机械工程，1998，09（2）：12-14. 3黄俊，王兆国.电力电子变流技术（3）M.北京：机械工业出版社，1993.4（25）：129-132.
