Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ радиально-осевой гидротурбины, объекта управления и определение основных требований к многофункциональной системе автоматического управления гидроагрегатом 7
1.1 Анализ объекта управления (радиально-осевой гидротурбины) и определение необходимых параметров регулирования 7
1.2 Выбор и обоснование законов управления по каждому из параметров регулирования гидротурбины 28
1.3 Анализ требований к алгоритмическим и аппаратным средствам реализации САУ 48
1.4 Результаты и выводы 58
Глава 2. Разработка алгоритмов функционирования и структуры САУ.. 61
2.1 Разработка алгоритмов функционирования САУ РОГ в различных режимах работы 61
2.2 Синтез полной структуры САУ РОГ 71
2.3 Определение технических требований к основным элементам САУ РОГ (быстродействие, разрядность и т.п.) 80
2.4 Состав стенда для отладки цифровой САУ РОГ 93
2.5 Результаты и выводы 96
Глава 3. Математическое моделирование цифровой САУ РОГ 97
3.1 Разработка математической модели цифровой САУ РОГ 97
3.2 Проверка адекватности модели цифровой САУ РОГ 121
33 Математическое моделирование цифровой САУ РОГ с целью
предварительного определения ее характеристик и настройки 130
3.4 Результаты и выводы 147
Глава 4. Стендовое исследование и натурные испытания цифровой САУ 149
4.1 Исследование САУ РОГ на стенде при работе на изолированную нагрузку 149
4.2 Исследование САУ РОГ на стенде при работе на мощную энергосеть 157
4.3 Натурные испытания цифровой САУ РОГ 160
4.4 Результаты и выводы 174
Заключение 177
Библиографический список использованной литературы
- Выбор и обоснование законов управления по каждому из параметров регулирования гидротурбины
- Определение технических требований к основным элементам САУ РОГ (быстродействие, разрядность и т.п.)
- Проверка адекватности модели цифровой САУ РОГ
- Исследование САУ РОГ на стенде при работе на мощную энергосеть
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время для решения задачи управления радиально-осевой гидротурбиной используются алгоритмы, реализующие различные законы управления частотой и активной мощностью гидроагрегата. Полная динамическая проверка и настройка замкнутой системы управления гидроагрегатом проводится на ГЭС в период проведения пуско-наладочных работ и приемо-сдаточных испытаний. Иногда этого достаточно для эффективного функционирования гидроагрегата и системы автоматического управления гидроагрегатом. Но повышение требований к режимам работы гидроагрегата, к снижению негативного влияния на экологическую среду, сокращению сроков проведения шеф-монтажных и пуско-наладочных работ и издержек на производство систем управления, делает актуальной задачу разработки алгоритмов управления, обладающих более сложной структурой и полной проверки системы управления в динамических режимах на стенде изготовителя в условиях, максимально приближенных к реальным и предварительную настройку системы регулирования.
Оценку эффективности и работоспособности как действующих, так и разрабатываемых алгоритмов управления, а также оптимизацию настроек системы регулирования целесообразнее проводить с использованием методов математического моделирования, что позволит повысить уровень информационной насыщенности об объекте управления и, тем самым, увеличить качественные показатели продукции и эффективность управления энергетическим объектом. В связи с этим, задача разработки алгоритмических и аппаратных средств исследования, реализации и настройки системы управления гидроагрегатом является актуальной.
Целью работы является разработка алгоритмических и аппаратных средств исследования, реализации и настройки цифровой многофункциональной системы автоматического управления радиально-осевой гидротурбиной, позволяющих проводить предварительную настройку САУ на предприятии-изготовителе, сокращать время пуско-наладочных работ и приемо-сдаточных испытаний системы на ГЭС.
Методы исследования. Диссертационная работа выполнена с применением методов и аппарата современной теории автоматического управления и математического моделирования.
Научная новизна. Научную новизну представляют следующие, представленные в диссертации, результаты исследований;
1. Математические модели гидроагрегата с радиально-осевой гидротурбиной для режимов работы на холостом ходе, изолированную нагрузку и в энергосеть;
2. Математическая модель и алгоритмы управления САУ РОГ;
3. Алгоритм сокращения времени пуска ГА и выхода на холостой ход за счет введения двухступенчатой функции открытия НА и подключения регулятора с обнуленным интегратором в момент достижения ГТ номинальной частоты;
4. Алгоритм повышения точности схемы стабилизации открытия НА ГТ, отличающийся введением в блок управления сервоприводом корректирующего звена, обеспечивающего компенсацию зоны нечувствительности золотника, корректировку расходной характеристики и увеличение коэффициента усиления в зоне малых возмущений;
5. Результаты исследований САУ РОГ на стенде и ее предварительная динамическая настройка на всех режимах эксплуатации при пуске и разгоне ГТ, работе на холостом ходе, работе на изолированную нагрузку и в энергосеть.
Реализация результатов и практическая ценность работы. Результаты работы использованы при выполнении ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» разработок в рамках 7 хоздоговоров: №555-98 «Разработка САУГ малых ГЭС», №11-01 «Разработка, изготовление и внедрение САУ гидроагрегатом №23 Волжской ГЭС», №222-02 «Разработка, изготовление и поставка комплекта оборудования для САУГ с радиально-осевой турбиной Р075-В-140 на Гунибскую ГЭС», №634-05 «Разработка комплекта оборудования для САУ гидроагрегатом №2 Белореченской ГЭС», №670-05 «Разработка комплекта оборудования для САУГ Гельбахской ГЭС и поставка опытных образцов», №708-06 «Разработка комплекта оборудования для САУГ малых ГЭС и поставка опытных образцов» и №806-06 «Разработка комплекта оборудования для САУГ малой ГЭС в г. Ульяновске и поставка опытных образцов». Результаты работы в виде программного и аппаратного обеспечения внедрены на ОАО «УКБП» и используются как стендовая база для наладки, предварительной настройки и сдачи ОТК оборудования систем управления гидроагрегатами, а также для обучения персонала Заказчика навыкам управления и обслуживания современного оборудования.
Наибольшую практическую ценность представляют следующие результаты исследования:
1. Стенд для исследований и предварительной настройки и отладки алгоритмических и аппаратных составляющих САУ РОГ;
2. Программное обеспечение стенда и стойки управления ГА с РОГ;
3. Структурная схема многофункциональной САУ РОГ;
4. Доработанные по результатам натурных испытаний главные золотники направляющего аппарата на двух ГА Гунибской ГЭС;
5. Переданное в промышленную эксплуатацию оборудование САУГ на трех ГА Гунибской ГЭС.
Апробация работы. По теме диссертации опубликованы И работ и сделаны доклады на следующих семинарах и конференциях:
1) Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Инновации в науке, технике, образовании и социальной сфере», Казань, 2003 г.;
2) Международная заочная научно-техническая конференция «Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук», Ульяновск, 2004 г.;
3) Технический семинар «Вопросы эксплуатации, реконструкции и модернизации гидроэнергетического оборудования ГЭС», Москва, 2005 г.;
4) Всероссийская межвузовская конференция «Вузовская наука в современных условиях», Ульяновск, 2006 г.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений, содержащих функциональную схему регулятора ГТ, акты внедрения и использования результатов работы. Библиографический список использованной литературы содержит 102 наименования.
Выбор и обоснование законов управления по каждому из параметров регулирования гидротурбины
В настоящее время при разработке регуляторов гидротурбин применяются следующие основные типы структурных схем [13]: интегральная И (рис. 1.8, а); пропорционально-интегральная ПИ (рис. 1.8, б); изодромная (рис. 1.8, в); пропорционально-интегрально-дифференциальная ПИД (рис. 1.8, г). Возможно также применение различных комбинаций перечисленных структурных схем, например воздействие по производной в сочетании со схемой ПИ (рис. 1.8, д) или в сочетании с изодромной структурой (рис. 1.8, е), а также ряда других.
Для дальнейшего рассмотрения и анализа структурных схем и передаточных функций регуляторов введем следующие обозначения: А - пропорциональная составляющая выходного сигнала регулятора; В - коэффициент передачи интегральной составляющей выходного сигнала регулятора, [1/с]; С - коэффициент передачи импульсивной составляющей выходного сигнала регулятора; Du - диапазон частот; Т, і — постоянные времени, [с]; Tj - постоянная времени изодромного устройства, [с]; р - выходной сигнал регулятора; а - сигналы элементов регулятора; ай - входной сигнал; аос - сигнал обратной связи; К - коэффициент передачи; Ks - скоростной коэффициент передачи прямой цепи регулятора, [1/с]; Кп - коэффициент передачи по производной, [с]; Ктг - коэффициент передачи тахогенератора, [с]; W - передаточная функция; р - оператор дифференцирования; bt — временная неравномерность; Ьр — етатизм регулятора; со-угловая частота, [1/с]; Ф - фаза, [град]; L - коэффициент передачи по амплитуде, [дБ].
Для выбора структуры системы управления гидротурбиной и метода управления по каждому из параметров проведем анализ динамических свойств регуляторов, выполненных по различным структурным схемам, на основе логарифмических амплитудно- и фазо-частотных характеристик, приведенных на рис. 1.9, на котором а) характеристики интегрального регулятора, б) и в) характеристики изодромного регулятора, г) и д) характеристики ПИ - регулятора, е) характеристики ПИД - регулятора, ж) изодромный регулятор с дополнительным воздействием по производной.
Логарифмическая амплитудная частотная характеристика ЛАЧХ представляет собой прямую линию с наклоном - 20 [дб/дек], а логарифмическая фазовая частотная характеристика ЛФЧХ - также прямую линию на уровне минус 90 (рис. 1.9, а). При изменении постоянной времени интегрирования Т характеристика ЛАЧХ смещается по оси со; при этом изменяется также частота среза оэс. Характер и положение ЛФЧХ не зависит от величины Т. Переходная характеристика регулятора описывается уравнением: u(t)=BtaBX, (1.24) где В=1/Т и изображается прямой линией (рис. 1.10).
Система управления с интегральным регулятором обладает высокой точностью, так как усиление на низких частотах неограниченно возрастает, но имеет весьма низкую частоту среза и малое быстродействие, а поэтому применение ограничено.
Изодромная обратная связь к настоящему моменту получила наиболее широкое распространение в гидротурбинном регуляторостроении [13]. Идеализированная структурная схема регулятора с изодромной обратной связью (см. рис. 1.8, в) не содержит инерционных элементов в прямой цепи. Передаточная функция такой схемы имеет следующий вид: К„ 1 TdP+\ (1.25) W(P) = KsbJd+l Р ш — р + 1 K,btTd+l Частотные характеристики регулятора (рис. 1.9, б и в) определяются в основном параметрами настройки изодромного устройства Td и bt. ЛАЧХ регулятора, построенная по асимптотам, представляет собой ломаную линию с 1 l+K,bfTd двумя изломами, определяемыми частотами СО] и (о2, где ох = —; щ = - - -. а Td
Анализ частотных характеристик показывает, что изодромное устройство обладает следующими основными свойствами: 1) понижает на низких частотах коэффициент усиления интегратора в (I+Ksb[Td) раз, не уменьшая его величины в статическом режиме, т.е. не ухудшая чувствительности регулятора, поскольку о 2 =KS, а (у, !—; K«Md+1 2) существенно повышает фазу интегратора в области частот от сої до ю2; опережение по фазе растет с увеличением диапазона частот: Dw= co2/o)i=l+KsbtTd, но не может превосходить 90 (обычно 70-75).
С увеличением уставок регулируемых параметров bt и Td происходит расширение области дифференцирования, однако увеличение Та повышает фазу в начале области дифференцирования, а увеличение bt при неизменном Td приводит к повышению фазу в конце этой области. Это обстоятельство часто является решающим при обеспечении устойчивой работы гидроагрегатов, характеристики которых из-за гидравлического удара именно в области относительно высоких частот имеют резкое падение фазы, сопровождающееся иногда подъемом амплитуды. В связи с этим часто приходится идти на увеличение уставки bt при относительно небольших значениях величины Td. Переходная характеристика изодромного регулятора определяется выражением [13]: //(t) = (А -Ае4" + Bt)aex, (1.26) где А= К Ь В = — -т —L—,
При ступенчатом возмущении переходный процесс (см. рис. 1.11) определяется тремя составляющими: пропорциональной А, интегральной Bt и экспоненциальной Ае ; последняя является следствием инерционности регулятора.
Определение технических требований к основным элементам САУ РОГ (быстродействие, разрядность и т.п.)
Основным способом отображения информации оперативному персоналу является ее представление на видеотерминале в виде фрагментов мнемосхем, графиков, таблиц и текстовых сообщений.
Информация должна представляться персоналу по принципу от общего к частному. Основной объем информации, позволяющий оценить ситуацию в целом, содержится на общих фрагментах мнемосхем. В случае отклонения любых параметров от нормальных значений или изменения состояния внимание персонала должно быть привлечено цветом или миганием. При этом персонал должен иметь возможность вызвать более детальный фрагмент. Для каждого фрагмента обязательным являются: - название фрагмента; - признаки обновления информации; - текущее время. Смена видеокадров при переходе к новым схемам или фрагментам должна происходить за время не более 1 с. Цикл обновления информации на экране должен быть не боле 0,2 с,
Требования к подсистеме регулирования гидротурбины.
Алгоритм функционирования автоматического регулятора ГТ должен состоять из логической и регулирующей частей. Логическая часть должна обеспечивать управление регулирующими органами ГТ в переходных режимах работы ГА. Б системе регулирования должна быть предусмотрена возможность оперативного изменения следующих параметров: значение статизма, параметров динамической настройки каналов регулятора, значения технологических ограничений. Изменение остальных параметров настройки допускается производить в режиме программирования.
Воздействие цифровой управляющей части регулятора ГТ на гидромеханическую часть должно быть выполнено таким образом, чтобы при отказе контроллера управления гидротурбиной было обеспечено сохранение прежней нагрузки и переход на ручное управление ГА.
Программа автоматического регулятора ГТ должна выполняться периодически с длительностью цикла не более 0,1 с- Цикл опроса параметров, используемых в регулировании, не должен превышать 0,1 с [16].
Подсистема технологической автоматики должна обеспечить автоматическое управление ГА в переходных режимах при выполнении операций по пуску, нормальному и аварийному остановам, переводу агрегата из одного режима в другой, а также выполнение функций гидромеханических защит.
Органы управления должны обеспечивать дистанционный и местный ввод команд на изменение состояния ГА. Технологическая автоматика должна вырабатывать исполнительные команды для подсистем: - автоматического регулирования ГТ; - автоматического регулирования возбуждения; - управления вспомогательным оборудованием; - управления коммутационной аппаратурой.
При исполнении команд на изменение состояния ГА должны производиться проверка необходимых условий по переводу ГА в соответствующий режим, контроль времени отдельных операций. При превышении времени выполнения операций должен быть подан предупредительный сигнал.
Длительность цикла выполнения программы технологической автоматики не должна превышать 0,2 с. Максимальная длительность подачи исполнительных команд не должна превышать 1,0 с [16],
Управление вспомогательным оборудованием ГА производится с целью обеспечения готовности его к пуску и нормальной работы во всех режимах. Режим одной части вспомогательного оборудования жестко связан с режимом работы ГА: оно должно быть включено при пуске ГА и отключено при его останове. Другая часть вспомогательного оборудования предназначена для поддержания регулируемого параметра (температуры, давления, уровня и т.д.). Автоматическое управление этим оборудованием производится по закону двухпозиционного регулирования,
В СУГ должна быть предусмотрена возможность автоматического и ручного управления вспомогательным оборудованием. Последнее должно производится по месту установки оборудования. Уставки включения и отключения исполнительных механизмов устанавливаются при вводе функций в эксплуатацию и не требуют оперативных изменений. Продолжительность рабочего цикла выполнения функции не должна превышать 0,5 с [16].
Проверка адекватности модели цифровой САУ РОГ
Проверку адекватности математической модели цифровой САУ РОГ проведем в 2 этапа: а. проверка адекватности модели сервопривода направляющего аппарата; б, проверка адекватности модели гидроагрегата.
Исходными данными для проверки адекватности моделей являются теоретические и экспериментальные данные динамических характеристик сервопривода направляющего аппарата и гидроагрегата Гунибской ГЭС с радиально-осевой гидротурбиной РО75-В-140.
Математическое моделирование сервопривода НА проводилось с учетом принятых нелинейностей (люфтов, зон нечувствительности, ограничений) в соответствии с математической моделью СП НА [21]. Для удобства оценки точности моделирования работы сервопривода управляющий сигнал, поступающий на вход модели, пересчитан в миллиметры. В табл. 3,2 и на рис. ЗЛ7 приведены переходные процессы при коэффициенте усиления сервопривода Кр равным 35 и при расчетном напоре Н=48,5 м. Моделирование проводилось в следующих условиях: в момент времени 10 с управляющий сигнал становится равным половине от максимального значения управляющего сигнала (т.е. 60 мм), в момент времени 35 с управляющий сигнал становится равным нулю, в момент времени 60 с управляющий сигнал становится равным максимальному значению управляющего сигнала (120 мм), в момент времени 85 с управляющий сигнал становится равным нулю (полное закрытие).
Целью математического моделирования являются исследование замкнутой системы управления гидроагрегата, определение зон устойчивости регулирования ГА с приемлемым качеством и предварительная настройка системы управления.
Для более точного определения ограничения выходного сигнала интегратора проведем моделирование работы САУ РОГ как на холостом ходу, так и в рабочем режиме на изолированную нагрузку в режиме статического регулирования (т.е. при отсутствии интегральной составляющей управляющего сигнала). Результаты моделирования сведены в табл. 3.7. Коэффициент преобразования изменения частоты вращения в изменение перемещения штока СП НА KwS = 1.6—;—, зона нечувствительности дифференциатора Hwmin и об/мин Hwmax составляет ± 0?15 мм/с, ограничение дифференциальной составляющей Dwmin и Dwmax составляет ± 24 мм [ 1].
Как видно из при;..-денных выше результатов моделирования максимальная статическая ОІІПКІ.Л при работе на холостом ходу составляет почти 5 %, а при работе на изолп]п кінную нагрузку около 20 %. Таким образом, ограничение интегральной сост.пшяющей сигнала регулятора должно составить при нагрузке, равной 80 % от максимальной, Fi = —— KWS = 75MM, а 100 окончательную величину устап :. .шваем на уровне ±80 мм«
Для исключения появления дифференциальной составляющей в установившемся режиме дополнительно увеличим зону нечувствительности дифференциатора Hwmin и Hwmax с ±0,15 до ±0,5 мм/с, что обеспечивает достаточный уровень дифференциальной составляющей в переходных режимах.
При проведении моделирования также уточним параметры как дифференциатора (коэффициент усиления, зона нечувствительности и ограничение выходного сигнала), так и интегратора (коэффициент усиления и ограничение выходного сигнала).
Предварительно установлено, что пропорциональный коэффициент не должен превышать 0,5 во избежание возникновения в системе автоколебаний.
Проведем моделирование замкнутой системы при работе ГА на холостом ходу и определим величины открытия НА холостого хода. Для того, чтобы обеспечить выход гидротурбины на режим работы на холостом ходу, необходимо знать, при каком минимальном открытии НА обеспечивается разгон ГА до номинальной частоты вращения, при которой происходит включение регулятора на нагрузку. Результаты моделирования для минимального, расчетного и максимального напоров приведены в табл. 3.8.
Исследование САУ РОГ на стенде при работе на мощную энергосеть
Испытания САУ РОГ при работе на параллельную нагрузку проводилось в следующем порядке: - выход на холостой ход; - включение в сеть с начальной уставкой отдаваемой мощности (1 МВт); - увеличение уставки отдаваемой мощности до 3 МВт; - увеличение уставки отдаваемой мощности до 5 МВт; - уменьшение уставки отдаваемой мощности до I МВт; - перевод в режим синхронного компенсатора; - перевод из режима синхронного компенсатора в режим регулирования активной мощности; - увеличение уставки отдаваемой мощности до 3 МВт; - перевод в режим синхронного компенсатора; - перевод из режима синхронного компенсатора в режим регулирования активной мощности; - увеличение уставки отдаваемой мощности до 5 МВт; - перевод в режим синхронного компенсатора; - перевод из режима синхронного компенсатора в режим регулирования активной мощности.
На рис- 47 приведены переходные процессы, а в табл. 4,8 приведены основные параметры процесса регулирования: - время регулирования t - вхождение в трубку ± 1 % по отдаваемой мощности; - среднее значение положения штока НА. При переводе гидроагрегата в режим синхронного компенсатора скорость закрытия НА устанавливается равной 10 мм/с, а при выводе - скорость открытия НА равна 2 мм/с.
Как видно из полученных данных, процесс регулирования при выходе на новый режим носит апериодический характер, перерегулирование по ходу штока НА и по частоте вращения отсутствует. При приближении к заданному значению уставки отдаваемой мощности вследствие наличия мертвой зоны у золотника и люфта штока не происходит точного позиционирования положения лопаток НА, но поскольку рассогласование между уставкой отдаваемой мощности и самой отдаваемой МОЩЇЮСТЬЮ находится в пределах искусственно вводимой мертвой зоны регулятора, то отсутствуют какие-либо колебания штока НА.
Проведем испытания регулятора активной мощности при работе гидроагрегата в мощную энергосистему в следующем порядке: - выход на холостой ход; - синхронизация и включение в сеть с начальной уставкой отдаваемой мощности 0,25- (1,3 МВт), где TV//- номинальная мощность ГА равная 5,2 МВт; - скачкообразное увеличение уставки по мощности до 0,5- (2?6 МВт); - скачкообразное увеличение уставки по мощности до 0,75- (3,9 МВт); - скачкообразное увеличение уставки по мощности до Л// (5,2 МВт); - скачкообразное уменьшение уставки по мощности до 0,75- (3,9 МВт); - скачкообразное уменьшение уставки по мощности до 0,5- (2,6 МВт); -скачкообразное уменьшение уставки по мощности до 0,25- {153 МВт); - скачкообразное уменьшение уставки отдаваемой мощности до 0,1 МВт.
Проведем испытания регулятора активной мощности при работе гидроагрегата в мощную энергосистему в следующем порядке: - выход на холостой ход; - синхронизация и включение в сеть с начальной уставкой отдаваемой мощности 0,25- (1,3 МВт), где TV//- номинальная мощность ГА равная 5,2 МВт; - скачкообразное увеличение уставки по мощности до 0,5- (2?6 МВт); - скачкообразное увеличение уставки по мощности до 0,75- (3,9 МВт); - скачкообразное увеличение уставки по мощности до Л// (5,2 МВт); - скачкообразное уменьшение уставки по мощности до 0,75- (3,9 МВт); - скачкообразное уменьшение уставки по мощности до 0,5- (2,6 МВт); -скачкообразное уменьшение уставки по мощности до 0,25- {153 МВт); - скачкообразное уменьшВ целом процесс регулирования активной мощности носит апериодический характер, выход на заданный уровень происходит без перерегулирования как по отдаваемой мощности, так и по положению штока НА. В табл. 43 приведены результаты испытаний: - среднее положение штока направляющего аппарата S, мм; - время регулирования t (вхождение в трубку ±5 %), с; - ошибка регулирования AN, равная разности действующей уставки отдаваемой мощности и величины отдаваемой мощности в установившемся режиме, МВт. 0,10 МВт 13,91 - -0,006
Как видно из табл. 4.9 ошибка регулирования активной мощности во всем диапазоне работы гидроагрегата не превышает 0,21 МВт, что составляет 4 % полной мощности. При уменьшении уставки отдаваемой мощности с 1,3 МВт до 0,1 МВт происходит некоторое перерегулирование, отдаваемая мощность меньше уставки на 0,006 МВт, что находится в пределах искусственно вводимой мертвой зоны регулятора, но трубка ±5 % подразумевает разброс в пределах 0,005 МВт. В этом случае время регулирования не имеет смысла. ение уставки отдаваемой мощности до 0,1 МВт.
