（机械电子工程专业论文）基于fpga的高集成度数字式水轮机调速器研究.pdf

摘要 y 0 3 3 龇 要 罩j 1 4 本沦文针对当前我国水轮机调速器的研究现状，将可编程集成电路技术和电子设计 自动化( e d a ) 技术应用于水电厂发电机组的整壁剑。研制了以现场可编程门阵列 ( f p g a ) 控制理论 分： 第部分( 第二章) ：简要介绍了水轮机调节系统，建立了系统的数学模型，简要 介绍了所使用的增量式p i d 控制算法，然后介绍了基于单片f p g a 的高集成度数字式 水轮机阍带系统的总仕结均。 第二部分( 第三、第四章) ：简要介绍了可编程集成电路技术的发展情况以及f p g a 的结构和工作原理，然后介绍了利用f p g a 实现的高集成度数字式水轮机调速器的 即g a 内部电- 罡各的设糯以及调速器实验样丰几的硬件结构和设计过程，给出了实验样 机在物理数字混合仿真平台上的实验结果。还介绍了种利用f p g a 和v 伊变换原理 实现的多路可控a d 转换 奠块。 第三部分( 第五章) ：简要介绍了预测控制理论在水轮机调速器中的应用，对研制 ：靳f p g a 的应用预测控制理论的水轮机调速器进行了初步的探索和可行陆分析。 第四部分( 第六章) ：对全文进行了总结，指出了主要的研究成果并提出了进一步 、 开发的设想。 a i m i n g a tt h ea c t u a l i t yi nt h ef i e l do f t h es p e e dg o v e m o rf o rh y d r a u l i ct u r b i n e ，t h i st h e s i s a p p l i e st h et e c h n o l o g yo f p r o g r a m m a b l el o g i cc i r c u i t a n de l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i ct ot h e s p e e dc o n t r o lo fh y d r o e l e c m m i cg e n e r a t o mi nh y d r o p o w e r s t a t i o n , ad i 酬r e g t l l a t i n gs y s t e m k i s e do nf i e l dp r o g r a m m a b l ec r a t e sa r r a yf o r t h ew a t e rg a t eo f h y d r a u l i ct u r b i n ei sd e v e l o p e d m e a n w h i l et h ef e a s i b n 哆o ft h ec u g l 词r e g u l a t i n gs y s t e mw h i c ha p p l y i n gp r e d i c t i v ec o n l r o l t h e o r yb a s e do nf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e sa r r a yi se x p l o r e d c o r r e s p o n d i n g l y , t h i st h e s i si s d i “d e di n t of o u r l ：耐t s ： f i r s t p a r t ! ；( c h a p t e r 2 ) ：t h e t u r b i n e r e g u l a t i n gs y s t e m i s b r i e f l y i n t r o d u c e da n dt h e m a t h e m a t i c sm o d e lo fm e s y s t e mi sd e r i v e d , t h ei n c r e m e n t a lp i dc o n t r o la r i t h m e t i ci sb n e n y i n t r o d u c e d t h e nt h eg e n e r a lc o n s t r u c t i o no f 血e h i g hi n t e g r a t e dd 蜘lr e g u l a t i n gs y s t e mb a s e d o n o n e - - c h i p f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e s a r r a y i s i n l r o d u c e d s e c o n d p a r t s ( c h a p t e r 3 ，c h a p t e r 4 ) ：t h ei m p r o v e m e n t o ft h e t e c h n o l o g y o f p r o g r a m m a b l el o g i cc i r c u i ta n de l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i ci sb r i e f l yi n t r o d u c e d t h e nt h e c i r c u i td e s i g no ft h ef p g au s e di na i g l t a is p e e dg o v e r n o rf o rh y d r a u l i ct u r b i n ei si n l r o d u c e d t h eh a r j d w a r ed e s i g no ft h ed i g l 乜ls p e e dg o v e r n o rb a s e do n o n e - - c h i pf i e l dp r o g r a m m a b l e g a t e sa r m yi si n m x i u c e dt o o t h e nt h er e m f l t so ft h ee ) 币e i 咖b a s e do n p h y s i c a l - - - - d i g i t a j p l a t f o r mi s 西v e na tl a s t , am u l t i - w a yc o n l r o l l a b l ea dc o n v e r tm o d u l ea p p l i e dw i t hv f c o n v e r s i o n a n d f p g a t e c h n o l o g y i s i n t r o d u c e d t h i r d p m ( c h a p t e r 5 ) ：t h ea p p l i c a t i o no fp r e d i c t i v ec o n t r o li nt h ef i e l do ft h es p e e d g o v e m o r f o r h y d r a u l i ct u r b i n ei sb r i e f i n t r o d u c e d , t h e nt h ee x p l o r a t i o nf o rt h ef e a s i b i l i 妙o f t h e d i g l 瑚s p e e dg o v e r n o rf o rh y d r r m l i ct u r b i n ew h i c ha p p l y i n gp r e d i c t i v ec o n l r o lt h e o r yb a s e d0 1 1 f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e s a r m y i sd o n e f o u r t h p a r t ( c h a p t e r 6 ) ： a s t m a t r m - yo f m e r e s e a r c hi s 百v 吼t h em a i na c h i e v e m e n t s o f t h e t h e s i s i s m e n t i o n e d , t h e c o n c e i t o f t h e f u r t h e r d e v e l o p i n g w o r k i s p o i n t e d o u t 丝二童堡垄一一 综述 摘要：首先分析了我国水电事业的现状和发展趋势，接着对水轮机调速器在水力发电 系统中的作用、研究现状和发展趋势进行了简要的论述，阐明了论文研究的目的和意 义，最后确定了本文的研究方向和方法。 1 1 我国水电事业的现状和前景 水电是种清洁、优质、廉价的再生资源，水电站运行灵活，运行成本低，长期 效益巨大，而且开发水电的社会及生态效益大。世界各国无不优先开发水电资源，使资 源得到最大限度的利用。水电集一次能源开发和二次能源转换于一身，属可再生能源， 若多开发1 0 0 0 亿i ( 1 m 水电，可替代3 3 0 0 万吨标准煤。在开3 ) 7 k 电的同时，还有灌溉、 防洪、供水、航运、水产养殖、旅游等综合效益。在电力系统中，水电具有调峰、调 相、事故备用等特点，与火电等配合运行可加强电力系统的经济断口安全性。在市场经 济体制下，各国政府都是优先发展水电。我国同样有一系列的优惠政舞恸口快水电的开 发建设，可以预料，水刨哿在我国的国民经济和人民生活中发挥越来越重要的作用。新 中国成立以来，特别是改革开放以来，我国的水电建设取得了举世瞩目的成就：i 9 4 9 年解放时全国水电g 颓仅1 6 3 万h 。经过n 代 、的努力，到i 9 9 8 年底全国水电装机已 达6 6 0 。万概是1 9 4 9 年的g o 倍，占世界第三。年发电量2 0 4 3 亿k w h 。【目蹦髑触同 虽然水电建设获得了很大的发展，但我国电力工业中存在的个主要问题是火电比 重大，而水电开发率低，比重小。截止到1 9 9 8 年底，水电在电网中的比重仅为丛8 6 ， 发电量仅占总发电量的1 7 e 6 。同我国水能资源开发程度是很低的，按1 9 9 8 年末的容 量计算，仅为可开发资源的百分之十几，按发电量计算仅为可开发发电量的百分之八左 右，低于世界平均水平岣，远低于发达国家开发水平( 鲫旧。 随着国民经济的迅速发展，迫切需要加快开发我国的水利资源，国家规划争取到 2 0 0 0 年水电开发程度接近世界平均水平，达到2 a ) 6 左右。根据电力部九五计划建议和长 期规划的展望目标，到本世纪末，全国的水电瓣量将达到7 0 0 0 万到2 0 1 0 年将 达到1 2 5 亿h 。回因此，相当长的一段时间内，我国的水电开发将保持很快的发展速 度，2 1 世纪，中国水电将在以下方面发展： a 巨型或大型水电站的兴建将成为一些电网的骨干电源，并推动“西电东送”发 展战略的实现。三峡电站的建设和金沙江的开发将实现西电东送的起步。另外还有批 巨型电站也将于2 l 世纪建设并投产。 第一章综述 h中小型水电的发展形势看好。近十多年以来，由于用电负荷的急剧增长和地方 经济实力的增强，各省、自治区积极进行开发中小型水电站的建设。8 0 年代以来，水 电建设投资多元化的局面已逐步形成，给中小型水电站的发展形成机遇，进入2 1 世纪 以后，这势头将继续发展。 巳 抽水蓄能电站将形成一定规模。由于东部地区水能资源有限，且许多地区可 开发的水能资源大部分已开发，而且系统负荷和峰谷差迅速增加，水电比重不断下降， 尤其是核电站的建设，使系统调峰问题目益突出。进入2 1 世纪以后，东部地区抽水蓄 能电站建设必将加快。 d农村小水电仍将有序发展。中国河流众多，许多小地区河流水能资源十分丰 富，开发这些资源可为边远山区和农村提供电力。解放后，尤其是1 9 8 3 年国务院批准 在全国建设第批1 0 0 个初级农村电气化试点县以后，农村小水电发展速度很快，1 9 9 0 年完成t 述计划以后，国务院又于1 9 9 1 年批准建设第二批2 0 0 个初级农村电气化试点 县。由于国家在政策和投资等方面的支持，和广大以- 树, - j - 用电的需要，农村小水电在2 1 世纪仍将大量发展。卿 所以水电事业前景广阔，任| 邑道远。 1 2 水轮机调速器发展综述 水电机组具有起痔陕，运行灵活等优点，在电网中常承揖凋频、调峰、调相和事故 备用的任务。1 9 8 5 年我国西北电网峰谷差约为1 2 0 万1 9 9 2 年已达2 0 0 万h ，调峰任 务要由5 - k z k 电站( 龙羊峡、刘家峡、盐锅峡、八盘峡、青铜峡) 的水轮机组承担。调 频和调峰机组由于开停机操作次数多、工况转换频繁等，要求发电机蛆及调速器很高的 可靠生和优良的控制性能。此外，当水电机组承担电网的事故备用任务时，高质量的调 速器对保证电网的安全、经济运行具有重要作用。华中电网是全国四大电网之一，到 1 9 9 0 年底全网装机总容量为2 0 1 0 万其中水电嶷腑为8 3 2 万蛔，约占全网装机 容量的4 0 6 ，水电的年发电量也大约占总发电量的4 0 j 6 。文献 7 指出，在华中电网中， 单机容量45 万h 以上的水电机鲴共有5 2 台，所配备的调速器有机械液压型和电气液 压型等。迄今为止，已改造并取得成功的有1 3 台，占总数的2 5 ；比较迫切要求改造的 有2 l 台，约占总数的4 慨；目前尚能正常运行的有培台，仅占总数的3 蹋。其中5 台调 速器自机组调试运行以来，由于质量不佳用户直要求进行更新。 由此可见，由于水电机组在电网中的特殊作用，即将安装的机组需要有高质量的调 速器配套，而现已投入运行的机组又对润速器提出了改进和更新的要求。因此对高质量 的调速器进行开发和研究已成为一项迫切的科研任务，它对于提高我国电力工业的技术 水平具有重要意义。 水轮机调节系统是由调节控制器、电液随动系统和调节对象组成的闭环控制系统， 如图1 一l 所示，水轮机调速器( 包括调节控带螺和电液随动系匀静作为电站自动化的重要 堡二里簦笙 基出控制设备，它保证水轮发电机组的频率稳定，维持电力系统负荷平衡，并根据操作 图l 一1 水轮机调节系统框图 指令制洛种机组自动化操作过程椭龇调速器的调椒蟓由擀撕、发电丰几以及电 力系统等环节构成，是一典型的非线幽嘬小相位系统。闻 1 2 1 水轮机调速器的发展历史 蒯神蝴i 鲞器先后经历了棚啦砌剧、电气液压型和倒几酒强塑三化冁阶段。 水轮机讽速器的发展与其他工业相类似，都离不开当时的社会生产力的发展和科学 技术献生步。栅戎沼涯型灏蠡器诞生什九t 彭眯，至拿已有将近个咝己的历史。通 过长期的制造、设计和运行，已积累了丰富的经验，其稳定性较好，也比较可靠，但喷 性大，速动性和准确性不够：由于受到机械部件的限制，只能采用p i 调节规律，且调 节参数固定不变，因此调节性能差，难以满足当前电力系统对电能质量和电厂综合自动 化提出的要求。 随着电子技术及液压技术的进步，出现了电气液压型调速器。与机械液压型调速器 相比电气! 瘦压型诹萎器是以电气形式代替初械形越生行信号的传递、变换和综合，具 有响应i l 瞍快、控制精度高、易于实现所需要的调节功能等特点。五十年代已有相当成 功的电气液压型调速器。电气液压型调速器经历了电子管、晶体管和集成电路等发展阶 段。从调节规 聿上也从p i ( 比例积分) 调节规律发展到了p i d ( 比例橛分诎分) 调节规 律。 此外，为提高电气液压型调速器的技术指标并使它具有更好的通用性和互换性，出 现了种组合式( 又称积木式) 电气液压型凋速器。它由测速、调节、位置控制操作、 执行机构：等具有单功能单元的元件组合而成，通过各单元的不同组合，构成适用于不 同机组要求的调速器。法国r 忸y r p i c 公司七十年代初生产的p , a p i i t f 7 型集成屯足 电液调 速器就是这类调速器的典型代表。 第一章综述 七。1 年代以来，随着电子计算机技术的发展和普及，开展了在电力系统中应用计算 机进行生产过程控制的研究。第一台数字式调速器是七一f 啕计渤研制成功的。从八 年 代开始，由于微处理机技术的推广和应用，研制出了以微处理机为核心的水轮机调速 器，从而使数字式水轮机调速器投入工业运行成为可能。瑞典a s f a 公司八十年代中叶 推出的 p c 6 1 彻调节器代表了当时国外微机调速器的发展水平，该调速器的c p u 为8 位6 8 0 3 ，由m p l g o 可编程控制器组成，编程设计语言为肌e am a s 皿 p i e c e i 悯。该调速器具有优良的性能和较高的可靠性，现场使用情况良好。 我国水轮机调速器制造业是解放后才发展起来的。五十年代主要生产机械液压型调 速器，六寸耷玳起我国自行研制的电子管、晶体管、集成电路电气液压型调速器相继投 入运行。当前新建的大、中型水电厂多采用电气液压型调速器。我国生产的机械液压型 和电器液压型调速器的典型产品有：t - 1 0 0 、d t - 1 0 0 、d s l _ 1 5 0 等型号的调速器，并已形 成了自己的型谱。八十年代起我国有少数科研单位开始从事微处理器调速器的研制工 作。 1 2 2 水轮机调速器的研究现状 八十年代以来，调速器技术的研究方向主要表现在以下几个方面： 第一：系统结构的变革。从八十年代初开始，我国新设计的水轮机电液调速器和微 机型电衡# 蝴大多采用了先进的电子式调节器式结构，它由转速测量单元、电子调节 单元和电液执行单元构成，其特点是转速测量单元、调节规律的形成和驱动导水机构的 职能分别由e 述三个功能单一的单元来实现。采用这种结构的调速器，在不提高机械液 压部分的加工精度的前提下，其转速死区可达0 0 2 j 6 a0 3 j 6 ，而以往的缓冲一中问接力 器式结构的调速器要达到这样的技术指标是比较困难的，必须在提高机械加工精度和减 小主配压阀描接量的基础上才能实现。 第二：高可靠性电液伺服比例阀的研制。电液伺服阀是调速器的一个关键部件。以 往常见的毛病是油孔容易堵塞和控制套发卡，造成特f 生不稳定，接力器抽动。有的还造 成负溜、甩负荷等现象，严重影响电厂的安全经济运行。据有关部门统计，有6 0 以上 的电液调速器存在以上问题。针确塞叶青况，不少调速器研制单位着手改进这一技术， 先后推出了多种类型的电液伺服阀。长江控制设备研究所的双锥阀式电液伺服阀和湖南 水利电力科学研究院与武汉水电控制设备研究所联合推出了环喷式电液伺服阀。而 b o s c h 公司已推出了性能达到伺服阀的各项指标的伺服比例阀，目前业已推出的伺服比 例阀还具有精度高、动态响应好、可靠性高、抗油污能力强、及阀体采用五环镶套结构 等特点。因此在欧美国家推广很快。目前，w o ( x j w - a r d 、v o j t h 等公司正在试制采用伺服 e 眙0 阀的调速器。国内也有单位陆续采用这种途径。 第三：新型电液系统的采用。长江控制设备研究所等单位研制了从液压伺服阀、引 导阀、辅助接力器至主配压阀直连的机械液压系统，这是种新型的无杠杆机械液压系 第一章综述 统，具有结构简单、调试方便等特点。湖南水科所与武汉水控公司研制出种直连型的 电液随动系统。该随动系统采用高集成度的块式结构，完全取消了原来的外管道系统， 将所有暗管布置在一个外方内圆的集成块内和主配压阀盖内。系统具有体积小、结构简 单、运行可靠、维修方便等特点，并使机械液压部分的死区大大减小。受其他一些工业 领域的启发，有部门已尝试g e 用步进电机取代传统的电液转换机构，并投现场运行，取 得了一些有益的经验和启示。因为f 断门大多是积分元件，所以大多作为中间接力器来使 用，其抗油污能力的确有所提高，但由于其机械喷量大，容易出现滑步及丢步现象，动 态频宽窄，响应能力受到一定影响，最突出的表现是在空载频率跟踪、甩负荷指标等方 面的不足，在中小型机组上有一定的应用价值。另外还出现了使用高速开关阀作为执行 机构的设计，但其实用性尚有待于进一步的检验。 第四：工作油压的普遍提高。八十年代以前我国生产的调速器，其工作油压多为 2 珊而八十到九十年代大多采用了& g a 油压等级，也有单位正在研究采用曲嗡 油压等级的调速器系统。提高液压系统的油压等级有利于实现小型化、集成化、标准 化，并更能体舰液压系统的能容比大的优点。 第五：微机技术的应用及调速器功能的扩展和可靠性的提高。八十年代初期，微机 技术被引入水轮机调速器的研制，并与现代控制理论相结合，研制出新型的水轮机调速 器铷虮水轮机调速器，将水轮机调节技术推向了一个新的高度。调速器的功能不断 扩展，如广泛设置的频率跟踪功能、人工死区功能、电气开度限制功能、快速准同期功 能等。在微机调速器中还引入了在线故障诊断功能、故障处理及计算机辅助试验等功 能。由于这些功能的设置，不仅提高了水轮机调速器的速动性、准确性和可靠性，而且 适应了水电厂计算机监控的需要，有助于提高电厂自动化程度和安全经济水平。 1 2 3 水轮机调速器的发展方向 水轮机调速器今后将在以下几个方面发展： 1 、高可靠l 生的研究。对于水轮发电机组这样一个重要设备来，调速器的可靠性一 直为人们所重视，并投入了大量的精力。将来在这方面的的研究工作主集中在以下几方 面：一是进一步研究各种抗干扰技术，提商硬件的可靠性；二是加强训算机软件的可靠 性研究；另外对于电液随动系统，也要加以改造，采用可靠性高的设计方案。 2 、 提高控带十| 生能。基于现代控制理论，加强新型控制策略的应用研究，在保证系 统可靠| 生的同时，增强水轮机调节系统的稳定性和适应性，使调速器盼陛能更优越。 3 、 功能增强。未来水轮机调速器的功能不仅停留在对机组进行有效的调节和控制 上，具有运行状态在线自动监测和多项计算机辅助试验功能将成为调速器的必要功能。 4 、实现多目标控制。目前的调速器一般只以机组频率为调节目标，若在系统中引 入功率信号，则可宣接控制机组的功率输出，有利于发电厂负荷自动分配和自动发电控 制；引入电网电压与机组电压的相位差信号，则可进行相位控制，提高机组的快速并网 第一章综述 能力；引入水库的水头信号，则可根据当前水头信号进行负荷控制。因此，多目标综合 控制是未来新代调速器的必然发展趋势。 1 3 论文选题的目的和意义 众所周知，水轮机调速器的发展经历了机械液压型、电气液匮型和微机型三个发展 阶段，目前占主导地位的是微考r i 垂! ! 调速器( 包括单板机型、p l c 型和工 空机型) 。其中 的单板机性能价格比高，易于实现实时控制，但由于系统抗干扰能力差，对用户计算机 知识有一定要求，所以应用面并不是很广泛。i - i c 型调速器的抗干扰能力强，编程语言 简单( 梯形国语言易于工程技术人员掌握) ，模块化结构可减少确定故f 逮纬】检修花费的 时间，但也有一定局限性，由于它在结构和运行方式上的特点，在频率测量、输入和闭 环控制的实时性上的处理需要下一番功夫，而且其应用软件通用性差，缺乏国产化元器 件，价格较贵。囹而以s i d 总线或p c 工业总线工控机为硬件的控制系统，其特点是小型 化、系列化、模块化、兼容蝴口功能强大，但与水电站运行的高可靠性要求有一定距 离，主要是硬件设计和制造工艺不完善所至，在元件的筛选、老化、f 四工艺、调试检 测手段方面达不到高可靠i 生要求，8 与国外产品相比还有差距，而且开发工作量大，用 户仍需掌握一定的计算机知识，在采用双微机系统时投资比较大，所以目前大型水电站 的微机调速器仍依赖进口。 在七十年代后期曾出现过种集成电路型调速器，这种调速器采用通用7 4 系列的 中规模集成数字电路构成硬件系统，由于使用多种通用器件，其开发的：t = 作量足相当大 的，国内外也有过少量的产品问世。从理论上看，这种纯硬件的调速器系统结构简单， 而且数字电路的抗干扰能力是很强的，应具有极高的可靠性，在现场的应用有独特的优 势。但在实际的运行中，由于采用的芯片集成度不高，所以一块控制根i 至少包含有三 十至四十块芯片，不但使系统的设计变得极为困难和复杂，而且由于芯片与外围器件偏 多，焊接质量难以保证，使得系统的可靠陛和可维护生大打折扣，维修也极为困难，所 以目前基本上没有发展。 随着集成电路技术的进步，出现了种为专门限定的产品或应用而设计的芯片一 专用集成电路( a s i c ) ，a s i c 器件自从七十年代问世以来，已得到日益广泛的应用。在 s i c 器件的家族中，有类可编程器件，这类器件本身是通用的，但可以通过用户的 二次开发完成特有的功能。在这类器件中，尤其以近几年发展起来的0 1 d 和f p g a 格外 受到重视，己成为个很重要的实现a s i c 的手段。其中f p g ( 现场可编程门阵列) 将 半定制的门阵列电路的优点和可编程逻辑器件的用户可编程特性二者结合在一起，使其 不仅包含大量的门电路，具有极高的速度，使设计的电子产品达到小型化，集成化和高 可靠胜，而目器件具有用户可编程性，大大缩短了设计周期，减少了设计费用，降低了 设计风险。因此f p g a 已成为可编程 s i c 中更受欢迎的一类器件。 这类器件的出现 和发展，使得使用集成电路设计水轮机调速器再次成为可能。本文将司骗程& s i c 技术 第一章综述 应用于水电厂水力发电机组的转速控制中，并取得了预期的效果，其研究意义有以下几 个方面： 将n ( 电子设计自动化) 技术和大规模可编程集成电路技术用于水轮机调速器设 计，为水轮机调速器的实现方式提供了一个新的思路，因为专用集成电路技术与以往的 基于通用数字电路的纯硬件调速器设计相比具有集成度大大提高、适应性好，灵活性 好，可靠性高的优点，克服了前者由于芯片多且各芯片的功能单一腧告成的实际应用的 局限，具有广阔的应用前景。它使得研制单芯片的水轮机调速器成为可能，有望生产出 一致陛高、可靠性好、性价比高的产品。而且其标准化和低成本将为水电控制领域开辟 个新的发展方向。与占主流地位的眦调速器相比，这类型的调速器由于原理上的 优势( 纯数字电路、单芯片) 具有速度陕、集成度高的优点，将来也可以较方便的用来 设计实现双调节控制( 控制导叶和桨叶) 的水轮机调速器，若是使用f i 琢器件来设计 对发电机励磁电流进行控制的调节器，f f g a 独具的高速信号采集和处理能力会使这种 实现方式具有较大的优势，可望实现单芯片的可同时调节转速和励磁的多功能调节器。 可编程逻辑器件目前只是大量的被应用于数据通信领域，在工业控制场合的应用才刚刚 兴起，就目前所掌握的资料来看，国内还没用将其应用于水轮机调速领域的先例，就这 一点来说，本课题的成果将为f p g a 技术在这领域的应用开辟道路。目前我国有近十 万座中小水电站，其中相当部分机组的调速器系统还是机械液压型和电器液压型，需 要更新换代，这无疑为结构简单、可靠陛高、可维护性好的新型基于可编程集成电路的 数字式调速器的应用提供了广阔的前景，其潜在的经济效益也是巨大的。当然应用可编 程集成电路的调速器也有自身的缺点，主要表现在：一是人机界面不大好，但这缺点 可望在今后的产品化设计中得到改善，而且在中小型水轮机组的应用珊场对这一点要求 并不太高；二是由于芯片成本的限制使得选择的集成电路芯片的集成度不可能太大，也 就限制了数字使调节器的运算位数，使得调节精度不可能太高( 目前设计的调速器是 2 4 位的) ，但也可满足国标的要求，而且随着集成电路技术的飞速发展，芯片的价格 有望在不久的将来大幅下跌，使得在相同的成本之下可以有更大的选择余地。总的来 说，无论是从技术的角度还是从实用的角度来看，基于可编程集成电路技术的数字式水 轮机调速器是有着美好的应用前景的。 另外，为了解决多路模拟量的输入问题，利用v f 变换将模拟量转换成频率信号， 然后利用a s i c 芯片进行频率量的测量，提出了种在工业界有广泛应用前景的可控多 通路a d 转换方式，尤其是在应用p i 的场合，由于眦的模拟量输入模块是比较昂贵 的，而且一般的p l c 的模拟量输入通j 酋有限，在某些需要大量模拟量信号输入的场合， 应用这技术可以在较低的成本之下解决多路模拟量输入的要求。在控制策略方面，传 统的p i d 控制日渐成熟，但使用纯硬件的实现方式来实现基于增量式p i d 算法与在计算 机或眦内用软件实现有所不同，在l 比针对具体的情况，进行了一定的改进。此外，针 对水轮机妇不但在不同的工涉r 下j 垂行，而且它与水库及引水系统、电力系统起，又构 成了个大| 贯量、非线性、时变、非最小相位的系统，p i d 调节有一定的局限性，本文 第一章综述 对预测控制在水轮机调速系统中的应用进行了初步的探索，并分析了利用大规模可编程 集成电路实现预测控制算法的可行性。 1 4 论文研究的内容和方法 本论文着重对基于大规模可编程集成电路( s i c ) 的水轮机调速器进行了研制、调 试和试验，并对预测控制算法在水轮机调速器中的应用及其在基于大规模可编程集成电 路的方式下实现的可行性进行了初步的探索。另外，针对多路a d 输入的需要，提出了 一种采用v f 变换加a s i c 测频的解决方案。具体包括以下几个方面： 一、水轮机调节系统的组成和动态规律概述及控制规律的实现。 简要阐述了水轮机调节的任务和实现方法，对各种调节器的组成及结构特点进行了 比较分析：对调节对象的数学模型进行了简要的分析，并在此基础上确定了控制规律的 具体实现方式，对不同类型的执行机构进行了比较和分析。 二、基于可编程集成电路的数字式水轮机调速器的技术实现。 简要介绍了f 眦畅可编程门阵殉的发展隋况以及矾( 电子设计自动化) 技术 的发展和应用情况，介绍了利用f p g a 实现的水轮机调速器的功能体系结构的设计过程 以及f p g a 内部的电路设计过程，并对各个功能模块进行了数字逻辑仿真，验证了设计 思想，试制成功了基于f p 6 的数字式水轮机调速器的试验样机。还简要介绍了利用v f 变换与f p g a 实现多路模拟量的可控输入的电路结构。 三、基于可编程数字电路的数字式水轮机调速器的性能测试和实验结果分析。 在软件设计成功后，进行了调速器硬件的制作和调试，对调速器系统进行了调试， 通过数字物理仿真试验对系统的硬件部允及控制规律进行了验证。 四、关于预测控制的研究。 对预钡脚9 规律在水轮机调速器系统中的应用进行了初步的探索，并对预测控制在 基于可编程数字电路的数字式水轮机调速器重的实现进行了可行性分析和初步的探索并 取得了初步的结果。 五、总结和进一步开发设想。 对论文工侑赳行了总结，并对进一步的工作提出了自己的想法。 第二章调速器系统及其功能设计 二调速器系统及其功能设计 摘要：介绍了水轮机调节的原理与基本任务，简要分析了水轮机调速器的调节对象的数 学模型以及相应的p i d 调节规律；并根据在f p g a 芯片内实现调节规律的特点，设计了 p i d 控制的算法及系统结构。 2 1 水轮机调节系统 2 1 1 水轮机调节的原理及基本任务 一、水轮机调节的基本任务 水轮柳朗把水能转化为电能，并送 电力系统供用户使用。用电户除要求供电安全 可靠外，还要求电能的频率及电压保持在额窿值附近的某个范围以内。频率偏离额定值 过大对用电户不利，可能使用电户的产品质量阿氐，同时水轮发电机本身也可能出现较 大的震动；另外频率波动还会危及电网的稳定眭。按我国有关标准规定：我国电力系统 的频率应保持在5 0 ，其偏差不可超过a 墨乜：对于3 0 0 万k 以上的大容量电力系统 频率偏差不可超过o a 4 z 。此外还应保持电钟指示与标准时间的误差在任阿时候不大 于l m i n ，对于3 0 0 万h 以上的大容量电力系统时间误差不大于3 0 s 。 在实际的电力系统中，用户负荷的改变要引起电网频率的升高或降低，电力系统因 此而存在着周期为几秒到几十秒的负荷波动，这种不可预见胸负荷波动幅值可达电力系 统总容量的2 3 j 6 。此外，一天之内系统负荷有e 午、晚上两个高峰和中午、深夜两个 低谷，这种负荷变化基本e 是可以预见的。当从低谷向高峰过渡的速度往往较快，如有 的电力系统纪录到每分钟负荷增加达1 总容量的情况。电力系统负荷的不断变化将导 致系统频率的波动。这通常由水电机组( 在调速器控甫l j 下) 来调节。 水轮发电机_ 般是三相交流同步电机，其频率f 与转速n 之间有着严格的关系式： ，= p , , l e o ( 卜1 ) 式中p 为发电棚极对数；h 为转速( r m in ) ；厂为频率o 曲。 发电机的磁极对数p 是由发电机结构确定，对于运行中的机组，一一般是固定不变 的。所以发电机的输出频率实际上是随着发电机即水轮发电机组的转速变化而变化的。 而水轮机的转速实际是由导叶开度控制的，因此，水轮机调节的基本任务就是当电力系 统负荷发生变化、机组车专i 塞出现偏差时通过调速器相踅地改变水轮机导叶开度，使水 轮机转速保持在规定的范围内，从而使发电机组输出的功率和频率满足用户的要求。因 此，必须根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的有功功率输出，并维持机组转速( 频 率) 在规定的范围内。 具体来讲，水轮机调节的基本任务可分转速调节、有功功率调节和水位调节。“z i 第二章调速器系统及其功能设计 转速调节主要用于空载工况和带孤立负载：【= 况。空载工况时，调节器的基本任务是 使机组转速跟踪给定频率或系统频率；带孤立负荷时，调节器的基本任务是在发生负荷 扰动时维持转速( 频率) 和跟踪转速给定( 频率给定) 。在与电网并列运行时，调节器 有时作为电站调频装置的部分起作用。 有功功率调节用于与电网并列运行工况。其任务是保持本机组的输出功率。在频率 变化时，将根据永态转差率适当调整输出功率。 水位调节用于保持上水库水位。例如对径流式电站，由于没有水库，若发电用户超 i j ：来水量，水位就会下降，从而导致水电站水位下降和单位水量的发电量减少，这样就 刚氐了电站运行的经济效益。当发电用水少于来水量，上游水位上升，可能导致弃水， 这也会刚氐电站的经济效益。所以需要以保持匕游水位为目标调整机组出力，这就是水 位调节。 从自动控制原理来看，压力引水系统( 包括进、排水管道) 、水轮机、装有电压调 节器的发电机以及所并入的电力系统统称为控制系统( 调节对象) ；由水轮机调速系统 和被控制系统所组成的闭环自动控制系统，习惯上称为“水轮机调节系统”。水轮机调 节系统方块图如图2 - i 所示。 外扰 频率给定 图2 1水轮机调节系统方块图 二、水轮机调节原理 水轮发电机是由水轮机和发电而成的机组，如图2 - 2 所示。水轮发电机组转 动部分是个围绕固定轴线作旋转运动的钢体，它的运动方程可由以下方程来表示： j d t = m t + m g i 鳓 式中：，机组转动部分的转- z j 惯量( 冶) 0 第二章调速器系统及其功能设汁 图2 2水轮发电机组示意图 u = n 3 0 旋转角速度( r o d “s ) 细k 轮机动力矩( = 州) 必发电机负载力矩( m ) ，其中包括发电机所有饥械和电器损失 水轮机动力矩m 是由水流对水轮机叶片的f f - l f l 力形成，它推动机组转动，其大小 决定于水头h 导叶开度( 流量g ) ，机组转速n 等。 m ：! ! 垡! 丝塑( 糊) 。 式中：卜水的比重( 1 0 0 0 b 舸) 9 一固过水轮机的流量( ，踟) 眦作水头( 坍) 目水轮机的效率( ) 发电机负载力矩m 是发电机定子对转子的作用力距，它的方向与旋转方向相反， 是阻力距。由发电机原理可知，堪代表发电机有功功率输出，即负荷( 用户耗电功 率) 的大小，它与用电户陛质有关。 当负荷( 用电设备) 变化以后，导叶开度不变，机组转速仍可维持在某一值t ，如 图2 _ _ 3 中的转速q 或n 2 ，水轮机及负荷的这种能力成为自平衡调节能力。仅仅依靠自 平衡调节能力来保持转速是不行的，因为转速将偏离额定值。 第二章调速器系统及其功能设汁 n ( ) ( t a d s ) 图2 3 水轮机调节示意图 要使机绍车 睾j 建在负荷变动后仍维持在原来额定值_ 匕，从图2 - 3 中可以看出，这就需 要相应改变导叶开度。当负荷减小时，阻力矩由石p p 变到j ；倒时，只需把导叶开度减小 到a 6 ，机组转速将维持在n o ；相反当负荷增加时，只需把导叶开度开启至a 。就能维 翱1 l 组转速不变。所以随着负荷的变化，相应改变导水机构的开度，以使水轮发蝴 的转速维持在某预定值，或按照某预定捌聿变化，这一立程就是水轮发蝴的转 速调节，或称水轮机调节。 三、对水轮机调节过程的基本要求 评价调节过程的品质，通常是在相同负荷或转速扰动下比较其转速动惫特l 生是否满 足以下要求： 1 、稳定性 调节系统在负荷或转速扰动下偏离了平衡状态，如果扰动消失后，经过一定的时 间，系统能够回到原来的或新的平衡状态，这样的调节过程是稳定的，否则是不稳定 的。 2 、速动性 调节系统受到扰动后，应迅速产生足够大的调节作用，以保证在尽可能短的时间内 达到稳定状态，这特点称为速动性。 3 、准确性 调节系统的准确性用动态偏差和静态偏差来表示。动态偏差是表示被调节参数在调 节过渡过程中的最大偏差。静态偏差时表示在调节过程结束后，被调节参数新稳定值与 原来稳定值之偏差。 第二章调速器系统及其功能设计 稳定性、速动眭、准确性这三个要求常常相互矛盾，相互制约。在水轮机调节系统 中，对调节品质的首要要求是稳定陛，应在保证稳定的基础上提高速动眭，满足一定的 动态偏差和静态偏差，以获得最佳的调节过程。 2 1 2 调节对象的数学模型浅析 水轮机调节系统是由调速器和调节对象组成，二者相互作用、相互影响而形成一个 完整的体系。应注意调节对象不仅仅是水轮发电机组本身，而目还包括水轮机的引水系 统和发电机所在的电网，因为它们都对机组动特性有重大影响。 作为调节对象，其输入量匙水 晡悯节机构开度的变化，输出量黜转速变化， 及电力系统中的频率的变化。对机组的转动部分，可建立运动方程( 2 _ _ 2 ) ： ，等= m ，一m g 出 8 式中，是机组转动部分的转动惯量：d a ，d ，是机组旋转角加速度；埘为水轮机主动力 矩，m 为阻力矩( 包括发电机负荷阻力距和机械摩擦阻力矩等) 。叫 一、水轮机的数学模型 对单一调节柳构的混流式水轮柳其力矩方程式和流量方程式为： m l = p 。y + e x x + e h h ( 2 4 ) q = 口口y y + e q x x + e q h h ( 2 1 5 ) 其中m ，为相对转距偏差； q 为相对流量偏差； x 为相对转速偏差： y 为相对接力器行程偏差； e y 为水轮机力矩对导叶开度的传递系数； p ，为水轮机力矩对转速的传递系数亦称水轮机的自调节系数； 为水轮机力矩对水头的传递系数； e 。，为水轮机流量对导叶开度的传递系数； p 。为水轮机流量对转速的传递系数； e q h 为水轮机流量对水头的传递系数。 以上二式就是单调节机构的水轮机力矩方程式和流量方程式，方程式中六个传递 系数一般由水轮机模型综合特性曲线求取。理想水轮机在额定工况点的六个传递系数 为： e ，2 l e 。1 口，2 1 e 2 0 21 5 e “2n 5 第二章调速器系统及其功能设计 二、引水系统数学模型 引水系统中水击是导致调节系统动态特性恶化的一个重要因素，所以对引水系统动 态特性的探讨是至关重要的，一般在小波动隋况下，压力管道小于f - j 0 0 8 0 0 米时，可 将其动特性简化为刚性水击情况下来处理，即认为引水系统中水和管壁均是刚性的，此 时，在管道中水流量变化所引起的压力变化可用以下方程式来描述蚴： h = 一瓦粤 ( 糊) 式中h 一管道水头的变化 q 一管道中瞬时流量的变化 r 瑚酋中水流陨性时间常数 由于方程具有零初始条件，取拉氏变换，得： h = 一瓦s q ( 2 _ _ 8 ) 式2 _ _ 7 和式2 - 氇是引水系统刚性水击基本方程式。其传递函数为： g 。s j = 一兀j ( 2 _ _ 9 ) 瓦= 考鲁称为引水系统水流暇性时间常数( 秒) ，它表示引水系统水谳头 h ，作用下，从流量o = 0 增加到q = q ，所需的时间，也就是表示引水系统中水流侧生的 大小。因此t w 越大，水流惯性越大，水击作用就越显著。由于引水系统中各部分管道 截面不样，所以水流惯性时间常数l 一般应表示为： 瓦= 鲁鲁 ( h o ) i ”g h ? 厶f 、一“ 式中三和f 分别为相应各部分的管长和截面积。 三、水轮机组段数学模型 对混流式水轮机，若考虑刚性水击隋况，由式( 2 _ _ 4 ) 、( 弘固、和( 2 _ _ 7 ) ，可以 得出水轮机和有压过水系统组成的水轮机组段数学模型，其方块图如图2 _ _ 4 所示岫： 由图可见，对于混流式水轮机，水轮机组段输入有2 个，转速x 和导i i l 幢力器y 。 输出只有个，机水轮机力矩m 。 图2 4 水轮机组段数学模型 第二章调速器系统及其功能设计 根据方块图可写出传函矩阵g r ： 匕式可写为： g ，( j ) = g ，( 5 ) = 五g 。丽( s ) 丽e h 嵋 i g 。菊( s ) 而e h 心 生! 鱼垒二垒生! 鱼! 坐 1 一e q h g 。( s ) e ，+ ( e q x e 一e q h e ，) 瓯( s ) 1 一e q h g 。( j ) 水轮机的输出必为： 卟刚删 式0 _ 1 3 ) 即为水轮机组段数学模型。 ( 2 _ 一1 2 ) 四：水轮发电机数学模型浅析： 当电力系统的负荷发生变化时，水轮发电机组的负载力矩也会发生相应的变化，从 而导致其转速发生变化，供电颜率也随之变化，调速器检测到变化以后，将改变导叶的 开度，因此，发电机负载是与机组工作密切相关的，它是调节对象的一个组成部分。发 电机的数学模型有阶、二阶、三阶和高阶。一阶模型是在水轮机调节系统分析和计算 中用得最多的- - ；f e r 发电机模型，此时，发电机仅作