基于虚拟仪器的原动机及其调速系统仿真研究
|
摘要
为了解电力系统的运行特性，并对其进行相关监控，需要对实际电力系统辅以大量的试验研究。而电力系统对其运行的安全性和可靠性有很高的要求，因此在实际电力系统中进行试验常常受到很多限制。电力系统动态模拟能真实地再现实际电力系统的运行特性，并能方便地进行仿真试验，是研究电力系统的非常重要而有效的手段。
对原动机(水轮机、汽轮机)及其调速系统的模拟是电力系统动态模拟中非常重要的一个环节，也是研究现代电力系统运行及其过渡过程时所必须考虑的。原动机特性对电力系统的静态稳定和过渡过程有着很大的影响，而调速器特性不但影响系统的静态稳定和过渡过程，而且对系统的动态稳定也起着非常重要的作用。因此，对原动机及其调速系统进行模拟以了解其运行特性是非常必要的。
我校动模实验室正在进行“211”工程的相关改造，目的是实现统一的实验控制平台，提高试验教学能力。其中的一个重要内容就是对原动机及其调速系统模拟部分进行重新设计和研制。本文对原动机及其调速系统模拟的理论进行了较为深入的分析，首次提出了采用虚拟仪器实现的模拟方案，并设计研制了基于虚拟仪器的原动机及其调速系统模拟装置。
原动机及其调速系统的模拟采用数字化方式，分为数据采集、控制运算以及信号输出三部分。其工作过程为：传感器测得经改造后的直流电动机的转速和电枢电流信号，经信号调理电路后，由数据采集卡将数据送入PC机，再由LabVIEW进行控制运算并将控制信号输出给可控硅触发电路，最后由可控硅触发电路完成对直流电动机的控制。
本文的重点是原动机和调速器模型的建立以及模型的数字化实现。在原动机模拟部分，采用电枢电流负反馈加转速负反馈的方法对直流电动机的机械特性进行改造。在调速器模拟部分，采用实际调速器中各环节的数学模型。同时，为了使调速器模型与原型尽可能保持一致，系统还增加了惯性补偿环节和调速器负向特性的模拟。对于模型的数字化实现，首先采用频率预曲折双线性变换法将控制系统的数学模型离散化，然后在LabVIEW中进行图形化编程，从而实现基于虚拟仪器的原动机及其调速系统的仿真。
通过Matlab仿真结果与LabVIEW中实现结果的对比，证明了该原动机及其调速系统设计的正确性，系统能真实的模拟实际原动机及其调速系统的运行特性，并能对原动机实现灵活而有效的控制。
In order to study the characteristics of the power system and monitor them, many experiments and investigation should be done. However, because of the particularity and security of it, doing experiments in the power system is greatly restricted. Dynamic simulation is one of the effective methods to solve this problem.
The simulation of prime mover and governor is one of the most important parts of the power system dynamic simulation and it is also a part that should be considered when investigating the operation and transition process of the power system. The prime mover has a great influence on the static stability and transition process of the power system. And the governor has the influence not only on the static stability and transition process but also on the dynamic stability of the power system.
In our institute, the dynamic simulation laboratory is being rebuilt and one of the important parts of it is to redesign and rebuild the prime mover and governor simulation. In this paper, theories of the simulation of prime mover and governor were analyzed thoroughly and a new device based on VI (Virtual Instruments) was designed.
The device of prime mover and governor simulation, which uses digital control mode, is separated into three parts, that is, data acquisition, data processing and control signal output. The working process of the system is: The speed and current signals of the altered DC electromotor measured by sensors are sent into PC through data acquisition card after being managed by signal adjusting device. In the PC, LabVIEW calculates this datum and then the control signal is sent out to controll silicon trigger board, which controls the DC electromotor.
The main parts of the paper are how to establish the mathematic model of prime mover and governor and how to realize the model. In the part of prime mover simulation, the technique of armature current feedback plus speed feedback is adopted to alter the mechanical character of the DC electromotor. In the part of governor simulation, the mathematic models of all parts of real governor are used. In order to keep the models consistent with the governor prototype to the most extent, the inertia compensating tache and the negative characteristics of governor are introduced in the simulation system. Bilinear transformation is adopted in this paper to discrete the mathematic model of the whole control system. Considering that LabVIEW is a novel graphic computer language, the practical realization of mathematical model in LabVIEW is presented in this paper.
By comparing the simulation result in Matlab and LabVIEW, this design proves to be correct. The system can simulate the operation performance of the real prime mover and governor and can realize the flexible and affective control of prime mover.
对原动机(水轮机、汽轮机)及其调速系统的模拟是电力系统动态模拟中非常重要的一个环节，也是研究现代电力系统运行及其过渡过程时所必须考虑的。原动机特性对电力系统的静态稳定和过渡过程有着很大的影响，而调速器特性不但影响系统的静态稳定和过渡过程，而且对系统的动态稳定也起着非常重要的作用。因此，对原动机及其调速系统进行模拟以了解其运行特性是非常必要的。
我校动模实验室正在进行“211”工程的相关改造，目的是实现统一的实验控制平台，提高试验教学能力。其中的一个重要内容就是对原动机及其调速系统模拟部分进行重新设计和研制。本文对原动机及其调速系统模拟的理论进行了较为深入的分析，首次提出了采用虚拟仪器实现的模拟方案，并设计研制了基于虚拟仪器的原动机及其调速系统模拟装置。
原动机及其调速系统的模拟采用数字化方式，分为数据采集、控制运算以及信号输出三部分。其工作过程为：传感器测得经改造后的直流电动机的转速和电枢电流信号，经信号调理电路后，由数据采集卡将数据送入PC机，再由LabVIEW进行控制运算并将控制信号输出给可控硅触发电路，最后由可控硅触发电路完成对直流电动机的控制。
本文的重点是原动机和调速器模型的建立以及模型的数字化实现。在原动机模拟部分，采用电枢电流负反馈加转速负反馈的方法对直流电动机的机械特性进行改造。在调速器模拟部分，采用实际调速器中各环节的数学模型。同时，为了使调速器模型与原型尽可能保持一致，系统还增加了惯性补偿环节和调速器负向特性的模拟。对于模型的数字化实现，首先采用频率预曲折双线性变换法将控制系统的数学模型离散化，然后在LabVIEW中进行图形化编程，从而实现基于虚拟仪器的原动机及其调速系统的仿真。
通过Matlab仿真结果与LabVIEW中实现结果的对比，证明了该原动机及其调速系统设计的正确性，系统能真实的模拟实际原动机及其调速系统的运行特性，并能对原动机实现灵活而有效的控制。
In order to study the characteristics of the power system and monitor them, many experiments and investigation should be done. However, because of the particularity and security of it, doing experiments in the power system is greatly restricted. Dynamic simulation is one of the effective methods to solve this problem.
The simulation of prime mover and governor is one of the most important parts of the power system dynamic simulation and it is also a part that should be considered when investigating the operation and transition process of the power system. The prime mover has a great influence on the static stability and transition process of the power system. And the governor has the influence not only on the static stability and transition process but also on the dynamic stability of the power system.
In our institute, the dynamic simulation laboratory is being rebuilt and one of the important parts of it is to redesign and rebuild the prime mover and governor simulation. In this paper, theories of the simulation of prime mover and governor were analyzed thoroughly and a new device based on VI (Virtual Instruments) was designed.
The device of prime mover and governor simulation, which uses digital control mode, is separated into three parts, that is, data acquisition, data processing and control signal output. The working process of the system is: The speed and current signals of the altered DC electromotor measured by sensors are sent into PC through data acquisition card after being managed by signal adjusting device. In the PC, LabVIEW calculates this datum and then the control signal is sent out to controll silicon trigger board, which controls the DC electromotor.
The main parts of the paper are how to establish the mathematic model of prime mover and governor and how to realize the model. In the part of prime mover simulation, the technique of armature current feedback plus speed feedback is adopted to alter the mechanical character of the DC electromotor. In the part of governor simulation, the mathematic models of all parts of real governor are used. In order to keep the models consistent with the governor prototype to the most extent, the inertia compensating tache and the negative characteristics of governor are introduced in the simulation system. Bilinear transformation is adopted in this paper to discrete the mathematic model of the whole control system. Considering that LabVIEW is a novel graphic computer language, the practical realization of mathematical model in LabVIEW is presented in this paper.
By comparing the simulation result in Matlab and LabVIEW, this design proves to be correct. The system can simulate the operation performance of the real prime mover and governor and can realize the flexible and affective control of prime mover.
引文
[1] 金启玫，杨卫国．电力系统物理模拟综述．电工技术[J]．1999,(1)：9-11．
[2] 陈礼义．电力系统数字仿真及其发展．电力系统自动化[J]．1999，(23)：1～6
[3] 《中国电力百科全书》编辑委员会，中国电力出版社《中国电力百科全书》编辑部．中国电力百科全书(电力系统卷)[M]．中国电力出版社．1995：70～71，103～104,188～189．
[4] 吴国堬．《电力系统仿真》[M]．水利电力出版社．1987
[5] 黄家裕等．《电力系统数字仿真》[M]．水利电力出版社 1995
[6] 中国电力科学研究院电工研究所．《电力系统物理模拟》[M]．1973：157～225
[7] 郑玉森．模拟发电机组原动系统仿真．天津大学学报[J]．1985(3)：83～90
[8] 杨德先，李国久，陈贤治．同步发电机的原动机仿真研究．华中理工大学学报[J]1998．5(26)：44～46
[9] 杨德先，李国久，陈贤治．水轮机及其调速系统动态模拟研究．水电能源科学[J]．1998(16)27～31
[10] 李发海，陈汤铭，郑逢时，朱东起．《电机学》[M](第二版)．科学出版社．
[11] 陈伯时，《电力拖动自动控制系统》[M](第二版)．机械工业出版社．
[12] 陆道政，季新宝．《自动控制原理及设计》[M]．上海科技出版社．1978
[13] 郑玉森．同步发电机组调速系统模拟．天津大学学报[J]．1989(1)：80～86
[14] 倪以信，陈寿孙，张宝霖．《动态电力系统的理论利分析》[M]．清华大学出版社．
[15] 刘觉民．原动机调速系统仿真模型动态特性的研究．湖南大学学报[J]1994(21)：98～104．
[16] 刘觉民，湛春晖．原动机调速器仿真模型原理与调试．实验技术与管理[J]．1995(12)：61～63
[17] 杜宗展．模拟汽轮发电机组调速系统的研究与开发．山东工业大学硕士学位论文．
[18] 常兆堂，姜之琦，陈仲华．《水轮机调节系统原理、试验与故障处理》[M]．中国电力出版社．
[19] 武汉水利电力学院主编．《水电厂近代技术》[M]．河海大学出版社．1990．
[20] 杨德先．原动机调速系统动态仿真技术研究．中国机械工程[J]．1998(9)：12～13．
[21] 叶荣学．《汽轮机调节》[M]．水利电力出版社．1988．
[22] 郑玉森，刘建业，张炳达．水利发电机组调速系统打扰动仿真．天津大学学报[J1．1996(29)：287～291．
[23] 葛晓霞，缪国钧．汽轮机调节系统动态特性的数学模型及其应用．汽轮机技术[J]．2001(43)：20～23．
[24] 刘觉民，夏永祥．模拟发电机组专用可控硅直流调速系统．湖南大学学报[J]．1995(22)：80～85．
[25] 刘觉民，鲁文军，周先亮，李学田．《微机控制型原动机调速器的模型与设计》．湖南大学学报[J]．1996(23)：92～97
[26] 董继民，柏青．同步发电机调速系统的自适应数字仿真．电气传动自动化[J]．2001(23)：8～10．
[27] 左辰．电力系统原动机通用模拟调速器研究．湖南大学学报[J]1986(2)226．
[28] 蔡维由．《水轮机调速器》[M]．武汉水利电力出版社．
[29] 倪维斗．《自动调节与透平机械自动调节》[M]．机械工业出版社．
[30] 杨位钦．《自动控制理论基础》[M]．北京理工大学出版社．
[31] 曹柱中．《自动控制理论与设计》[M]．上海交通大学出版社．
[32] 杨乐平，李海涛，肖相生等．《LabVIEW程序设计与应用》[M]．电子工业出版社2002．
[33] Robert H.Bishop. 《LabVIEV Student Edition 6i》 [M] Publishing House of Electronics Industry2001.
[34] 杨乐平，李海涛，赵勇，杨磊，安雪滢．《LabVIEV高级程序设计》[M]．清华大学出版社2002．
[35] 《基于计算机的测量和自动化应用方案文集》[M]．美国国家仪器有限公司．
[36] 胡广书．《数字信号处理—理论、算法与实现》[M]清华大学出版社1996．
[37] [日]绪方胜彦．《离散时间控制系统》[M]．西安交通大学出版社1988．
[38] 研华公司[M]．PCL-818L User's Manual；PCLD-8115 User's Manual．
[40] 陕西高科公司．KC-Z6．1晶闸管三相全控(半空)桥移相控制板使用说明书．
[41] 王兆安，黄俊．《电力电子技术》[M]．西安交通大学．机械工业出版社．
[42] 梁亦铂，王正茂，何涛，吴炳炜．数字式直流电机调速器的硬件设计．微电机[J]2001(34)36～41．
[43] 杨静，魏振忠，刘向群．永磁直流电动机虚拟测试系统转速采集模块的开发．自动化仪器仪表[J]2000(3)36-38．
[44] 赵扶摇，万里雄．《直流电机品闸管调速系统》[M]．机械工业出版社．1986．
[45] 孙传友，孙晓斌，汉泽西，张欣．《测控系统原理与设计》[M]．北京航空航天大学出版社．
[46] 陈晓云．直流双环调速系统动态性能的仿真分析．石油化工高等学院学报[J]．1997(10)：42～44．
[47] 李扬，李晓明．基于LabVIEW数据采集的实现．微计算机应用[J]．2003(24)：39～41．
[48] 顾正平．8098单片机直流电机调速系统．微型机与应用[J]．1998(3)：50～52．
[49] 陈蕴基．转矩、转速测量中虚拟仪器系统硬件的研究．电气电子教学学报[J]2002(24)：46～48．
[49] Macminn S R, Burtnyk V, Malone L R. Microprocessor Simulation of Synchronous Machine Dynamics in Real Time. [J] IEEE Trans .on PWRS 1986, 1 (3): 220～225.
[50] Dynamic Model for Steam and Hydro Turbines in Power System Studies [J] IEEE Trans 1974,89(1): 1904～1915.
[51] Ramey D G, Skooglund J. Detailed Hydrogovernor Representation for System Stability. [J] IEEE Trans 1980,89(1): 101～106.
[52] Y H Song,J Y Liu. Modeling of Power Systems for Dynamics Stabilization studies.
[53] G G BHISE, Dr M L KOTHARI, PROF J NANDA. Optimum Selection of Hydrogovemor Parameters for Automatic Generation Control of A Hydrothermal System.
[2] 陈礼义．电力系统数字仿真及其发展．电力系统自动化[J]．1999，(23)：1～6
[3] 《中国电力百科全书》编辑委员会，中国电力出版社《中国电力百科全书》编辑部．中国电力百科全书(电力系统卷)[M]．中国电力出版社．1995：70～71，103～104,188～189．
[4] 吴国堬．《电力系统仿真》[M]．水利电力出版社．1987
[5] 黄家裕等．《电力系统数字仿真》[M]．水利电力出版社 1995
[6] 中国电力科学研究院电工研究所．《电力系统物理模拟》[M]．1973：157～225
[7] 郑玉森．模拟发电机组原动系统仿真．天津大学学报[J]．1985(3)：83～90
[8] 杨德先，李国久，陈贤治．同步发电机的原动机仿真研究．华中理工大学学报[J]1998．5(26)：44～46
[9] 杨德先，李国久，陈贤治．水轮机及其调速系统动态模拟研究．水电能源科学[J]．1998(16)27～31
[10] 李发海，陈汤铭，郑逢时，朱东起．《电机学》[M](第二版)．科学出版社．
[11] 陈伯时，《电力拖动自动控制系统》[M](第二版)．机械工业出版社．
[12] 陆道政，季新宝．《自动控制原理及设计》[M]．上海科技出版社．1978
[13] 郑玉森．同步发电机组调速系统模拟．天津大学学报[J]．1989(1)：80～86
[14] 倪以信，陈寿孙，张宝霖．《动态电力系统的理论利分析》[M]．清华大学出版社．
[15] 刘觉民．原动机调速系统仿真模型动态特性的研究．湖南大学学报[J]1994(21)：98～104．
[16] 刘觉民，湛春晖．原动机调速器仿真模型原理与调试．实验技术与管理[J]．1995(12)：61～63
[17] 杜宗展．模拟汽轮发电机组调速系统的研究与开发．山东工业大学硕士学位论文．
[18] 常兆堂，姜之琦，陈仲华．《水轮机调节系统原理、试验与故障处理》[M]．中国电力出版社．
[19] 武汉水利电力学院主编．《水电厂近代技术》[M]．河海大学出版社．1990．
[20] 杨德先．原动机调速系统动态仿真技术研究．中国机械工程[J]．1998(9)：12～13．
[21] 叶荣学．《汽轮机调节》[M]．水利电力出版社．1988．
[22] 郑玉森，刘建业，张炳达．水利发电机组调速系统打扰动仿真．天津大学学报[J1．1996(29)：287～291．
[23] 葛晓霞，缪国钧．汽轮机调节系统动态特性的数学模型及其应用．汽轮机技术[J]．2001(43)：20～23．
[24] 刘觉民，夏永祥．模拟发电机组专用可控硅直流调速系统．湖南大学学报[J]．1995(22)：80～85．
[25] 刘觉民，鲁文军，周先亮，李学田．《微机控制型原动机调速器的模型与设计》．湖南大学学报[J]．1996(23)：92～97
[26] 董继民，柏青．同步发电机调速系统的自适应数字仿真．电气传动自动化[J]．2001(23)：8～10．
[27] 左辰．电力系统原动机通用模拟调速器研究．湖南大学学报[J]1986(2)226．
[28] 蔡维由．《水轮机调速器》[M]．武汉水利电力出版社．
[29] 倪维斗．《自动调节与透平机械自动调节》[M]．机械工业出版社．
[30] 杨位钦．《自动控制理论基础》[M]．北京理工大学出版社．
[31] 曹柱中．《自动控制理论与设计》[M]．上海交通大学出版社．
[32] 杨乐平，李海涛，肖相生等．《LabVIEW程序设计与应用》[M]．电子工业出版社2002．
[33] Robert H.Bishop. 《LabVIEV Student Edition 6i》 [M] Publishing House of Electronics Industry2001.
[34] 杨乐平，李海涛，赵勇，杨磊，安雪滢．《LabVIEV高级程序设计》[M]．清华大学出版社2002．
[35] 《基于计算机的测量和自动化应用方案文集》[M]．美国国家仪器有限公司．
[36] 胡广书．《数字信号处理—理论、算法与实现》[M]清华大学出版社1996．
[37] [日]绪方胜彦．《离散时间控制系统》[M]．西安交通大学出版社1988．
[38] 研华公司[M]．PCL-818L User's Manual；PCLD-8115 User's Manual．
[40] 陕西高科公司．KC-Z6．1晶闸管三相全控(半空)桥移相控制板使用说明书．
[41] 王兆安，黄俊．《电力电子技术》[M]．西安交通大学．机械工业出版社．
[42] 梁亦铂，王正茂，何涛，吴炳炜．数字式直流电机调速器的硬件设计．微电机[J]2001(34)36～41．
[43] 杨静，魏振忠，刘向群．永磁直流电动机虚拟测试系统转速采集模块的开发．自动化仪器仪表[J]2000(3)36-38．
[44] 赵扶摇，万里雄．《直流电机品闸管调速系统》[M]．机械工业出版社．1986．
[45] 孙传友，孙晓斌，汉泽西，张欣．《测控系统原理与设计》[M]．北京航空航天大学出版社．
[46] 陈晓云．直流双环调速系统动态性能的仿真分析．石油化工高等学院学报[J]．1997(10)：42～44．
[47] 李扬，李晓明．基于LabVIEW数据采集的实现．微计算机应用[J]．2003(24)：39～41．
[48] 顾正平．8098单片机直流电机调速系统．微型机与应用[J]．1998(3)：50～52．
[49] 陈蕴基．转矩、转速测量中虚拟仪器系统硬件的研究．电气电子教学学报[J]2002(24)：46～48．
[49] Macminn S R, Burtnyk V, Malone L R. Microprocessor Simulation of Synchronous Machine Dynamics in Real Time. [J] IEEE Trans .on PWRS 1986, 1 (3): 220～225.
[50] Dynamic Model for Steam and Hydro Turbines in Power System Studies [J] IEEE Trans 1974,89(1): 1904～1915.
[51] Ramey D G, Skooglund J. Detailed Hydrogovernor Representation for System Stability. [J] IEEE Trans 1980,89(1): 101～106.
[52] Y H Song,J Y Liu. Modeling of Power Systems for Dynamics Stabilization studies.
[53] G G BHISE, Dr M L KOTHARI, PROF J NANDA. Optimum Selection of Hydrogovemor Parameters for Automatic Generation Control of A Hydrothermal System.
© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号 地址：北京市海淀区学院路29号 邮编：100083 电话：办公室：(+86 10)66554848；文献借阅、咨询服务、科技查新：66554700 |