控制翼无级调速系统设计与仿真
董良彬
摘 要：随着科学技术的快速发展，人们对水电系统的要求也越来越高，这对于水电厂的运行人员来说，是一个很大的挑战，因此，水电运行仿真系统就应运而生。该系统模拟仿真了运行环境，工作人员在上岗之前，在此仿真系统中进行实际模拟训练，使得他们能够熟练地处理水电厂的一些事物，包括正常运行、故障以及事故处理，极大的保障了工作人员在实际操作中的对计算机的监控、事故的消除等问题的处理。因此，水电运行仿真模型就显得尤为重要，本文将从水电运行仿真调速系统的建立以及改进两大模块进行论述。
关键词：模糊理论；调速系统模型；水电运行仿真
自从改革开放以来，经济技术发展使得我国电力行业也得到了飞速的发展，人们对于电力行业的要求也越来越高，则国家或者企业对电力的投资比重逐渐增加，而在电能的各种来源中，水力发电是其主要来源之一，因此，电网中水电容量所占的比重也随之增加。此外，各种新技术、新设备的投入使用，给水电厂运行人员带来了更大的挑战，因此，我们要建立水电运行仿真调速系统，对工作人员进行上岗前的培训，使得其可以很好的处理解决运行过程中遇到的问题，包括故障、事故等的处理。下面，我们将具体介绍水电运行仿真调速系统的构建以及改进。
1 调速系统模型的构建
（1）水轮机调速系统
水力發电是指利用水轮机发电组将水能转化为电能，以供用户的使用。水力发电，不仅要求其安全性与可靠性，还要求电能的电压以及频率的额定值保持在一定的范围内。我国电力系统要求：频率应在50Hz，上下起伏不超过0.5Hz；此外，还应该保障电钟指示和标准时间之间的误差小于等于1min。系统的有功功率平衡性决定了电力系统频率的稳定性，然而，负荷的不断变化将会导致频率的变化。因此，水轮机组就显得尤为重要，其主要人物是根据负荷的变化情况及时的对水轮机发电组的功率输出进行调整，并使之保持在一定的范围内，即频率保持在50Hz。
通常来说，调速器是由测量、放大、加法、执行以及反馈等元器件构成，水轮机调速系统结构图如下图1所示。
机组是指待调节的对象；通常情况下，导水机构安装在机组内部，不单独列出；机组和调速器就组成了上述水轮机调速系统。
（2）调速器
调速系统的主要构成部分是调速器，是一种装置，可根据水轮机转速和输出功率自动调整导叶开度的装置。现在市面上有很多种类型的水轮机调速器，但一般来说，他们都是由放大元件、测量元件、校正元件等组成。不同的调速器，他们各个元件互相的信号传递方式不同，变换和综合的方式亦不同。调速器的分类主要有以下几种，包括缓冲式调速器、电子调节式调速器、中间接力式调速器、双重调节调速器等。将水轮机调速器应用到水电厂已经有着很悠久的历史，初期，水轮机调速器通过测速元件直接对执行机构作用，我们将之称为直接作用式调速器，随着计算机技术的发展和普及，现在水电厂一般都采用计算机在线控制。
按照水电厂运行仿真调速系统的仿真要求，一般而言，WT-S双微机调速器，PLC-145型可编程控制式调速器，SKDT-100集成型电路电液调速器。本文所采用的是WT-S型双微机调速器进行研究，其调节控制中心是微型计算机，执行机构是以直连式机械液压系统。WT-S型双微机调速器适合轴流定浆式和混流式水轮机组，可以完成水轮机的开关机的手动以及自动操作，还可以对转速以及符合进行手动或者自动的调节。
（3）水轮机调速器组成和原理框图
若要对水轮机调速器进行仿真，首先应该考虑是否实用、先进、经济。实用性，建立调速器仿真模型是为了对工作人员在正式工作之前进行培训，使得他们能够熟练的解决遇到的问题，所以，应该尽可能地满足训练的各种要求；先进性，尽量使用先进技术，毕竟经济技术的发展是十分迅速的，才能够满足地区监控水电厂的要求；经济性，尽可能多的设计功能，充分发挥软件的作用，以提高系统的整体性能，同时又不增加其费用。
WT-S型双微机调速器一般由调节器、液压系统组成，如图2所示。
2 调速系统模型的改进
目前，虽然我国水电运行仿真模型的构建技术已经很成熟，在实际运行中，该模型也满足很多的方面的要求，例如：正常的开关机、功率的增加和减少、发电机调相等等一系列正常的操作，而且，其和水电厂的参数基本吻合。但是，该模型也存在一些问题，首先，因为系统的不确定性，PID参数（Kp，Ki，Kd）的整定工作就变得繁琐而复杂；其次，因为系统的非线性，导致模型的灵活度不是十分理想；此外，该模型的鲁棒性也不是很好。因此，我们将对该模型进行优化与改进。
要想改善原有模型的各种性能，就要引入模糊控制理论。所谓模糊理论（Fuzzy Theory），是指用到了模糊集合的基本概念或者连续隶属度函数的理论；而模糊控制理论则是指采用模糊数学语言描述的控制率（控制规则）来操纵系统工作的控制方式。本文将通过引入模糊理论，并将之与PID控制相结合，以实现对PID过程的控制，优化PID模型。首先，需要设计一个基本的模糊控制器，由于篇幅限制，本文在这里不做过多的介绍。模糊控制器的核心内容是模糊控制规则，又称为模糊控制算法，其实质上来说，就是总结在控制过程中实践经验，得出的模糊条件的语句集合。本文所采用的模糊控制器是双输入单输出的，即输入频率r以及频差rc，输出u。我们根据实际情况中，PID控制时出现的状况，总结出一套模糊条件语句，并得出控制规则，如下表1。
表中，PB-正大、PM-正中、PS-正小、ZO-零、NS-负小、NM负中、NB负大。模糊控制器输出得是模糊集合，反映了控制语言的不同的取值的组合，若被控制过程只允许接受一个控制量，则需要从已经输出的模糊子集中判断出精确的控制量，即设计一个判决，即从模糊集合到普通集合的映射。本文中采用的是最大隶属度法，在输出的模糊集合中选出隶属度最大的论域元素作为判决结果，如有多个，则去他们的平均值。
由于模糊控制器按照一定的规则工作，因此，其有一个明显的优点，即控制规则不收任何约束，是不可解析的，有利于工作人员进行讨论以及修改，可以采纳更好的控制思想；此外，模糊控制器的规则具有通用性，一般而言，较小的改动和组合就可以适用于不同的被控制过程；而且，其内部参数具有较强的适应性。
结束语：
自从改革开放以来，科学技术快速发展，我国电力行业的发展也十分迅速，人们对水电系统的要求也越来越高，这对于水电厂的运行人员来说，是一个很大的挑战，因此，水电运行仿真系统就应运而生。该系统模拟仿真了运行环境，工作人员在上岗之前，在此仿真系统中进行实际模拟训练，使得他们能够熟练地处理水电厂的一些事物，包括正常运行、故障以及事故处理，极大的保障了工作人员在实际操作中的对计算机的监控、事故的消除等问题的处理。因此，水电运行仿真模型就显得尤为重要，本文从水电运行仿真调速系统的建立以及改进两大模块进行了论述，具体的介绍了水轮机调速系统、调速器、水轮机调速器组成和原理框图，最后介绍了基于模糊理论的调速系统模型的改进。
参考文献：
[1]陈鹏.基于模糊理论的水电运行仿真调速系统模型改进.东北大学，2002.01.
[2]李友善、李军，模糊控制理论及其在过程控制中的应用，国防工业出版社，1993.6。
