基于Matlab的核电站应急柴油发电机组的建模与仿真
2021-01-16
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第29卷第2期 2015年3月 茂也没备 P0WER EQUIPMENT Vo1.29,No.2 Mar.2015 基于Matlab的核电站 应急柴油发电机组的建模与仿真 张东福 ,崔建华 (1.上海发电设备成套设计研究院,上海200240; 2.上海昱章电气成套设备有限公司,上海201216) 摘要:当核电站丧失正常供电时,柴油发电机组必须在规定时间内快速启动并按加载程序带载。在 Matlab/Simulink环境下建立了应急柴油发电机组的仿真模型,对柴油发电机组带异步电动机启动的过程和 加载过程进行了仿真,并给出了在此过程中柴油发电机组的动态特性曲线。仿真结果表明:所建模型准确模 拟了柴油发电机组的机械与电磁耦合过程,为应急柴油发电机组的容量选择提供了理论指导。 关键词:核电站;柴油发电机;仿真;加载计算 中图分类号:TM743;TM623.3 文献标志码:A 文章编号:1671一O86X(2O15)02—0149—06 Modeling and Simulation of Matlab—based Emergency Diesel Generator Set in Nuclear Power Plant Zhang Dongfu,Cui Jianhua (1.Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China; 2.Shanghai Regeon Electric Co.,Ltd.,Shanghai 201216,China) Abstract:When a nuclear plant loses its normal power supply,the diesel generator set should be able to start up and carry load within specified duration according to the loading sequence.A simulation model of the emergency diesel generator set was established based on Matlab/Simulink,with which the start・up and loading process were simulated for the diesel generator set driving an asynchronous motor,while its dynamic characteristic curve was given.Simulation results show that the model is able to accurately reflect the mechanical and electromagnetic coupling process of the diesel generator set,which therefore may serve as a reference for capacity determination of similar emergency diesel generator sets. Keywords:nuclear power plant;diesel generator;simulation;loading calculation 在核电站中,要保证电力供应的连续性,除 采用冗余线路供电外,还必须采用应急电源系 统。应急柴油发电机组是世界上广泛采用的应 数学模型,并在Matlab/Simulink环境下对柴油 发电机组带单个异步电动机启动过程和异步电 动机群加载过程进行了分析。仿真结果验证了 所建模型的正确性,并为应急柴油发电机组的容 量选择提供了方法和依据。 急电源系统,其作用是在丧失正常供电时,为应 急母线提供应急电源,确保重要设备的连续 供电。 在核电自主化的背景下,对尚未国产化的应 急柴油发电机组进行仿真研究意义重大。应急 1 柴油发电机组的数学模型 基于Matlab/Simulink平台的应急柴油发电 机组模型见图1,包括同步发电机模型(Genera— tor)、励磁系统模型(Exciter)、柴油机及其调速系 统模型(Diese1)和异步电动机模型(6一kV—asyn— group,380Vasyn—group)。 —柴油机组中的一项关键技术就是机组加载程序 的仿真分析,该技术决定了柴油机、发电机的选 型以及机组的总体设计要求。 应急柴油发电机组是一个强耦合、非线性的 复杂系统,笔者建立了应急柴油发电机组详细的 收稿日期:2014—05—22 作者简介:张东福(1986一),男,在读硕士研究生。研究方向为电力系统仿真。 E-mail:zdf403217@126.com 第2期 张东福等:基于Matlab的核电站应急柴油发电机组的建模与仿真 分量,则可用K。表示电枢反应系数。 1.2.3交流励磁机换弧压降 整流装置在换弧时存在换弧压降,若忽略整 流管压降,则直流侧输出电压为空载电压减去换 弧压降。根据三相整流桥电流的运行特性,可以 推导出相应的计算公式: rEeD一 (1—0.577IN),当 ≤O.433 l—— EFD—VE(4o.75一 ),当0.433 ̄I do.75(7) l— EFD一、厂E(√3(1一IN)),当0.75≤IN≤1 1.3自动电压调节器【AVR)数学模型 电压调节器主要由电压检测环节、比较环节 和串联矫正环节等部分组成。 1.3.1电压检测环节 电压检测环节一般有测量变压器、桥式整流 电路和阻容滤波器等部分组成。可将测量变压 器和桥式整流电路看成比例环节,这主要是因为 其时间常数比较小,而阻容滤波器电路常可用一 阶惯性环节来表示,其传递函数为: wB )一 (8) 式中:KT、丁T为阻容滤波器的比例系数和时间常数。 1.3.2串联矫正环节 为了提高励磁系统的静态特性和动态特性, 励磁系统一般要进行串联矫正,其传递函数为: 式中:Kw、T 、T 、T3、T 分别为矫正环节的比例 系数和时问常数。 矫正环节也可以用微分反馈环节来代替,其 传递函数可表示为: WF(s)一 (10) 11-』FS 式中:K 、T 为积分反馈环节的比例系数和时间 常数。 1.4柴油机及其调速器数学模型 柴油机用以拖动同步机旋转,调速器则随着 转速变化及时调整喷油嘴的喷油量,进而调节柴油 机的输出转矩,以保持柴油机转速恒定。柴油机及 其调速器对于保证发电机频率稳定有重要影响。 柴油机系统是一个复杂的非线性动态系统, 其结构见图5。 图5柴油机及其调速器结构图 图5中,控制器的输人为给定转速与实际转 速的差值,输出 为执行器的输入控制电压;执 行器的输出为输出轴位移n,正比于输入电压 ; 转矩滞后环节的输出是柴油机驱动转矩 ; M1为阻力矩;cU 为柴油机转速。 1.4.1控制器数学模型 控制器主要用于调节柴油发电机的转速,工 程上常采用PID控制器。采用临界比例法对控 制器各参数进行整定,获得了较为理想的控制 性能。 测速器一般近似为一阶惯性环节,如果忽略 其对调速器的动态影响,可将其传递函数设为1。 1.4.2执行器数学模型 执行器的作用是将控制器输出的控制信号 转换成与之正相关的输出轴位移,执行器的传递 函数为: 一 ) T 1 s+1 … 式中:K 为执行器增益;T 为执行器时间常数。 1.4.3转矩滞后环节数学模型 对于确定的柴油机,执行器、燃烧环节以及 热力环节的时滞可以用一个滞后环节来代替,传 递函数为: ==: n ) t d 5+1 … 式中:t 为滞后环节时间常数,可根据公式(15/ n )≤ ≤(15/n +120/( ))确定,其中,z 表示 柴油机额定转速,i表示柴油机冲程数。 1.4.4柴油机数学模型 柴油机拖动发电机运行时: Jd =Md—M (13) 将式(13)化为增量形式: J Td — dAwd一 一△』V Id -AMl (14)\1 / 式中:J 为折算到驱动轴的转动惯量;蚴为柴油 机驱动轴角速度;△ 为驱动力矩增量;AM1为 阻力矩增量。 执行器根据控制器的输出量控制油门大小, 气缸进气量由柴油机转速和进气压力p 决定。 而柴油机驱动力矩Md与柴油机转速cu 、喷油泵 喷油量以及气缸进气量有关,是转速 、执行器 输出量a和进气压力户 的函数: Md—f(ood,a, H)(15) 柴油机的驱动力矩M 为非线性函数,将Md 在稳定运行点展开为泰勒级数,并忽略掉高阶无 发电淡备 第29卷 穷小项后,Ⅱj知: △ 一( o+(警)oAa+ ( )oA n 将式(16)带入式(14),可知: 一(OM d)。 +(警)。 ( )oA H--AM 一 &△∞ +aaAa+lIdApH—AM1(17) 由式(17)可知:在阻力矩一定时,柴油机的 转速由喷油量和进气压力决定,对于非增压柴油 机,进气压力为大气压,△p ===0,对于增压式柴油 机,由于采用负荷前馈信号等方式补助供气,可 忽略进气量的影响,即△pn:0; 可由柴油机的 速度特性曲线求得,柴油机保持转速不变时,a 可由柴油机调整特性曲线得到。因此,式(17)可 简化为: 一一 △ +a △a--AM (18) 以柴油机稳定运行时的 。、cU 。和n。为基 值,将式(18)标幺化,并化为传递函数形式: M (s)一Ml )T S+Cd (19) 式中:C 为柴油机阻尼系数,C 一 。/Md。;T 为柴油机惯性时间常数,T 一J TEOJ 。/(30Md。)。 1.5异步电动机数学模型 电力系统的稳定运行取决于系统中发电机 组与电力负载连续匹配的稳定性,因此负载及其 特性对于系统的稳定性有重要影响 ]。柴油发 电机组负载主要有照明、电热及异步电动机,其 中异步电动机是柴油发电机组中最重要的负载。 异步电动机应用广泛,对于某些大功率的异步电 动机,其容量与发电机功率具有可比性,当其接 入柴油发电机组时,会使系统产生较大扰动。因 此对异步电动机负载进行建模仿真具有非常重 要的意义。 一般而言,感应电动机定子绕组的暂态过程 比转子绕组的电磁暂态过程要快得多,更比电力 系统暂态过程快得多[5]。因此,是否计及定子的 暂态过程对电力系统的影响不大,采用三阶模型 就能很好地反映感应电动机的动态性能。笔者 采用了忽略电动机定子暂态过程( 一 。一 0)的异步电动机三阶数学模型。考虑到笼型电 动机转子内部是短接的,故有U = 一0,于是, 电压方程可以写成: H s ∞ 。 一 _广 O ( ̄o--w ) + O (c£,一 ) d r 0 0 0 0 r 0 0 (20) 0 0 r 0 0 O 0 r 磁链方程为: L。0 L 0 。 0 L 0 L (21) L 0 L 0 0 L 0 L 转矩以及运动方程为: T 一 L ( 。 id 一i i。 ) (22) dw,一d (丁 t 2 r一 T ) (23 ~~ 式中:L 一Ll +L ;L 一Ll +L ;Ll 、Ll 、L 、L 、 ,分别为定子漏感、转子漏感、定子等效 两相自感、转子等效两相自感、定转子互感、极对 数和转动惯量;T 、T.、 分别为电动机电磁转 矩、电动机负载转矩、电动机转子瞬时角速度。 2 仿真结果 选用某一额定功率为5 MVA、额定线电压 为6 kV、额定频率为50 Hz的同步发电机作为仿 真对象。 柴油机主要参数:t 为0.042,T 为2.247。 ( 取0.03。 采用临界比例法整定的PID调节器参数: KP为20,TI为0.1,TD为0.05。 首先对应急柴油发电机组带单个异步电动机 启动进行了仿真,以验证模型的正确性。选用某一 异步电动机作为仿真对象,其额定功率为410 kW, 额定线电压为6 kV,额定频率为50 Hz,额定转速 为2 955 r/rain,转动惯量为3.55 kg・1TI 。 柴油机首先工作,将同步电动机拖到同步速, 2 S时励磁系统开始工作,5 S时接入异步电动机负 载,9 s时仿真结束。仿真结果见图6~图11。 0 0.5 图6机端电压变化曲线 L 、P,和-第2期 张东福等:基于Matlab的核电站应急柴油发电机组的建模与仿真 1.5 出 丑锌 《 蜷 0.5 O ∞ 0 m加 0 图 8 2 3 图 4 5 6 7 8 9 7 时间f,s 机端电流变化曲线 2 3 4 5 6 7 8 9 时间r,s AVR输出电压变化曲线 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 时间f/8 图9 同步电动机励磁电压变化曲线 制 叵 图1O 同步电动机转子转速变化曲线 jIi5{ 蠹 需 脚 味 图l1 异步电动机转子转速变化曲线 为了观察加载过程中发电机转子转速变化 情况,对转速变化曲线图进行了截取,见图1O。 发电机转子转速的超调量为24 ,上升时间为 0.14 S,峰值时间为0.24 S,调整时间为1.02 S (偏差2 )。在2 S时,励磁系统开始工作,经过 0.1 S,V 达到峰值,同步电动机励磁电压由励 磁机电枢电压整流后得到,相位有一定的滞后。 同步电动机的上升时间是0.93 S,峰值时间是 1.11 S,超调量是9 ,调整时间是1.37 S(偏差 2 )。励磁系统与柴油机调速系统调节过程无 扰动,调节后的稳态值精确稳定,符合实际情况。 柴油发电机组带异步电动机启动时,冲击电 流很大,当异步电动机容量与同步电动机容量具 有可比性时,大的启动电流将会冲击同步电动机 的稳定运行,同时带异步电动机启动对同步电动 机转速干扰不明显。加载异步电动机后异步电 动机定子电流迅速上升,幅值可达其额定值的6 ~8倍,启动转矩震荡上升,并在上电0.6 S之后 转矩达到最大值。电动机转子转速稳定时,转速 为2 955.3 r/min,转差率为0.014 9,与异步电动 机额定转差率(0.015)很接近。 仿真结果表明:所建模型,包括同步电动机 模型、励磁系统模型、柴油机及其调速器模型,以 及异步电动机模型是正确合理的。 保安段失电时,应急柴油发电机组自动启 动、升速并建压,若此时同时投入所有的负载,电 压和频率波动较大,对柴油发电机组容量要求也 比较大,因此一般采用自启动负载程序,将负载 分步投入,这样既能减少柴油发电机组的设计容 量,降低成本,又能使负载快速有效地投入Ⅲ6]。 根据相关规定,柴油发电机组必须在接到启动信 号l1 S内达到额定转速,45 S内根据加载程序逐 步加载r7]。图1所示的应急柴油发电机组加载 迥 迥 蜷出 q 1 O 计算仿真模型中,异步电动机群模型分别模拟厂 O 5 1 1 O O 0 5 O 5 5 用水泵、离心上冲泵、安注泵、喷淋泵、给水泵、冷 冻机、送风机和排风机等核电站用设备。仿真结 果见图12~图15。 O 5 10 15 2O 25 时间f,s 图l2机端电压变化曲线 0 5 10 15 2O 25 时间f/s 图13机端电流变化曲线 喇 .25 .20 .15 .1O .O5 匿 .00 0 5 10 15 20 25 时间f,s 图14 同步电动机转子变化曲线 8 6 4 2 5 1O 15 2O 25 时间f,s 图15 同步电动机励磁电压变化曲线 醒 0 0 5 发电淡备 应急柴油发电机组启动时,柴油发电机首先 开始工作,将同步电动机拖入同步,2 s时励磁系 统开始工作,5 S时加第一台异步电动机,7 S、9 S、 儿S、13 s、15 s、17 s、18 S和20 S时分别顺序加载 异步电动机。由图12和图13可知:随着异步电 第29卷 具有足够的容量裕度;同时,仿真结果为柴油机 和发电机的容量选择提供了方法和理论依据。 参考文献: [1]Ekanayake J B,Holdsworth L,Jenkins N.Comparison of 5th order and 3th order machine models for doubly fed induc 动机的加载,系统功率因数越来越小,这是因为 异步电动机是感性负载。异步电动机加载过程 tion generator(DFIG)wind turbines[J].Electric Power Systems Research,2003,67(3):207—215. 中,电压波动平稳,励磁系统调节及时。由图13 可以看出:25 S时,柴油发电机组负载率为32 , 在加载过程中,柴油发电机组的最大负载率为 51 ,系统具有2倍的裕量,能够满足实际需求。 Eel刘雨,郭晨,孙建波,等.船舶电力系统的动态过程仿真研 究EJ].系统仿真学报,2009,21(9):2791—2795. 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