汽轮机的控制与调速系统

与水轮机控制类似，汽轮机调速器的主要功能是控制导叶开度。汽轮机控制器包括一个调速器、一个转速继电器、一个伺服电动机和调速控制阀^[41]。涡轮机的调速系统如图5.25所示。

图5.25 汽轮机调速系统

图5.26给出了该系统的近似数学模型。在此模型中，除了阀门位移限制和速率限制之外的非线性因素均被忽略。

这里，增益K_G是调节率或转速降的倒数。控制信号SR表示一个综合负载和转速参考值。带有时间常数T_SR和直接反馈的积分器用来表示转速继电器。带有时间常数积分T_SM和直接反馈的积分器代表伺服电动机。伺服电动机推动阀门，该电动机物理尺寸较大，尤其是大型机组更是如此。伺服电动机的速率限制和位移限制体现在积分器上，积分器代表伺服电动机。

这种汽轮机控制模型使用MATLAB/Simulink仿真。汽轮机与调速系统、励磁系统、同步发电机、输电线路与电网的示意图如图5.27所示。

图5.26 调速系统的近似数学表达式

图5.27 与同步发电机耦合的汽轮机和调速器

在这个模型中，汽轮机的参考发电功率设定为0.7（p.u.），参考转速选择为1（p.u.）。从图5.27中可以看出，该发电机的输入是由汽轮机和调速系统产生的机械功率以及励磁系统产生的励磁电压。同步发电机的输出通过电网连接到输电线路之上，以RL回路来表示。

这种模型中的同步发电机是一种凸极发电机，其额定功率为200MW，相间额定电压为13.8kV。额定频率为60Hz，极对数为60。因此，其每分钟的额定转速为

汽轮机调速系统模型包括一个调速系统、一个四级汽轮机以及一根至多带有四个质点的轴，其结构如图5.28所示。

图5.28 完整的调速器、汽轮机和轴模型

调速系统由一个比例调节器、一个转速继电器以及一个控制汽轮机导叶开度的伺服电动机所组成，如图5.29所示。

图5.29 调速系统模型

仿真时，调速器调节增益K_p设置为1，稳态转速降R_p=0.05，死区D_z=0时，转速继电器时间常数T_sr=0.001，伺服电动机时间常数T_sm=0.15。导叶开度最小值和最大值分别设置为0.01和0.99，导叶启闭速度值设置在-0.1～0.1之间。

图5.30所示为一个四级汽轮机，它由四个一阶传递函数建模而成。第一级表示蒸汽室，其后三级分别代表再热器或者跨接管等。(www.xing528.com)

图5.30 涡轮机模型

图5.27中的励磁电压控制系统使用发电机定子电压的qd轴分量和PI控制器的参考输出电压来确定适当的励磁电压水平。该电压的qd轴分量使用ABC相电压的Park变换来求得。

仿真时间设定为70s。图5.31和图5.32显示了转子转速及其偏差。可以看出，经过一些振荡之后，转子转速在10s之内达到1（p.u.），而转子转速偏差减幅为零。

图5.31 转子转速与时间关系图

图5.32 转子转速偏差

图5.33所示为供给发电机轴的机械功率，它增加至参考值的0.7倍，由导叶开度来调节（见图5.34）。

在经过一些振荡之后，发电机的有功功率输出可达0.7（p.u.），如图5.35所示。

图5.36显示了发电机的输出相间电压。可以看出，发电机额定电压为13.8kV，而峰间电压为19.52kV，频率为60Hz。

图5.33 汽轮机机械功率

图5.34 导叶开度

图5.35 发电机有功功率

图5.36 发电机输出相间电压