唐杰

【摘 要】水輪機的調(diào)速器是水電站的核心控制設(shè)備，調(diào)速器的核心任務(wù)之一就是要對機組的頻率進行精準穩(wěn)定的控制。水輪機的調(diào)速器的穩(wěn)定性就是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)的能力，是對調(diào)速器靜態(tài)特性的要求，調(diào)速器的“轉(zhuǎn)速死區(qū)”必須滿足要求。

【關(guān)鍵詞】水輪機調(diào)速器；轉(zhuǎn)速死區(qū)；最小二乘法

中圖分類號： TM312 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）31-0020-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.010

【Abstract】The governor of hydraulic turbine is the core control equipment of hydropower station. One of the core tasks of the governor is to control the frequency accurately and stably. The stability of the governor of the turbine is the ability to adjust the stability of the system. It is the requirement for the static characteristic of the governor， and the speed dead zone of the governor must meet the requirements.

【Key words】Hydraulic turbine governor； Speed dead zone； Least square method

0 概述

水輪機調(diào)速器是水電站的核心控制設(shè)備之一，對發(fā)電機組的穩(wěn)定運行起著非常重要的作用。對機組的頻率進行精準穩(wěn)定的控制是調(diào)速器的核心任務(wù)之一，水輪機的調(diào)速器的穩(wěn)定性就是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)的能力，是對調(diào)速器靜態(tài)特性的要求，調(diào)速器的“轉(zhuǎn)速死區(qū)”必須滿足要求[1]。

1 轉(zhuǎn)速死區(qū)

機組在處于發(fā)電狀態(tài)時，機頻和網(wǎng)頻是同步的，調(diào)速器監(jiān)測機頻的同時要和網(wǎng)頻進行比較，如果兩者偏差的絕對值超過調(diào)速器人工設(shè)定的頻率死區(qū)，導葉開度（功率）就會按照程序內(nèi)部固有的關(guān)系進行相應(yīng)的調(diào)整[2]。這種頻率和開度的調(diào)差變化關(guān)系就是“調(diào)差特性”的基本概念。下圖1為調(diào)速器的調(diào)差關(guān)系曲線，橫坐標為開度百分比，橫坐標為頻差的百分比。曲線上的每一點切線的斜率的負數(shù)就是“調(diào)差率”。負數(shù)表明在于保證調(diào)節(jié)的方向正確，使發(fā)電機組在頻率較高的時候關(guān)閉導葉，在頻率較低的時候打開導葉。

運行中的調(diào)速器一般是將圖1的曲線簡化成一條直線進行處理，其線性公式如下：

在本公式中，分子為機組頻率變化率的表幺值，分母為導葉行程的百分比（導葉開度）。對上式進行變換可得：

Δf=-Bp×（Δy/Y）×50

從上面公式可以得知，頻差和導葉開度的偏差存在一個計算關(guān)系，當調(diào)速器在控制中對導葉開度偏差有個一個固有的數(shù)值，那么通過計算可以得知，在頻差上就有一個固有的頻率偏差，這個偏差就是調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)。也可以這樣說，在實際測量的調(diào)速器的靜特性曲線在轉(zhuǎn)速上升和下降時不是走的同一條曲線，而是兩條近似平行的曲線，這兩條曲線之間的部分，就是轉(zhuǎn)速死區(qū)。死區(qū)的本質(zhì)是由于調(diào)速器調(diào)整的導葉開度不到位引起的，在實際應(yīng)用中，它對發(fā)電機機組頻率控制有著很重要的影響作用，一般都將其折算到頻率上去。

下圖為國標對發(fā)電機調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)的規(guī)定：

對于大型發(fā)電機機組的調(diào)速器，國家標準所要求的轉(zhuǎn)速死區(qū)是小于0.02%，在做靜特性試驗時一般是按照這個標準來進行校驗的。

2 調(diào)速死區(qū)產(chǎn)生的原因

根據(jù)上面的計算公式可以得知，調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)形成的原因是導葉開度控制偏差所致。在做靜特性試驗時，導葉開度是單方向的積累，再反方向調(diào)節(jié)的時候，在相同頻率計算出的導葉給定下，導葉反饋就存在者調(diào)整不到位的現(xiàn)象，這樣在關(guān)導葉方向和開導葉方向之間就有一定的間隙，靜特性試驗就是尋找這間隙的最大值。

形成轉(zhuǎn)速死區(qū)的主要原因有以下幾點：

2.1 主配壓閥的遮程

主配壓閥在電液伺服先到系統(tǒng)的驅(qū)動下，閥芯左右（臥式）或上下（立式）移動，形成操作油換向，從而對接力器進行開關(guān)控制。一般主配壓閥閥芯的閥盤高度要大于閥套孔的直徑，這樣長出來的部分就是遮程。存在遮程就表面當伺服先導系統(tǒng)的驅(qū)動信號過于微弱的時候，閥芯位移就有可能在遮程以內(nèi)，此時，主配壓閥的開關(guān)腔的壓力油是沒有變化的，接力器不會進行動作，就導致導葉開度不會變化，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)速死區(qū)。

2.2 電氣反饋信號的影響

在微機調(diào)速器的隨動系統(tǒng)中，需要反映接力器位置的電氣信號，目前大部分的接力器的位移傳感器都是采用的模擬量（電壓值、電流值）來進行輸出的，再將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如果采用的位移傳感器的精度不高，就不能成比例的反映導葉的實際位置，會影響到調(diào)速器的控制精度從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)速死區(qū)。

2.3 傳動機構(gòu)的反方向的阻力

如下圖2所示，當主配壓閥的閥芯動作后，設(shè)定為開放向，開腔的壓力油壓Pk大于Pg， 這個時候會存在一個阻力 F，且 F>（Pk-Pg）*S， 這個阻力就會抵消掉這個壓力偏差， 即這個壓力偏差不足以推動接力器移動，阻力 F 更多的是來自摩擦力，這是摩擦力的物理特性決定的，只有當（（Pk-Pg）*S>（M+f），接力器才能動作。如果要關(guān)閉導葉的話， 接力器的動作條件又有了新的變化， 即（Pk-Pg）*S+M>f 就可以了，很明顯，兩個方向在里的傳遞上也是不對稱的。

2.4 傳動機構(gòu)連接部分的空行程

水輪機傳動機構(gòu)在安裝材質(zhì)方面不可能是全理想的一體化，只要存在連接和方向的轉(zhuǎn)化，就一定存在所謂的“行程損耗”，這個形成損耗可以類比聯(lián)軸器之類。主配到導葉之間，存在著接力器推拉桿、控制環(huán)、拐臂等機構(gòu)，它們之間存在著連接，這些連接是有間隙，這就會存在一定程度上的行程損耗，導致導葉開度控制上的偏差。

2.5 電液轉(zhuǎn)換器的影響

調(diào)速器的電液轉(zhuǎn)換器中普遍使用的是步進電機式電液轉(zhuǎn)換器和伺服電機式電液轉(zhuǎn)換器，步進電機和交直流伺服電機都具有點擊的共同特點，一般點擊的相應(yīng)時間為2ms，步進電機從靜止到工作轉(zhuǎn)速需要200ms～400ms，交流伺服電機的加速性能更好，從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速只需要幾毫秒。調(diào)速器在調(diào)節(jié)過程中，電機不是全方位的轉(zhuǎn)動，只是轉(zhuǎn)動一個相應(yīng)的角度，并且需要頻繁換向轉(zhuǎn)動，由于其響應(yīng)特性，便產(chǎn)生了水輪機調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速死區(qū)，電液轉(zhuǎn)換器造成的轉(zhuǎn)速死區(qū)要比前面幾個小的多。

3 柬埔寨額勒賽上電站#2機組調(diào)速器靜態(tài)特性試驗

3.1 發(fā)電機組及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本情況

3.1.1 發(fā)電機組的基本情況

機組的功率為103MW，額定轉(zhuǎn)速為250r/min，一共有兩臺機組，設(shè)計水頭為134m，發(fā)電機的型號為SF103-24/6700。調(diào)速器的概況為：電氣柜采用雙套2003版PCC控制。機械柜采用ZFL-80/D系列自復中式主配壓閥，交直流供電電壓為220V，電液轉(zhuǎn)換型號博士力士樂0811404036。

3.1.2 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本情況

下圖3為柬埔寨額勒賽上電站#2機組系統(tǒng)調(diào)節(jié)的原理框圖。自動控制回路包括兩種方式：電氣控制柜輸出控制信號（連續(xù)的電壓）→伺服閥功放→切換閥→主配壓閥→接力器；手動控制通路為：手動控制開關(guān)（斷續(xù)脈沖）→容錯控制閥組→切換閥→主配壓閥→接力器。

緊急停機操作是通過緊急停機閥完成，其直接控制主配壓閥完成關(guān)方向的動作。

3.2 靜態(tài)特性試驗

目的：測量調(diào)速器的靜態(tài)特性曲線，求取調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速死區(qū)。

參數(shù)設(shè)定：

Kp=10，Ki=20，Kd=0，Bp=6%，f=50.00Hz

下表為測得詳細數(shù)據(jù)：

在獲得這些數(shù)據(jù)之后，要對這些數(shù)據(jù)進行一定的處理，在這里我采用了最小二乘法來對這些數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，將開方向和關(guān)方向的曲線繪制在一個圖上以便進行分析。

3.2.1 最小二乘法和MATLAB軟件

最小二乘法（又稱最小平方法）是一種數(shù)學優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。最小二乘法也可以用于曲線的擬合。

我這里采用的MATLAB版本是MATLAB2010B，以此軟件來對試驗數(shù)據(jù)進行處理。

下面是相關(guān)程序的部分代碼：

x=[48.75 49 49.25 49.50 49.75 50.00 50.25 50.50 50.75 51.00 51.25]； %頻率

y1=[91.68 83.34 75 66.68 58.31 49.99 41.65 33.33 25.00 16.66 8.35]； %打開導葉時的導葉開度

y2=[91.67 83.34 74.99 66.68 58.35 50.02 41.67 33.33 25.01 16.66 8.33]； %關(guān)閉導葉時的導葉開度

nh1=polyfit（x，y1，2）；%對打開導葉的數(shù)據(jù)進行二次擬合

m1=48.50：0.05：51.25；%m是根據(jù)散點x來定的.

Open=polyval（nh1，m1）；%打開導葉

nh3=polyfit（x，y2，2）；%對關(guān)閉導葉的數(shù)據(jù)進行二次擬合

Close=polyval（nh3，m1）；%關(guān)閉導葉

plot（x，y1，'+'，m1，dakai，x，y2，'x'，m1，guanbi） %繪制曲線圖

獲得的曲線結(jié)果如下：

將其局部進行放大如下圖：

3.2.2 對調(diào)差率的一個校驗計算

計算圖3中的斜率，從而可得

ΔF=（50.85-49.15）/50，

ΔY=（78.34-21.67）/100

Bp=ΔF/ΔY=0.06

3.2.3 死區(qū)的計算

兩曲線之間的橫坐標的最大偏差即為頻率調(diào)整死區(qū)，將曲線完全放大。首先求量曲線之間的導葉最大偏差，從表格中可以得知，當頻率f=49.75時，打開導葉和關(guān)閉導葉兩者之間的導葉偏差最大。

ΔY=58.35%-58.31%=0.04%

ΔY乘以Bp即為頻率調(diào)整死區(qū)：

ΔY*Bp=0.04%*0.06=0.0024%

計算出來的轉(zhuǎn)速死區(qū)小于行標所要求的0.02%。上面這個計算結(jié)果是根據(jù)調(diào)速器死區(qū)的原理來尋找計算方法對試驗數(shù)據(jù)進行的處理。

轉(zhuǎn)速死區(qū)過大，通過理論計算得到輸出值與實際從水輪機反饋回來的值存在著一定的偏差，實質(zhì)是機組自動控制的失效，具體的表現(xiàn)為機組的頻率擺動過大、主配壓閥的抽動距離、打油頻繁等[3]。

4 總結(jié)

轉(zhuǎn)速死區(qū)的存在是影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性的主要因素，為提高水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量，要從各個方面來減小調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速死區(qū)[4]。導葉行程傳感器一般是安裝在導葉接力器上的，而不是實際的活動導葉所在的位置，所以所測量到的轉(zhuǎn)速死區(qū)并不能真正反映系統(tǒng)的死區(qū)大小，忽視了最重要的傳動機構(gòu)部分的死區(qū)，如果將性能優(yōu)良的傳感器直接放在活動的導葉上來直接測量導葉的真正開度，那對精確計算轉(zhuǎn)速死區(qū)具有很大的幫助。

【參考文獻】

[1]張應(yīng)環(huán). 淺談水輪機調(diào)速器的控制策略和結(jié)構(gòu)的發(fā)展[J].綜述，2011，05期∶2.

[2]龍洋，基于PLC的水輪機調(diào)速系統(tǒng)的研究[D].武漢理工大學.武漢理工大學.2013.

[3]陳龍.淺談水輪機調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)控制[J]. 伺服控制，2012， 7： 28-30.

[4]常中原，陸勁松，水輪機調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展探討[J].水電廠自動化，2012，04期∶24-27.