李洋，潘立平，舒榮，何常勝

(1.云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，昆明 650217;2.云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司，昆明 650217)

0 前言

通過(guò)對(duì)調(diào)速器數(shù)學(xué)模型的研究和仿真計(jì)算，建立更為準(zhǔn)確的調(diào)速系統(tǒng)的計(jì)算模型，滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算的需求?；炝魇剿啓C(jī)組調(diào)速系統(tǒng)建模仿真各環(huán)節(jié)參數(shù)實(shí)測(cè)過(guò)程中均能搭建理想的數(shù)學(xué)模型，但對(duì)沖擊式機(jī)組而言，PID 參數(shù)，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp，以及接力器反應(yīng)時(shí)間常數(shù)Ty，這些參數(shù)的測(cè)試結(jié)果以及模型的搭建對(duì)于輪流式水輪機(jī)組是不同的，因此，初步研究沖擊式機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)模型和輪流式機(jī)組參數(shù)建模之間的差異，為將來(lái)在沖擊式機(jī)組建模中提供參考和依據(jù)，此次建模仿真分析僅針對(duì)調(diào)速系統(tǒng)PID 環(huán)節(jié)，電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)進(jìn)行討論，機(jī)組功率輸出環(huán)節(jié)可以參考混流式水輪機(jī)組［1－3］。

1 機(jī)組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算及仿真

沖擊式機(jī)組PID 輸出環(huán)節(jié)參數(shù)校驗(yàn)和混流式機(jī)組校驗(yàn)方法大致相同，分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩個(gè)環(huán)節(jié)分別校驗(yàn)，但PID 信號(hào)輸出方式和混流式機(jī)組有所不同，所以參數(shù)實(shí)測(cè)與模型搭建也產(chǎn)生了差異。試驗(yàn)時(shí)需要記錄的信號(hào)有仿真機(jī)組頻率信號(hào)、總噴針開(kāi)度給定信號(hào)、總PID 綜合輸出信號(hào)、單噴針PID 綜合輸出信號(hào)、噴針開(kāi)度反饋信號(hào)。

1.1 實(shí)測(cè)PID 輸出環(huán)節(jié)分析

1)PID 輸出環(huán)節(jié)Kp 環(huán)節(jié)校驗(yàn)［4－6］:設(shè)置永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp=0%、Ki=0、Kd=0，Ef=0Hz，Kp 置于待校驗(yàn)值，對(duì)調(diào)節(jié)器加一頻率階躍擾動(dòng)信號(hào)，記錄頻率改變后調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)、噴針開(kāi)度變化曲線等。試驗(yàn)時(shí)以(Kp=6.0、Ki=0、Kd=0、bp=0%、Ef=0.0Hz)，階躍頻差為0.5Hz 為例，試驗(yàn)時(shí)4 噴針全開(kāi)，模擬并網(wǎng)狀態(tài)，一次調(diào)頻投入，當(dāng)頻率發(fā)生變化時(shí)，總PID 調(diào)節(jié)輸出變化量為6.01%，每個(gè)噴針PID 輸出變化大致為1.5%左右，通過(guò)實(shí)測(cè)計(jì)算與仿真擬合，Kp 為6.01，以實(shí)際設(shè)置值相符，但由于試驗(yàn)時(shí)4 組噴針同時(shí)作用，所以每個(gè)噴針的PID 輸出量為總PID 輸出量的1/4 倍，若只有2 組噴針運(yùn)行，那么單噴針PID 輸出量為總PID 輸出量的1/2 倍。由此可以得出:

Kp總=(i=1，2，3，4…n)，(n 為噴針實(shí)際運(yùn)行的組數(shù))

2)PID 輸出環(huán)節(jié)Ki 環(huán)節(jié)校驗(yàn)［4－6］:方法同上，把Ki 設(shè)置為待測(cè)值，其他參數(shù)設(shè)置為零，當(dāng)頻率發(fā)生變化時(shí)，總PID 調(diào)節(jié)輸出波形為一斜線，通過(guò)擬合該直線斜率，算出Ki 和設(shè)置值基本一致，但由于試驗(yàn)時(shí)4 組噴針同時(shí)作用，所以每個(gè)噴針的PID 輸出斜率為總PID 輸出斜率的1/4倍，若只有2 組噴針運(yùn)行，那么單噴針PID 輸出斜率為總PID 輸出斜率的1/2 倍。由此可以得出:

Ki總=，n 為噴針實(shí)際運(yùn)行的組數(shù)。

3)PID 輸出環(huán)節(jié)Kd 環(huán)節(jié)校驗(yàn)［4－6］:同理可以推出實(shí)際測(cè)試中，Kd 校驗(yàn)存在一定誤差，在仿真模型中需要乘以一個(gè)系數(shù)k 才能吻合于實(shí)測(cè)曲線，該調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻模式下調(diào)節(jié)規(guī)律為PI 調(diào)節(jié)，Kd 環(huán)節(jié)只有在空載模式下起作用，所以在發(fā)電運(yùn)行時(shí)可以忽略該參數(shù)。綜上所述，因?yàn)镻ID 各個(gè)分量Kd，Ki，Kd 之間的輸出成線性關(guān)系，所以總PID 輸出也可做線性疊加，由此可以推出:

PID總=單噴針 (i=1，2，3，4…，n)，n 為噴針實(shí)際運(yùn)行的組數(shù)。

所以調(diào)速系統(tǒng)面板PID 參數(shù)設(shè)置中各增益Kp，Ki，Kd 表示的是Kp總，Ki總，Kd總各部分的值，若PID總為已知量，要計(jì)算PID單噴針，Kp單噴針，Ki單噴針，Kd單噴針可以通過(guò)上述公式求出。

1.2 實(shí)測(cè)永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp 分析

當(dāng)bp 置為0 時(shí)，PID 為開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)方式，當(dāng)bp不為0 時(shí)，PID 為閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，從自動(dòng)控制原理角度來(lái)分析，若該調(diào)節(jié)方式為閉環(huán)調(diào)節(jié)，輸出量之間存在某種函數(shù)關(guān)系式，反饋量之間也存在相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，如上所述，單噴針PID 輸出和總PID 輸出存在一定的關(guān)系，PID 總輸出反饋bp和單噴針PID 輸出反饋bp 之間也存在一定的關(guān)系。當(dāng)只選擇2 組噴針同時(shí)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析并計(jì)算bp 值，試驗(yàn)時(shí)僅讓2 噴針同時(shí)動(dòng)作，測(cè)試每個(gè)噴針的bp 值，如表1 所示。

表1 調(diào)速系統(tǒng)靜特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp 計(jì)算公式［1－3］:

其中Δf 為頻率的變化量，50 為基準(zhǔn)頻率，ΔY 為噴針開(kāi)度的變化量。

因?yàn)閅max可以表示為為各噴針最大開(kāi)度的總和，

Ymax=Ymax1+Ymax2+Ymax3+Ymax4=400%

Ymaxi表示第i 個(gè)噴針的最大開(kāi)度。

若僅1 個(gè)噴針運(yùn)行時(shí)，

ΔY=ΔY1，Ymax=Ymax1

若僅兩個(gè)噴針運(yùn)行時(shí)

ΔY=ΔY1+ΔY2，Ymax=Ymax1+Ymax2

以此類(lèi)推，單噴針永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp 公式可以寫(xiě)成:

由此可推出調(diào)速系統(tǒng)面板bp 設(shè)置值表示的總PID 輸出的反饋，并非單個(gè)噴針PID 輸出的反饋，并且通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出，面板設(shè)置

1.3 噴針之間相互切換實(shí)測(cè)

因沖擊式機(jī)組和反擊式機(jī)組存在結(jié)構(gòu)上的差異，通過(guò)改變噴針的運(yùn)行方式，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的最優(yōu)控制［1］。該調(diào)速系統(tǒng)噴針有2 種運(yùn)行方式，一種是僅有2 組噴針運(yùn)行的模式(主用噴針組)，另一種是4 組噴針全部運(yùn)行(主備用噴針組同時(shí)運(yùn)行)。2 種方式相互切換存在一個(gè)切換關(guān)系，當(dāng)運(yùn)行噴針開(kāi)度值高于這個(gè)切換點(diǎn)時(shí)，切為4 組噴針全部運(yùn)行，低于則切為2 組噴針運(yùn)行，切換點(diǎn)可根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀況可以任意設(shè)置，該切換點(diǎn)設(shè)置為PID 總輸出的某一點(diǎn)。PID 總輸出保持連續(xù)上升并越過(guò)切換點(diǎn)時(shí)，開(kāi)啟備用噴針組運(yùn)行;當(dāng)PID 總輸出連續(xù)下降低于切換點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉備用噴針組，僅主用噴針組處于運(yùn)行狀態(tài)。

試驗(yàn)時(shí)，主用噴針組為1，3 號(hào)噴針，備用噴針組為2，4 號(hào)噴針，如圖所示，測(cè)試時(shí)選擇了1號(hào)噴針PID 輸出作為參考.由圖分析得出:在2個(gè)噴針運(yùn)行切換至4 個(gè)噴針運(yùn)行的瞬間，總PID輸出是保持不變的，由數(shù)據(jù)可以分析得出:從PID 關(guān)系來(lái)看:當(dāng)2 噴針切4 噴針運(yùn)行時(shí)，主用噴針組(1，3 號(hào)噴針)PID 瞬間下降，備用噴針組(2，4 號(hào)噴針)PID 瞬間上升，該切換動(dòng)作邏輯保證了總PID 輸出保持不變;從開(kāi)度關(guān)系來(lái)看，各噴針開(kāi)度隨著PID 輸出的變化而相應(yīng)動(dòng)作。

該調(diào)速器僅有兩種運(yùn)行方式，2 個(gè)噴針同時(shí)運(yùn)行以及4 個(gè)噴針同時(shí)運(yùn)行方式，從測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)一步研究分析得出運(yùn)行狀態(tài)的噴針PID 輸出始終相等，即在兩噴針運(yùn)行時(shí)滿足PID1=PID3(1，3表示運(yùn)行噴針序號(hào)，即主用噴針組)，在四噴針同時(shí)運(yùn)行時(shí)滿足PID1=PID2=PID3=PID4(1，2，3，4 表示運(yùn)行噴針序號(hào)，即全部噴針)。若假設(shè)存在切換函數(shù)f(x)，x 為PID 總輸出，噴針切換點(diǎn)設(shè)為x0，結(jié)合上述1.1，1.2 可建立一組函數(shù)關(guān)系:

1.4 接力器反應(yīng)時(shí)間常數(shù)Ty 實(shí)測(cè)

在電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)方面，沖擊式機(jī)組和混流式機(jī)組差異比較明顯，混流式機(jī)組電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)一般為兩級(jí)放大，設(shè)有伺服比例閥以及主配壓閥，其中伺服比例閥為第一級(jí)電液轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換后，通過(guò)主配壓閥把油路進(jìn)行放大，推動(dòng)導(dǎo)葉接力器運(yùn)動(dòng);然而沖擊式機(jī)組因噴針接力器操作功較小，一般不設(shè)有主配壓閥，而電液轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)一般為比例閥或數(shù)字閥，閥體本身不帶反饋機(jī)構(gòu)，從試驗(yàn)實(shí)測(cè)參數(shù)條件來(lái)分析，沖擊式機(jī)組對(duì)Ty 實(shí)測(cè)有一定的難度，根據(jù)《中國(guó)南方電網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試與建模導(dǎo)則》中所示，如圖1［4］:

圖1 調(diào)速系統(tǒng)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型

沖擊式機(jī)組通常未設(shè)有主配壓閥，而噴針使用比例閥控制，閥芯沒(méi)有反饋裝置，因此無(wú)法測(cè)試比例閥閥芯開(kāi)啟或關(guān)閉的位置對(duì)應(yīng)的噴針接力器啟閉速度，但可以根據(jù)給電液隨動(dòng)機(jī)構(gòu)施加一具體的擾動(dòng)量值，在隨動(dòng)系統(tǒng)信號(hào)控制入口形成階躍擾動(dòng)(保留比例環(huán)節(jié)，切除積分、微分及bp 反饋環(huán)節(jié)，通過(guò)改變機(jī)組頻率，形成不同幅度的階躍量或直接在比例閥控制板加一電壓量)，這樣可以近似模擬閥芯瞬間動(dòng)作到某一位置的情況，觀察并記錄噴針開(kāi)度變化以及頻率輸出曲線，最終根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真曲線進(jìn)行擬合，用插值法反算出Ty 值，若仿真時(shí)除去慣性環(huán)節(jié)保留積分環(huán)節(jié)。

通過(guò)仿真與辨識(shí)分析得出:噴針電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)雖然僅設(shè)有比例閥，但整個(gè)環(huán)節(jié)仍為慣性環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)同時(shí)作用，所以模型中用Ty 以及Ty1作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的辨識(shí)參數(shù)，因比例閥的某些特性影響，同時(shí)噴針最快關(guān)閉和開(kāi)啟速率較小，導(dǎo)致閥芯行程較小，所以實(shí)際噴針的運(yùn)動(dòng)軌跡成一條直線，并非形成明顯反饋特性曲線，通過(guò)辨識(shí)積分環(huán)節(jié)Ty 值以及慣性環(huán)節(jié)Ty1近似擬合與實(shí)際噴針開(kāi)度重合。

根據(jù)電液閥的特性，不同的閥芯位置對(duì)應(yīng)的接力器關(guān)閉或開(kāi)啟速率是不同的，其接力器反應(yīng)時(shí)間常數(shù)Ty 屬于一個(gè)變量。

∴ 通過(guò)連續(xù)的頻率階躍擾動(dòng)，選擇不同的擾動(dòng)量對(duì)應(yīng)不同的Ty 值，求得(i 代表不同的噴針接力器)，再通過(guò)參數(shù)辨識(shí)法求出Ty1，最終代入模型表示不同噴針的Ty 和Ty1值。

1.5 折向器執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型

沖擊式水輪機(jī)折向器去油迅速切斷噴針射流的作用，一般在甩負(fù)荷，停機(jī)過(guò)程折向器投入使用，當(dāng)機(jī)組頻率超過(guò)一定值時(shí)，折向器迅速動(dòng)作，瞬間切斷水流，從而快速降低水機(jī)機(jī)械功率輸出，折向器執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用液控?fù)Q向閥控制，其自身有最快開(kāi)啟及關(guān)閉速率限制，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立以下模型如圖2 所示［7］。圖2 中:f 為機(jī)組頻率，Ka 和Ta 為折向器執(zhí)行機(jī)構(gòu)放大倍數(shù)和主接力器時(shí)間常數(shù)。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)折向器數(shù)學(xué)模型

1.6 模型綜合搭建

通過(guò)上述參數(shù)辨識(shí)與仿真結(jié)果，可對(duì)丹珠河一級(jí)電站調(diào)速系統(tǒng)整體數(shù)學(xué)模型行進(jìn)搭建，試驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行了開(kāi)度模式限速環(huán)節(jié)、頻率模式PID 限幅限速環(huán)節(jié)、電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)限幅限速環(huán)節(jié)實(shí)測(cè)，因?qū)嶋H發(fā)電運(yùn)行中，該套調(diào)速系統(tǒng)無(wú)功率調(diào)節(jié)模式，僅對(duì)頻率模式和開(kāi)度模式環(huán)節(jié)進(jìn)行搭建。根據(jù)廠家所提供的傳遞函數(shù)關(guān)系式［3］:

頻率調(diào)節(jié)模式時(shí)調(diào)速器傳遞函數(shù):

開(kāi)度調(diào)節(jié)模式時(shí)調(diào)速器傳遞函數(shù):

結(jié)合數(shù)據(jù)分析，在功率環(huán)節(jié)仿真辨識(shí)中，其模型基本和混流式有所不同，因沖擊式機(jī)組特點(diǎn)，在辨識(shí)過(guò)程中無(wú)反調(diào)現(xiàn)象［8］，所以Tw 此參數(shù)不能通過(guò)反調(diào)進(jìn)行辨識(shí)，水輪機(jī)模型環(huán)節(jié)僅用P－Y曲線實(shí)現(xiàn)，在P－Y 曲線(功率及開(kāi)度關(guān)系曲線)測(cè)試時(shí)，應(yīng)分別測(cè)試不同水頭下2 組噴針同時(shí)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)和4 組噴針同時(shí)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)，這能更精確的反應(yīng)出4 組噴針和2 組噴針?lè)謩e運(yùn)行時(shí)對(duì)有功功率的不同影響。

2 結(jié)束語(yǔ)

1)本次建模僅試用于Matlab—Simulink 仿真平臺(tái)對(duì)某些特定的水輪機(jī)組進(jìn)行研究。

2)本次試驗(yàn)實(shí)測(cè)分析與建模仿真分析過(guò)程中，重點(diǎn)討論了關(guān)于沖擊式機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)在PID組成方面，電液轉(zhuǎn)換方面和混流式機(jī)組一些區(qū)別，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件，主要在其頻率模式以及開(kāi)度模式下進(jìn)行仿真，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試的參數(shù)也相對(duì)于輪流式機(jī)組較多，模型搭建相對(duì)繁瑣，但基本模型構(gòu)架基于混流式水輪機(jī)組模型特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善。

3)通過(guò)整體模型的仿真與實(shí)際數(shù)據(jù)比對(duì)，所得曲線能基本吻合實(shí)測(cè)曲線，試驗(yàn)以及仿真結(jié)果表明計(jì)算模型與實(shí)際相符，為以后穩(wěn)步推進(jìn)水輪機(jī)建模試驗(yàn)，提供了準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)計(jì)算參考。

［1］魏守平.水輪機(jī)調(diào)節(jié)［M］.華中科技大學(xué)出版社.

［2］魏守平.水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真［M］.華中科技大學(xué)出版社.

［3］沈祖義.水輪機(jī)調(diào)節(jié)［M］.中國(guó)水利水電出版社.

［4］Q/CSG 11402－2009.中國(guó)南方電網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試與建模導(dǎo)則［S］.中國(guó)南方電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

［5］GB/T 9652.2－2007.水輪機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)［S］.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).

［6］GB/T 9652.1－2007.水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)技術(shù)條件［S］.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).

［7］孫文濤，等.適用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的沖擊式水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2014，38 (8):71－75.

［8］陳鐵華，等.水輪發(fā)電機(jī)原理及運(yùn)行［M］.中國(guó)水利水電出版社.