步進電機式調(diào)速器頻率控制性能分析

周彬黃岷江吳縉

(國網(wǎng)電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210003)

摘要：介紹了步進電機式調(diào)速器的控制原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了仿真模型，并對其頻率控制性能進行了仿真分析，為同類調(diào)速器產(chǎn)品的設計提供了參考。

關鍵詞：調(diào)速器；主配壓閥；頻率控制；仿真建模

收稿日期:2015-05-17

作者簡介：周彬(1987—)，男，江蘇南通人，碩士，助理工程師，研究方向：電氣工程自動化。

0引言

我國的額定電網(wǎng)頻率為50 Hz，偏差要小于0.2 Hz，電力系統(tǒng)負荷的不斷變化會導致電網(wǎng)頻率的波動。水力發(fā)電廠通過引水管道把水的勢能轉(zhuǎn)變?yōu)樗啓C轉(zhuǎn)動的機械能，發(fā)電機將水輪機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。水輪發(fā)電機組調(diào)速器根據(jù)電網(wǎng)頻率變化，調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機組的輸出功率，維持機組轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的規(guī)定范圍內(nèi)，這就是水輪發(fā)電機組調(diào)速器的基本功能。

1控制原理

水輪發(fā)電機組調(diào)速器通過電液轉(zhuǎn)換器驅(qū)動液壓隨動系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)通過導葉接力器控制壓力引水系統(tǒng)[1-2]。其工作原理如下：調(diào)速器采集機組的轉(zhuǎn)速信號與給定頻率比較，計算出偏差值，根據(jù)偏差值的大小及變化趨勢計算并輸出控制信號，實現(xiàn)對水輪發(fā)電機組液壓部分的控制。電氣控制部分包括比例、微分、積分環(huán)節(jié)，比例環(huán)節(jié)的作用是對輸入頻差信號進行線性放大，實現(xiàn)頻率信號到開度信號的線性轉(zhuǎn)換；微分環(huán)節(jié)的作用是產(chǎn)生頻率偏差信號的微分值，獲得頻率偏差信號的變化趨勢，防止調(diào)節(jié)過度；積分環(huán)節(jié)的作用是計算頻差信號變化的積分值，減少或消除控制系統(tǒng)的靜態(tài)偏差[3]。電液轉(zhuǎn)換器將控制信號放大，產(chǎn)生相應方向、滿足導葉接力器流量要求的液壓信號，控制接力器的開啟或關閉，從而控制水輪發(fā)電機組。

從水輪發(fā)電機組調(diào)節(jié)工況看，在空載工況下，調(diào)速器調(diào)節(jié)并維持機組頻率在額定頻率附近，在投入頻率跟蹤功能后，能跟蹤電網(wǎng)頻率，使得被控機組盡快同期并入電網(wǎng)運行，進入發(fā)電工況。進入發(fā)電工況后調(diào)速器作為整個電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)器，完成一次調(diào)頻任務。當機組由發(fā)電工況轉(zhuǎn)向空載工況時，調(diào)速器迅速減去負荷，穩(wěn)定機組轉(zhuǎn)速在額定頻率附近。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

步進電機式水輪發(fā)電機組調(diào)速器由電氣控制裝置和機械執(zhí)行機構(gòu)組成。

電氣控制裝置采用貝加萊系列可編程控制器PCC2005，輸出導葉的電氣開度控制信號。電氣控制裝置可根據(jù)用戶要求配置成單機或冗余雙機系統(tǒng)，雙機結(jié)構(gòu)的兩套模塊從輸入至輸出以及電源配置完全相同，且相互獨立，雙機采用冗余熱備方式，在運行過程中，未參與控制的備用通道退出，不影響調(diào)速系統(tǒng)的正常工作?？赏ㄟ^切換把手選擇主/備用通道，采用無擾切換控制方式調(diào)速器的遠方控制和現(xiàn)地控制功能，并有相應接點輸出，能與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)字信號、模擬信號以及開關量輸入/輸出信號的通訊和數(shù)據(jù)交換。

機械執(zhí)行機構(gòu)由電—機轉(zhuǎn)換機構(gòu)、引導閥、主配壓閥、緊急停機電磁閥等組成。電—機轉(zhuǎn)換機構(gòu)是調(diào)速器電氣部分和機械執(zhí)行機構(gòu)連接的關鍵元件，它將電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成為具有一定操作力的位移輸出，并具有斷電自動復中的功能。電—機轉(zhuǎn)換機構(gòu)的位移輸出通過引導閥推動主配壓閥閥芯動作，以實現(xiàn)對水輪發(fā)電機組接力器的控制。主配壓閥具有掉電復中功能，在外部電源意外消失時，主配壓閥閥芯自動回復至中位，不會造成水輪發(fā)電機組運行不穩(wěn)定和出力波動；在出現(xiàn)意外時，通過緊急停機電磁閥控制主配壓閥閥芯向關閉方向動作，以實現(xiàn)緊急停機。

3系統(tǒng)建模

3.1電氣系統(tǒng)建模

調(diào)速器PID調(diào)節(jié)仿真模型中PID控制就是3種基本控制——比例控制(P)、積分控制(I)和微分控制(D)組合而成的一種綜合控制[4]。比例控制實現(xiàn)信號成比例放大的功能，微分控制獲得輸入信號的微分，積分控制獲得輸入信號的積分，三者一般采用并聯(lián)組合方式，即信號相加，所以連續(xù)系統(tǒng)PID控制算法的時域表達式為：

(1)

式中，yPID(t)為PID控制器的輸出信號；KP、KI、KD分別為比例、積分、微分增益；e(t)為輸入的頻率偏差信號。

圖1為步進電機式調(diào)速器電氣系統(tǒng)模型框圖。

圖1　電氣系統(tǒng)模型框圖

3.2機械液壓系統(tǒng)建模

電液隨動系統(tǒng)即液壓執(zhí)行機構(gòu)，其接收調(diào)速器電氣信號，驅(qū)動伺服閥，產(chǎn)生操作力推動導水機構(gòu)，使導葉開大或關小，從而調(diào)整水流流量。電液隨動系統(tǒng)采取兩級放大方式，分別為引導閥—輔助接力器部分(第一級放大)和主配壓閥—主接力器部分(第二級放大)[5]。把兩個部分作為一個整體進行考慮時，通常采用一種被稱為輔助接力器型的典型結(jié)構(gòu)，圖2為步進電機式調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)模型框圖。

圖2　電液隨動系統(tǒng)模型框圖

水輪發(fā)電機組及其引水系統(tǒng)、負荷三者之間存在復雜的水、機、電的聯(lián)系，機組與引水系統(tǒng)可以作為一個整體來研究，稱作機組—引水系統(tǒng)。在發(fā)電狀態(tài)下由于機組轉(zhuǎn)速的波動很小，所以在分析該部分模型時可以忽略機組轉(zhuǎn)速的影響，將其視為常量。

3.3調(diào)速系統(tǒng)建模

下面針對負載運行并入大電網(wǎng)的方式，分析步進電機調(diào)速系統(tǒng)的控制性能，水輪發(fā)電機組選擇軸流式機組，以剛性水擊模型為例進行步進電機式調(diào)速器控制性能仿真，仿真模型如圖3所示。

圖3　步進電機調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

4仿真與分析

自動發(fā)電工況下的調(diào)速器受頻率給定值控制，調(diào)節(jié)器對機頻反饋與頻率給定的差值進行PID運算，調(diào)節(jié)輸出信號帶動機械液壓裝置調(diào)節(jié)導葉開度，直至機組頻率等于給定頻率，從而實現(xiàn)了頻率調(diào)節(jié)[6]。

在控制系統(tǒng)輸入0.1 Hz、0.2 Hz擾動時研究調(diào)速系統(tǒng)的響應曲線，仿真結(jié)果(圖4、圖5) 分析如下：步進電機式水輪發(fā)電機組調(diào)速器在0.1 Hz、0.2 Hz擾動下，系統(tǒng)響應時間為0.1 s，穩(wěn)定時間在10 s以內(nèi)，控制性能良好。

圖4　0.1 Hz擾動下系統(tǒng)響應波形

圖5　0.2 Hz擾動下系統(tǒng)響應波形

5結(jié)語

本文介紹了步進電機調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，詳細描述了其電氣系統(tǒng)、機械液壓系統(tǒng)的構(gòu)成，建立了電氣部分及機械液壓部分的數(shù)學模型，并通過仿真軟件模擬調(diào)速系統(tǒng)的頻率控制過程。仿真試驗表明，步進電機調(diào)速系統(tǒng)的頻率控制性能良好，具有很好的動態(tài)響應及穩(wěn)定性能。本文結(jié)合步進電機調(diào)速系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成，分析了步進電機調(diào)速器的頻率控制性能，對調(diào)速器及其同類產(chǎn)品的設計具有一定的指導意義。

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