孔昭年，周同旭，田忠祿，張曉峰，尤永陶，熊曉蕾，程廣蕾，王柏柏，郭珺瑤

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100044；2.天津電氣科學研究院有限公司，天津 300186；3.中國電力工程有限公司，北京 100044)

調(diào)速器配壓閥非線性特性對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性的影響

孔昭年1，周同旭2，田忠祿1，張曉峰3，尤永陶3，熊曉蕾2，程廣蕾2，王柏柏2，郭珺瑤2

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100044；2.天津電氣科學研究院有限公司，天津 300186；3.中國電力工程有限公司，北京 100044)

在引水系統(tǒng)中具有調(diào)壓井、計入水輪機非線性特性、緩沖型PID調(diào)節(jié)器的條件下，對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)開展仿真特性分析，重點研究了表征配壓閥-接力器非線性特性參數(shù)Ke的影響；明確提出調(diào)速器配壓閥飽和特性Ke是一個表征配壓閥-接力器特性的重要指標性參數(shù)，當配壓閥位移超過此值時調(diào)速器就處于嚴重的非線性狀態(tài)。

調(diào)壓井；水輪機非線性特性；PID調(diào)節(jié)器；配壓閥；飽和特性

在國家能源局“替代調(diào)壓井的新型調(diào)壓閥及其控制系統(tǒng)研究與電站示范應用”科技項目的安排下，中國水利水電科學研究院與天津電氣科學研究院有限公司合作開發(fā)了基于Simulink的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)通用仿真程序。本文利用該程序?qū)λ啓C調(diào)速器配壓閥非線性特性對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性的影響開展計算分析。

本文仍采用文獻[1,2]給出的表征、計算分析水輪機非線性特性的方法：

右端四個矩陣及水輪機流量和力矩的特性矩陣應在仿真數(shù)據(jù)準備階段根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表1求得，對于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機對應每個定槳特性相類地求取水輪機流量和力矩的特性矩陣；在實時仿真的主程序段，只要已知某一時刻的x11t和at就可很快計算出該時間的單位流量和單位力矩：

計算的水電站引水管道帶有調(diào)壓井，帶調(diào)壓井的引水系統(tǒng)數(shù)學模型為：

式中：

計算配壓閥特性時水輪機、引水系統(tǒng)、發(fā)電機、甚至初始條件及調(diào)速器均取完全相同的參數(shù)，這樣在一個完全一樣的平臺上進行分析配壓閥的特性，才能得出明確的結(jié)論。觀察下頁圖1：該圖為水輪機調(diào)速器部分，圖中取緩沖型調(diào)速器，在調(diào)速器部分共有五個非線性環(huán)節(jié)：環(huán)節(jié)2、5表征調(diào)節(jié)器，接力器輸出控制在0～1.0；環(huán)節(jié)3表征緩沖回路輸出限幅，通常值為-0.2～0,2。

圖1 水輪機自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

環(huán)節(jié)1、4是本文提出的水輪機調(diào)速器引導閥、主配壓閥的非線性，它是典型的飽和型非線性。圖2顯示的是未標示主配壓閥死區(qū)的配壓閥的速度特性，圖2中：——接力器活塞運動速度；Sf、Sg——主配壓閥關(guān)、開整定行程；Sf0、Sg0——主配壓閥設(shè)計行程；Sz——無反饋時的控制閥輸入信號；Tg、Tf——開關(guān)機整定時間，他們是由機組發(fā)電安全決定的參數(shù)，沒有可調(diào)整的可能；Ty——接力器響應時間常數(shù)，它由配壓閥設(shè)計及開環(huán)放大倍數(shù)決定，有一點的調(diào)整空間，當它過小時，會引發(fā)液壓系統(tǒng)的震蕩，甚至不穩(wěn)定。

通常整定導葉開啟時間與關(guān)閉時間相等Tf=Tg，其值通常為4～10 s；水輪機接力器時間常數(shù)Ty，值通常為0.1～0.4 s。定義Ke=Ty/Tf，配壓閥的飽和系數(shù)，如前述其值通常為0.01～0.05，可見水輪機調(diào)速器配壓閥的飽和特性是非常嚴重的。

圖2 配壓閥的速度特性(未標示主配壓閥死區(qū))

為能說明水輪機調(diào)速器配壓閥非線性特性對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，取某混流式水輪機作為算例，有單位流量特性和水輪機單位力矩特性（見表1）；電站主要參數(shù)：Tw1=3.9 s；Tw2=1.1s；a1=0.046；a2=0.056；Te=345.8 s；Ta=4.5 s；調(diào)速器參數(shù)：Td=5 s，bt=0.4，Tn=0.4 s，Tg=5 s，Tf=5 s。

表1 某型號水輪機流量、力矩特性矩陣

Ty，Ty1分別表示引導閥控制系統(tǒng)和主配壓閥-主接力器隨動系統(tǒng)時間常數(shù)。計算水輪發(fā)電機組由負荷70%突增10%，Ty：0.01、0.1、0.15、0.3和Ty1: 0.01、0.15、0.3；計算水輪機自動控制系統(tǒng)接力器的過渡過程。計算結(jié)果分別載于圖3 a)、b)、c)、d)，計16條過渡過程曲線。計算可歸納如下結(jié)果：

（1）由于計算取完全一致的數(shù)學模型、初始條件和計算步長等，這16條過渡過程曲線最后穩(wěn)態(tài)趨勢也相同，由于電站引水系統(tǒng)帶有調(diào)壓井導葉接力器最后進入穩(wěn)定的低頻振蕩；

a)

b)

c)

圖3 配壓閥特性對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程的影響

表2 Ke對過渡過程波峰值的影響（相對于0.76）的超調(diào)量

（2）見表2，隨著ke、ke1的增大一個穩(wěn)定系統(tǒng)過渡過程由均單調(diào)過程變成震蕩過程，而且震蕩加劇，超調(diào)量大幅增大；ke=ke1=0.002時，調(diào)速器近于繼電器特性，由圖3a)及表1可見：過渡過程由單調(diào)過程，隨著僅Ty(ke)的增大到0.06，波峰值由-0.005增大到0.009；

（3）當ke=ke1=0.002，相等的增大到0.06時，超調(diào)量急劇增大到0.02；

（4）為進一步詳化起見，在圖4上載有當引導閥和主配壓閥分別近于理想環(huán)節(jié)時水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程?？梢钥闯觯寒攲~關(guān)閉時間設(shè)置在主配壓閥處時（Tf1=5）的速動性高于設(shè)置在引導閥處（Tf=5）時的速動性；

圖4 配壓閥-接力器特性對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程的影響

（5）應強調(diào)Tf是機組調(diào)節(jié)保證條件確定的參數(shù)值，它不能如穩(wěn)定參數(shù)那樣可進行廣泛的調(diào)整，而Ty是設(shè)計參數(shù)有相當大的調(diào)整范圍，在電站調(diào)試時要認真整定防止形成附加震蕩；作為原則不必追求死區(qū)的減小，防止形成震蕩；

（6）由計算可以看出調(diào)速器配壓閥飽和特性ke是一個表征配壓閥-接力器特性的重要指標性參數(shù)，當配壓閥位移超過此值時調(diào)速器就處于嚴重的非線性狀態(tài)，作為一般度量，取0.01～0.03表征線性區(qū)這一指標是合適的。

[1]孔昭年.水輪機控制系統(tǒng)的設(shè)計與計算[M].武漢：長江出版社，2012.

[2]DL/T1120-2009水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動測試及實時仿真裝置技術(shù)條件[S].

[3]DL/T 1548-2016水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計與應用導則[S].

TV734

A

1672-5387（2017）08-0001-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.001

2017-05-16

孔昭年（1941-），男，教授級高級工程師，從事水輪機控制技術(shù)研究工作。