代波濤

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

0 引 言

一次調(diào)頻能力及水平是國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的整體運(yùn)行性能的重要考核指標(biāo)。一次調(diào)頻的性能指標(biāo)取決于電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的不等率及遲緩率。其中遲緩率是導(dǎo)致動(dòng)態(tài)特性響應(yīng)延遲、不同幅度轉(zhuǎn)速波動(dòng)，進(jìn)而影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。其計(jì)算、測(cè)取方法復(fù)雜多樣且意見(jiàn)不一?；跀?shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH），研究制定準(zhǔn)確有效的實(shí)際測(cè)定遲緩率方法，對(duì)于抑制、消除電網(wǎng)頻率波動(dòng)，保證電網(wǎng)高效、經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行，滿足國(guó)內(nèi)外用戶的要求，意義重大。

1 電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)遲緩率理論計(jì)算

數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，相比純液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其遲緩率大幅減小。遲緩率計(jì)算包括開(kāi)環(huán)系統(tǒng)及閉環(huán)系統(tǒng)遲緩率計(jì)算方法。電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)遲緩率是產(chǎn)生遲滯環(huán)節(jié)遲緩率的累計(jì)。

在閉環(huán)系統(tǒng)中，積分環(huán)節(jié)的所處位置對(duì)整個(gè)系統(tǒng)遲緩率的影響較大。即電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)遲緩率計(jì)算與其結(jié)構(gòu)、積分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)所處位置密切相關(guān)。調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用積分環(huán)節(jié)，應(yīng)盡量前置積分環(huán)節(jié)，則在其它條件相同時(shí)，系統(tǒng)的靈敏度將提高。

電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的遲緩率及不等率通常用ε、δ表示。產(chǎn)生遲緩率的閥門(mén)位移反饋(LVDT)測(cè)量環(huán)節(jié)、測(cè)速環(huán)節(jié)、滑閥、油動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)及一次調(diào)頻死區(qū)環(huán)節(jié)，一般可用εLVDT、ε測(cè)速、ε滑閥、ε油動(dòng)機(jī)、ε一次調(diào)頻死區(qū)表示。由于伺服功放卡件中的PI控制器積分環(huán)節(jié)的作用，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整體遲緩率僅與LVDT測(cè)量環(huán)節(jié)、測(cè)速環(huán)節(jié)、一次調(diào)頻死區(qū)環(huán)節(jié)的遲緩率相關(guān)，而與位于伺服功放卡PI控制器之后的滑閥和油動(dòng)機(jī)的遲緩率無(wú)關(guān)，用計(jì)算公式表征：

一般情況下，實(shí)測(cè)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)遲緩率時(shí)，暫不考慮一次調(diào)頻死區(qū)環(huán)節(jié)，由此，系統(tǒng)的遲緩率計(jì)算公式簡(jiǎn)化為

測(cè)量元件產(chǎn)生的遲緩率既包括其精度產(chǎn)生遲緩率，也包括其死區(qū)產(chǎn)生遲緩率。用ε測(cè)量環(huán)節(jié)、ε精度、ε卡澀分別代表測(cè)量元件遲緩率、測(cè)量元件中測(cè)量精度及卡澀所產(chǎn)生的遲緩率。用計(jì)算公式表征：

綜合以上因素，電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)遲緩率的計(jì)算公式可表征為[1]

靜態(tài)遲緩率的計(jì)算方法的正確性只能通過(guò)仿真測(cè)試近似地驗(yàn)證，因?yàn)榉抡鏈y(cè)試時(shí)無(wú)法得到絕對(duì)靜態(tài)。而系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)遲緩率，必須充分考量伺服功放卡PI控制器后滑閥死區(qū)及油動(dòng)機(jī)死區(qū)產(chǎn)生的影響。

2 電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)遲緩率的傳統(tǒng)實(shí)測(cè)方法

2.1 純液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線求取遲緩率法

測(cè)定純液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，即并網(wǎng)前的空載試驗(yàn)及并網(wǎng)后的帶載試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定油動(dòng)機(jī)行程與汽輪機(jī)功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，按照四象限圖法[1]可繪制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速n與功率PT的對(duì)應(yīng)曲線（見(jiàn)圖1），確定純液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線，進(jìn)而求得調(diào)節(jié)系統(tǒng)的遲緩率[2]。

1) 并網(wǎng)前的空載試驗(yàn)。

圖1 四象限圖法繪制靜特性

手動(dòng)打開(kāi)調(diào)節(jié)汽閥至某一開(kāi)度，調(diào)節(jié)主汽閥旁路閥或電動(dòng)主汽閥旁路閥開(kāi)度，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速隨其緩慢地開(kāi)大、關(guān)小，緩慢地上升降、下降。調(diào)速器滑環(huán)、油動(dòng)機(jī)隨之動(dòng)作。用n、ΔSx、ΔSz分別表示轉(zhuǎn)速、調(diào)速器滑環(huán)行程和油動(dòng)機(jī)活塞行程，根據(jù)測(cè)取的數(shù)據(jù)即可求得調(diào)速器靜態(tài)特性曲線及中間放大元件靜態(tài)特性曲線。測(cè)試時(shí)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)盡可能保持一段時(shí)間。在預(yù)置的上限、中限和下限閥位需各進(jìn)行一次試驗(yàn)，可使得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)與穩(wěn)定工況下的數(shù)值更接近。

2)并網(wǎng)后帶載試驗(yàn)。

手動(dòng)調(diào)整漸增或漸減汽輪機(jī)功率，用PT、ΔSz分別表示汽輪機(jī)功率、油動(dòng)機(jī)的行程，根據(jù)測(cè)取的數(shù)據(jù)即可求得汽輪機(jī)功率與油動(dòng)機(jī)的行程的關(guān)系曲線。

調(diào)速器靜態(tài)特性、中間放大元件的靜態(tài)特性、油動(dòng)機(jī)活塞和汽輪機(jī)功率的關(guān)系特性曲線確定后，使用四象限圖法即可繪制出汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性曲線（n-PT關(guān)系曲線）。同一開(kāi)度上測(cè)取兩點(diǎn)，多點(diǎn)即可繪成兩條線，其差值表明調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在的遲滯，按照計(jì)算公式可求取調(diào)節(jié)系統(tǒng)的遲緩率[3](見(jiàn)圖2)。

圖2 靜態(tài)特性

轉(zhuǎn)速變化率與調(diào)節(jié)系統(tǒng)遲緩率通常呈正比變動(dòng)趨勢(shì)。為快速完成遲緩率測(cè)試，一般會(huì)加大轉(zhuǎn)速變化率。為使油動(dòng)機(jī)慣性產(chǎn)生的遲緩率測(cè)量偏差小于0.01%，則轉(zhuǎn)速變化率需小于75 r/min（油動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)按0.2 s估算，不等率為0.05），根據(jù)仿真測(cè)算，轉(zhuǎn)速變化率為60 r/min時(shí)，動(dòng)態(tài)對(duì)系統(tǒng)遲緩率的影響僅約為0.012%。

2.2 通過(guò)DEH參數(shù)實(shí)測(cè)試驗(yàn)測(cè)定遲緩率的方法

通過(guò)四象限圖法可繪制出調(diào)節(jié)閥門(mén)行程-轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線（見(jiàn)圖3）。

遲緩率是整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)各控制變量的敏感度的體現(xiàn)。而對(duì)調(diào)速系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)速的遲緩率表征的是：一旦機(jī)組的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，調(diào)節(jié)系統(tǒng)開(kāi)始調(diào)節(jié)時(shí)轉(zhuǎn)速偏差幅度的大小。設(shè)汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速為n0，賦值3000 r/min；轉(zhuǎn)速發(fā)生微小變化時(shí)，偏差的幅度為Δn；調(diào)節(jié)閥門(mén)固定開(kāi)度時(shí)Δn的極值為nε，即在Δn超過(guò)極值nε時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)開(kāi)始響應(yīng)并改變調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的遲緩率可用公式ε=nε/n0表征。

由此可知，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)取轉(zhuǎn)速微小變化的極值，即可對(duì)系統(tǒng)的遲緩率進(jìn)行測(cè)定。機(jī)組在靜止?fàn)顟B(tài)下完成的遲緩率實(shí)測(cè)試驗(yàn)的步驟如下：

1) 切除DEH系統(tǒng)的超速保護(hù)控制（OPC）功能及一次調(diào)頻限制功能，設(shè)定一次調(diào)頻限幅為±100 r/min。

2)施加3000 r/min的轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)至DEH轉(zhuǎn)速測(cè)量模件；施加信號(hào)至DEH開(kāi)關(guān)量輸入模件，模擬并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)；切除協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）；DEH系統(tǒng)投入單閥控制方式。

3) 在DEH系統(tǒng)中將閥位綜合指令設(shè)置為30%，即調(diào)節(jié)閥門(mén)位于低負(fù)荷開(kāi)度。將施加的3000 r/min轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)緩慢降低，模擬電網(wǎng)頻率降低即汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速降低，DEH系統(tǒng)將逐漸開(kāi)大調(diào)節(jié)閥門(mén)增加出力；模擬轉(zhuǎn)速降低到2900 r/min時(shí)，保持30 s。調(diào)整施加的轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)，緩慢將轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)恢復(fù)到3000 r/min。

圖3 ΔSx - n對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線

4) 在DEH系統(tǒng)中將閥位綜合指令設(shè)置為90%，即調(diào)節(jié)閥門(mén)位于低負(fù)荷開(kāi)度。將施加的3000 r/min轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)緩慢提升，模擬電網(wǎng)頻率升高即機(jī)組轉(zhuǎn)速的增加，DEH系統(tǒng)將逐漸關(guān)小調(diào)節(jié)閥門(mén)減少出力；轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)提升至3100 r/min時(shí)，保持30 s。調(diào)整施加的轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)，緩慢將轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)恢復(fù)到3000 r/min。

使用高速記錄儀實(shí)時(shí)采集、記錄試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)、綜合閥位輸出、各調(diào)節(jié)閥門(mén)位于反饋等信號(hào)的變化過(guò)程，可繪制轉(zhuǎn)速上升、下降全程調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度-對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速變化的ΔSx-n關(guān)系曲線。將某一調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度位置對(duì)應(yīng)的上升轉(zhuǎn)速和下降轉(zhuǎn)速值取差即為Δn。選取足夠數(shù)量的位置進(jìn)行取差即可求得nε=max（Δn），進(jìn)而得到最接近實(shí)際數(shù)值的遲緩率ε[4]。

上述傳統(tǒng)的求遲緩率的方法適用于純液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也適用于電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)。雖然傳統(tǒng)的方法能夠求得調(diào)節(jié)系統(tǒng)不等率及多個(gè)特征值，但其試驗(yàn)過(guò)程、方法比較繁瑣、復(fù)雜。此外，維持系統(tǒng)在理想靜態(tài)中幾乎是不可能的，即動(dòng)態(tài)對(duì)系統(tǒng)遲緩率的影響無(wú)法擺脫[5]。

3 頻率擾動(dòng)檢測(cè)靜態(tài)遲緩率方法

通過(guò)深入研究國(guó)外電廠不同的遲緩率測(cè)量方法及思路，可以確定施加微小速度階躍擾動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)遲緩率檢測(cè)是非常有效測(cè)量的方法。根據(jù)上述靜態(tài)遲緩率理論計(jì)算及傳統(tǒng)實(shí)測(cè)方法可知，實(shí)際調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)遲緩率的測(cè)量在純轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式下即可，亦即微小速度階躍擾動(dòng)可在DEH系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測(cè)量輸入端即轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)施加，如圖4所示。

圖4 頻率擾動(dòng)檢測(cè)靜態(tài)遲緩率

當(dāng)速度階躍擾動(dòng)Δf＜Δn時(shí)，油動(dòng)機(jī)將不會(huì)有明顯的動(dòng)作；當(dāng)此速度階躍擾動(dòng)Δf＞Δn時(shí)，油動(dòng)機(jī)動(dòng)作明顯。據(jù)此現(xiàn)象及特性，可對(duì)實(shí)際調(diào)節(jié)系統(tǒng)遲緩率實(shí)施在線檢測(cè)，確定實(shí)測(cè)的系統(tǒng)遲緩率是否滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，也可對(duì)理論分析求得的系統(tǒng)遲緩率進(jìn)行核驗(yàn)。分析可知，此時(shí)測(cè)得的系統(tǒng)靜態(tài)遲緩率僅與測(cè)速環(huán)節(jié)有關(guān)，與LVDT、伺服功放卡件PI參數(shù)、滑閥及油動(dòng)機(jī)死區(qū)無(wú)關(guān)。

根據(jù)圖4中的模型[6]進(jìn)行測(cè)試，頻率擾動(dòng)試驗(yàn)時(shí)要求模擬頻率躍變不大于Δf=20 mHz赫茲。圖5為頻率躍變擾動(dòng)信號(hào)。

圖5 靜態(tài)遲緩率檢測(cè)擾動(dòng)頻率信號(hào)

根據(jù)表1設(shè)定產(chǎn)生遲緩率的環(huán)節(jié)及測(cè)量精度的參數(shù)，并按照前述遲緩率公式進(jìn)行計(jì)算，得到遲緩 率 為0.045%，測(cè)速環(huán)節(jié)引起的遲緩率僅為0.0333%。

表1 試驗(yàn)參數(shù)說(shuō)明及設(shè)定

按以下步驟進(jìn)行頻率擾動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)：頻率躍變?yōu)?.0300%，從圖6可清晰觀察到油動(dòng)機(jī)位移輸出狀態(tài)；頻率躍變?yōu)?.0301%時(shí)，從圖7可清晰觀察到油動(dòng)機(jī)位移輸出狀態(tài)。據(jù)上述試驗(yàn)，能夠確定此時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)遲緩率為0.03%。

4 結(jié) 論

1) 施加微小速度階躍擾動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)遲緩率的檢測(cè)是擺脫動(dòng)態(tài)對(duì)系統(tǒng)遲緩率影響的有效測(cè)量方法。

2) 檢測(cè)得到的系統(tǒng)靜態(tài)遲緩率僅與測(cè)速環(huán)節(jié)有關(guān)，與LVDT、伺服板卡PI 參數(shù)、滑閥和油動(dòng)機(jī)死區(qū)無(wú)關(guān)，由此測(cè)得的系統(tǒng)遲緩率最小。

3) 為調(diào)節(jié)系統(tǒng)遲緩率在線實(shí)際檢測(cè)提供了解決方案。此外，也為理論分析求得的系統(tǒng)遲緩率提供了核驗(yàn)的途徑。

圖6 靜態(tài)遲緩率頻率擾動(dòng)檢測(cè)1

圖7 靜態(tài)遲緩率頻率擾動(dòng)檢測(cè)2