改進水輪發(fā)電機組甩負(fù)荷過程中調(diào)速器的控制性能

簡介： 本文從國際電工委員會IEC61362(1998)“水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程”中對水輪發(fā)電機組甩100%額定負(fù)荷后動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)分析入手，運用MATLAB語言及SIMULINK對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)甩負(fù)荷過程建模并進行仿真計算，分析了水輪機調(diào)速器典型結(jié) 構(gòu)、調(diào)節(jié)參數(shù)和控制方式對控制性能影響。結(jié)果表明：在調(diào)速器中引入適當(dāng)?shù)姆蔷€性控制環(huán) 節(jié)，能夠很好地解決大波動到小波動過程的平穩(wěn)過渡，從而使甩負(fù)荷過程性能指標(biāo)顯著提高；非線性與線性水輪機模型甩負(fù)荷仿真曲線的變化趨勢相近，因而線性水輪機模型仿真結(jié) 果具有代表性。
關(guān)鍵字：水輪發(fā)電機組甩負(fù)荷性能指標(biāo) 非線性控制

在水電站中甩負(fù)荷是一種常見的現(xiàn)象。水輪發(fā)電機組發(fā)生甩負(fù)荷后，巨大的剩余能量使機組轉(zhuǎn)速上升很快，調(diào)速器迅速關(guān)閉導(dǎo)葉并經(jīng)過一段時間的調(diào)整，重新穩(wěn)定在空載工況下運行。在甩負(fù)荷過程中，除了調(diào)節(jié)保證計算所關(guān)心的最大轉(zhuǎn)速上升值和最大水擊壓力上升值外，還要對甩負(fù)荷動態(tài)過程品質(zhì)指標(biāo)的優(yōu)劣進行考核。

我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9652.1—1997“水輪機調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件”［2］和國際電工委員會IEC61362(1998)“水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程”［1］中對水輪發(fā)電機組甩100%額定負(fù)荷后動態(tài)品質(zhì)均有規(guī)定，其中IEC規(guī)定如下：①調(diào)節(jié)時間tE—從甩負(fù)荷開始到進入空載轉(zhuǎn)速的相對偏差小于±1%為止的時間；②最高轉(zhuǎn)速nmax—甩負(fù)荷后的最大轉(zhuǎn)速(在tm時刻)；③最底轉(zhuǎn)速nmin—甩負(fù)荷后的最小轉(zhuǎn)速；④推薦值—tE/tM=2.5～4.0(對于轉(zhuǎn)速自由緩慢下降的水斗式機組和高水頭混流式水輪機，其數(shù)值可達(dá)15)，nmin/nr＝0.85～0.95(僅適用于與電網(wǎng)解列后提供廠用電的機組)，如圖1所示。

圖1 甩負(fù)荷過程曲線

為了討論問題方便起見，本文將調(diào)節(jié)時間tE分解為轉(zhuǎn)速上升時間tM、轉(zhuǎn)速下降時間tD、轉(zhuǎn)速調(diào)整時間tR三部分之和，即tE=tM+tD+tR。?

1 甩負(fù)荷動態(tài)過程的品質(zhì)指標(biāo)分析

1.1 轉(zhuǎn)速上升時間(tM) 機組甩100%額定負(fù)荷后，由于剩余能量巨大，轉(zhuǎn)速上升很快。正常情況下，調(diào)速器以最大速度關(guān)閉導(dǎo)葉到零開度，轉(zhuǎn)速上升時間tM=tc+tn，其中：tc為調(diào)速器遲滯時間，取決于調(diào)速器的死區(qū)大小、機組轉(zhuǎn)速的上升速率以及運行工況等，調(diào)速器在非限制條件下，tc一般大約在0.2s～0.3s。

tn為調(diào)保計算中的升速時間，被定義為自導(dǎo)葉開始動作到最大轉(zhuǎn)速所經(jīng)歷的時間。升速時間tn與取決于水輪機主動力矩和機組慣性力矩之比，即與機組特性有關(guān)。采用比轉(zhuǎn)速(ns)統(tǒng)計法有：tn=τn·T′s，τn為相對升速時間，τn=0.9-0.00063·ns［5］?？梢钥闯?，相對升速時間τn隨比轉(zhuǎn)速的增加而減少，即低比轉(zhuǎn)速、高水頭水輪機相對升速時間大，高比轉(zhuǎn)速、低水頭水輪機相對升速時間小。T′s為導(dǎo)葉直線關(guān)閉時間。

由于遲滯時間tc較升速時間tn小得多，一般情況下，可將轉(zhuǎn)速上升時間tM等同于調(diào)保計算中的升速時間tn看待。根據(jù)統(tǒng)計資料大多機組的tM=(2～6)s［３］。

1.2 轉(zhuǎn)速下降時間(tD) 它表示機組甩負(fù)荷后，導(dǎo)葉直線關(guān)閉到零并一直保持到零開度(相當(dāng)于機組緊急停機)情況下，自最高轉(zhuǎn)速下降到空載轉(zhuǎn)速區(qū)域為止的時間，或稱為最快轉(zhuǎn)速下降時間。在最高轉(zhuǎn)速之前，機組處于水輪機工況，之后，進入制動和反水泵工況，轉(zhuǎn)輪區(qū)的水起阻力作用，再加上機械摩擦阻力矩及電磁阻力矩等，機組轉(zhuǎn)速開始下降。

轉(zhuǎn)速下降時間tD大小取決于水輪機阻力矩和機組慣性力矩之比。當(dāng)水輪機力矩特性近似為線性時，水力降速阻力矩與升速主動力矩基本對稱(如一些可逆式水泵水輪機)，并且導(dǎo)葉關(guān)閉不受限制時，tD≈tM。但由于導(dǎo)葉開度只能關(guān)閉到零位，水對轉(zhuǎn)輪的阻力作用受到限制，轉(zhuǎn)速下降減緩，因此tD＞tM。對于低水頭、大流量、高比速的水輪機，空載開度較大，在甩負(fù)荷過程中，水力升速主動力矩作用時間縮短，水力降速阻力矩作用時間延長。同時由于機組尺寸大、機械摩擦阻力矩亦較大。因而，相對升速時間τn較小。相反，對于高水頭、小流量、低比速的水輪機，空載開度較小，水力降速阻力矩作用時間遠(yuǎn)小于升速主動力矩作用時間，再加上尺寸小、機械摩擦阻力矩較小，相對升速時間τn較大，此時tDtM。

由于轉(zhuǎn)速進入大波動范圍，主配壓閥限幅限制了主接力器的關(guān)閉與開啟速度，主接力器限幅限制了調(diào)速器對水輪機的控制能力的發(fā)揮等等。可把甩負(fù)荷過程劃分為大波動和小波動兩個階段分別對待。大波動過渡過程階段(轉(zhuǎn)速上升時間tM和轉(zhuǎn)速下降時間tD時段內(nèi))與調(diào)節(jié)保證計算結(jié)果有關(guān)，而與調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制性能無關(guān)，這一階段只要求調(diào)速器能正常關(guān)閉和開啟。轉(zhuǎn)速從大波動到小波動的過渡階段、以及進入到小波動階段，甩負(fù)荷過程的動態(tài)品質(zhì)才取決于調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制性能。

1.3 轉(zhuǎn)速調(diào)整時間(tR) 轉(zhuǎn)速調(diào)整時間tR是指轉(zhuǎn)速以最快速率第一次下降到進入空載區(qū)域開始到最終進入空載穩(wěn)定區(qū)域所經(jīng)歷的時間。理想情況是當(dāng)轉(zhuǎn)速以最快速度下降到空載轉(zhuǎn)速區(qū)域時，迅速打開導(dǎo)葉到空載開度，使轉(zhuǎn)速不再超出空載穩(wěn)定區(qū)域，此時tR=0。但是，導(dǎo)葉從全關(guān)位置開大到空載開度需要一定的時間，在導(dǎo)葉打開的過程中，轉(zhuǎn)速將繼續(xù)下降，轉(zhuǎn)速必然存在超調(diào)現(xiàn)象，即nmin/nr<1，并隨著打開時間越長，超調(diào)量越大。實際上可能達(dá)到的最佳情況是當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到接近空載轉(zhuǎn)速時，提前以設(shè)定的最大速度即以最短時間打開導(dǎo)葉，并在導(dǎo)葉開到空載開度時，轉(zhuǎn)速也正好進入空載轉(zhuǎn)速區(qū)域。此時，nmin/nr≈1，轉(zhuǎn)速調(diào)整時間t?R最小。如果調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制性能不佳，或調(diào)節(jié)參數(shù)選擇不當(dāng)，導(dǎo)葉過晚打開或打開速度較慢，超調(diào)量很大；導(dǎo)葉過早打開，甚至在機組甩負(fù)荷后導(dǎo)葉就根本不能關(guān)到零，轉(zhuǎn)速下降速度緩慢，轉(zhuǎn)速調(diào)整時間tR勢必延長。

2 甩負(fù)荷過程的仿真計算

近年來，雖然自適應(yīng)控制、模糊控制技術(shù)等在水輪機控制系統(tǒng)得到一定范圍的應(yīng)用。但目前已投入運行絕大多數(shù)調(diào)速器仍采用傳統(tǒng)的?PID?控制方式，由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、易實現(xiàn)等優(yōu)點。只要結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇得當(dāng)，在某種程度上可達(dá)到最優(yōu)控制，具有良好的控制性能。

2.1 機組甩100%額定負(fù)荷過渡過程模型以下選取輔助接力器型(串聯(lián)?PID?結(jié)構(gòu))和電子調(diào)節(jié)器型(并聯(lián)PID結(jié)構(gòu))兩種較為典型結(jié)構(gòu)的調(diào)速器［5］，采用目前國際上流行的科學(xué)與工程計算軟件MATLAB語言編程和SIMULINK可視化圖形模塊對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)甩負(fù)荷過程建模，并進行仿真計算，研究改進調(diào)速器控制性能的方法和途徑。

圖2 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)甩負(fù)荷過程模型

圖2為水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)甩負(fù)荷過程模型，其中G?r(s)為調(diào)速器功能模塊，Gt(s)+Gg(s)為調(diào)節(jié)對象(水輪發(fā)電機組)功能模塊。調(diào)速器中的各環(huán)節(jié)采用非線性模型，其中：bp=6.0%，第一級液壓放大時間常數(shù)Tyb=0.01s，第二級液壓放大時間常數(shù)Ty=0.1s，空載開度Ty=30%，直線關(guān)閉時間T′s=4.0s。在調(diào)節(jié)對象功能模塊中，水輪機為混流式線性模型、引水系統(tǒng)為單元引水剛性水擊模型、發(fā)電機為單機電網(wǎng)模型，其參數(shù)分別為：eg=0，ey=1.0,ex=-1.0，eh=1.5，eqy=1.0，eqx=-01，eqh=0.5，Tw=1.0s，Ta=5.0s。

圖3 控制方式及調(diào)節(jié)參數(shù)變化時的甩負(fù)荷過程仿真曲線

2.2 調(diào)速器特性對甩負(fù)荷過渡過程影響圖3為機組甩100%額定負(fù)荷仿真曲線。

①從框圖結(jié)構(gòu)上看，輔助接力器型和電子調(diào)節(jié)器型在對應(yīng)等效的調(diào)節(jié)參數(shù)情況下，其甩負(fù)荷過程曲線形態(tài)接近，說明并聯(lián)?PID結(jié)構(gòu)與串聯(lián)PID?結(jié)構(gòu)控制效果相差不大。

②從調(diào)節(jié)參數(shù)的影響看，隨著調(diào)節(jié)參數(shù)bt、Td增大，機組開度開啟時刻提前，且開啟速度放慢，調(diào)整時間tR延長，超調(diào)量減小。對于轉(zhuǎn)速有超調(diào)而未超出空載轉(zhuǎn)速的規(guī)定偏差范圍，調(diào)整時間t?R可能縮短。微分時間Tn減小，機組開度開啟時刻推后，且開啟速度放慢，導(dǎo)致超調(diào)增大。

③從控制方式看，開度給定只從調(diào)差環(huán)節(jié)輸入圖3(a)與開度給定從調(diào)差環(huán)節(jié)和軟反饋同時輸入圖3(b)相比較，在相同的調(diào)節(jié)參數(shù)情況下，后者機組開度會關(guān)的更小，能使轉(zhuǎn)速更快下降，而且過渡過程受調(diào)節(jié)參數(shù)的變化影響較小，均存在一定的超調(diào)。另外，開度給定只從調(diào)差環(huán)節(jié)輸入圖3(a)與按開度改變軟反饋系數(shù)方式圖3(c)相比較，后者機組開度的開啟速度始終保持最大，并不受調(diào)節(jié)參數(shù)的影響，其中在第二組參數(shù)下，接近最佳的過渡過程，是一種較為理想的情況。從圖3還可以看出，在推薦最佳調(diào)節(jié)參數(shù)(第一組參數(shù))下，過渡過程較好，且在不同的控制方式下相差不大，都存在一定的超調(diào)

2.3 調(diào)節(jié)對象特性對甩負(fù)荷過渡過程影響圖4是采用輔助接力器型調(diào)速器得出了一組仿真曲線。圖4(a)中分別取Tw=1.0s、1.5s、2.0s，相應(yīng)的取Ta=5·Tw，T′s=4·Tw，bt=3·Tw/Ta，Td=2·Tw,Tn=1·Tw。從結(jié)果中可以看出，最大的轉(zhuǎn)速上升值0.40、最大壓力上升值0.36保持不變，最小值也保持不變，各特征點值發(fā)生的時間與Tw的大小成比例，或者說如果以t/Tw為橫坐標(biāo)，三條曲線將重合為一條曲線。在電站設(shè)計中，當(dāng)水流慣性時間常數(shù)Tw確定后，根據(jù)水擊壓力上升允許值可計算出導(dǎo)葉直線關(guān)閉時間T′s。當(dāng)T′s選定后，根據(jù)轉(zhuǎn)速上升允許值可計算出機組慣性時間常數(shù)Ta，并按推薦公式求出調(diào)節(jié)參數(shù)。水流慣性時間常數(shù)Tw不但集中體現(xiàn)了調(diào)節(jié)對象特性，而且最佳調(diào)節(jié)參數(shù)也取決水流慣性時間常數(shù)Tw，所以，Tw決定了水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)過程形態(tài)和調(diào)節(jié)時間的長短。

在圖4(b)中分別取Tw=1.0s、1.5s、2.0s，保持Ta=50s不變，相應(yīng)的取Ta=5·Tw，T′s=4·Tw,bt=3·Tw/Ta,Td=2·Tw,Tn=1·Tw。從結(jié)果中可以看出，壓力上升最大值0.36保持不變，但此時轉(zhuǎn)速上升最大值及出現(xiàn)的時刻不相同，這說明在保持水擊壓力不變(Tw/T′s等于定值)前提下，轉(zhuǎn)速上升最大值隨Tw/Ta的增大而增大，而其相對升速時間τn=tn/T′s隨之減小。這相當(dāng)于水頭接近、機組型號相同，而引水管道不同的情況。對于小容量機組而言，在選型設(shè)計中往往套用一些已建成類似電站的機組，但一般應(yīng)使新建電站的Tw/Ta不超過老電站Tw/Ta為原則，而對大容量機組來說，其結(jié)果將導(dǎo)致電站投資的增大。

圖4 調(diào)節(jié)對象參數(shù)變化時的甩負(fù)荷過程仿真曲線

由以上分析中可見，影響機組甩負(fù)荷過渡過程因素存在有一定的相互聯(lián)系，圖4(a)條件符合大部分電站情況。

2.4 線性與非線性水輪機模型對仿真結(jié)果的影響圖5仿真曲線是采用非線性水輪機模型［6］HL160的力矩特性M′1=f1(a,n′1)與流量特性Q′1m=f2(a,n′1)，和線性水輪機模型得到的。此時，引水系統(tǒng)采用單元引水彈性水擊模型。可以看出，線性與非線性水輪機模型得到的甩負(fù)荷過程仿真曲線存在一定的差異，主要表現(xiàn)在以下兩方面：

①二者轉(zhuǎn)速峰值發(fā)生的時間不同。這是因為在線性水輪機模型中的力矩特性在整個甩負(fù)荷過程中不變，轉(zhuǎn)速峰值發(fā)生在水輪機力矩等于零時刻，即mt=ey·(y-yk)+ex·X+eh·h=0。而非線性水輪機模型中的力矩特性在甩負(fù)荷過程中是變化的，轉(zhuǎn)速峰值也發(fā)生在水輪機力矩等于零時刻，即M′1=f1(a,n′1)=0。其轉(zhuǎn)速峰值比線性模型超前，對應(yīng)的開度大于空載開度，與實際情況比較接近。

②二者壓力變化曲線不同。同理，線性模型中的流量特性在甩負(fù)荷過程中是不變的，而非線性模型中的流量特性則是變化的，從而造成壓力變化曲線不同。特別是在導(dǎo)葉處于全關(guān)位置時，非線性模型中的壓力曲線出現(xiàn)了振蕩。這是由于在非線性模型中，當(dāng)導(dǎo)葉開度為零時，水輪機流量等于零，引水管道中壓力將產(chǎn)生振蕩，振蕩周期與彈性水擊模型中的水擊相長tr=2L/a成比例。而線性模型中的流量特性q=eqy·(y-yk)+eqx·X+eqh·h在導(dǎo)葉開度為零時，流量q并不一定為零，并且還隨轉(zhuǎn)速x、水頭h變化，相當(dāng)于導(dǎo)葉開度不為零的情況，水輪機轉(zhuǎn)輪在整個引水管道中起阻尼作用，吸收管道內(nèi)的能量，因而不會產(chǎn)生壓力振蕩。

圖5 線性與非線性水輪機模型的甩負(fù)荷過程仿真曲線

水輪機在甩負(fù)荷過程中，一般要經(jīng)歷水輪機工程、制動工況及反水泵工況。目前僅有極少數(shù)水輪機有全特性曲線，而綜合特性曲線僅反映水輪機工況。采用水輪機特性預(yù)估的方法可以計算出水輪機的力矩特性和流量特性，但其結(jié)果僅在高效率區(qū)與實驗特性曲線相近，高效率區(qū)之外存在缺陷。水輪機的高效率區(qū)特性具有一定的變化規(guī)律，不同水輪機的非線性模型在高效率區(qū)之外則存在較大差異，不易掌握其規(guī)律性，在研究調(diào)速器控制性能時，希望排除其他不確定因素。從圖5可以看出，在調(diào)速器控制方式、調(diào)節(jié)參數(shù)等條件相同的條件下，非線性水輪機模型在高效率工況(水輪機工況)與線性水輪機模型仿真曲線變化趨勢基本一致。因此，用線性水輪機模型來研究機組甩負(fù)荷過程中的調(diào)速器控制性能所得到的結(jié)果具有代表性。

3 結(jié)語

綜合以上分析得出以下結(jié)論，

①甩負(fù)荷過程應(yīng)劃分為大波動和小波動兩個階段分別對待，大波動過程僅取決于調(diào)節(jié)對象特性，而與調(diào)速器的控制特性關(guān)系不大，因此甩負(fù)荷過程中轉(zhuǎn)速上升時間(tM)和轉(zhuǎn)速下降時間(tD)與調(diào)速器的控制特性關(guān)系不大。小波動過程除了與調(diào)節(jié)對象有關(guān)外，與調(diào)速器的控制特性密切相關(guān)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)整時間(tR)和超調(diào)量(1-nmin/nr)與調(diào)速器的控制特性密切相關(guān)；

②調(diào)節(jié)參數(shù)對甩負(fù)荷過程影響較大，在推薦的最佳調(diào)節(jié)參數(shù)條件下，甩負(fù)荷過渡過程較好。但由于在常規(guī)控制方式情況下不能解決導(dǎo)葉開啟時刻與開啟速度之間的矛盾，因此很難達(dá)到較為滿意的結(jié)果；

③開度給定從調(diào)差環(huán)節(jié)和軟反饋同時輸入的甩負(fù)荷過程受調(diào)節(jié)參數(shù)的變化影響較小。由于電站現(xiàn)場試驗次數(shù)有限，很難整定出最佳參數(shù)，該控制方式對參數(shù)變化具有很好的適應(yīng)性。

④采用按開度改變軟反饋系數(shù)控制方式，結(jié)合常規(guī)調(diào)節(jié)參數(shù)整定，很好地解決了由大波動過程到小波動過程的平穩(wěn)過渡，由于其算法簡單易實現(xiàn)，在實際電站的應(yīng)用中取得了良好的效果。

⑤用線性水輪機模型代替非線性水輪機模型研究甩負(fù)荷過程中的調(diào)速器控制性能所得到的結(jié)果具有代表性。