改進水輪發(fā)電機組甩負荷過程中調(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)技術規(guī)程”中對水輪發(fā)電機組甩100%額定負荷后動態(tài)品質(zhì)指標分析入手，運用MATLAB語言及SIMULINK對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)甩負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、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?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，從而使甩負荷過程性能指標顯著提高；非線性與線性水輪機模型甩負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。
關鍵字：水輪發(fā)電機組甩負荷性能指標非線性控制

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

我國國家標準GB/T 9652.1—1997“水輪機調(diào)速器與油壓裝置技術條件”［2］和國際電工委員會IEC61362(1998)“水輪機控制系統(tǒng)技術規(guī)程”［1］中對水輪發(fā)電機組甩100%額定負荷后動態(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—甩負荷后的最大轉(zhuǎn)速(在tm時刻)；③最底轉(zhuǎn)速nmin—甩負荷后的最小轉(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 甩負荷動態(tài)過程的品質(zhì)指標分析

1.1 轉(zhuǎn)速上升時間(tM) 機組甩100%額定負荷后，由于剩余能量巨大，轉(zhuǎn)速上升很快。正常情況下，調(diào)速器以最大速度關閉導葉到零開度，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。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］。可以看出，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為導葉直線關閉時間。

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) 它表示機組甩負荷后，導葉直線關閉到零并一直保持到零開度(相當于機組緊急停機)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)，并且導葉關閉不受限制時，tD≈tM。但由于導葉開度只能關閉到零位，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，而與調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制性能無關，這一階段只要求調(diào)速器能正常關閉和開啟。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，導葉從全關位置開大到空載開度需要一定的時間，在導葉打開的過程中，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。實際上可能達到的最佳情況是當轉(zhuǎn)速下降到接近空載轉(zhuǎn)速時，提前以設定的最大速度即以最短時間打開導葉，并在導葉開到空載開度時，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，導葉過晚打開或打開速度較慢，超調(diào)量很大；導葉過早打開，甚至在機組甩負荷后導葉就根本不能關到零，轉(zhuǎn)速下降速度緩慢，轉(zhuǎn)速調(diào)整時間tR勢必延長。

2 甩負荷過程的仿真計算

近年來，雖然自適應控制、模糊控制技術等在水輪機控制系統(tǒng)得到一定范圍的應用。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)構簡單、魯棒性好、易實現(xiàn)等優(yōu)點。只要結(jié)構和參數(shù)選擇得當，在某種程度上可達到最優(yōu)控制，具有良好的控制性能。

2.1 機組甩100%額定負荷過渡過程模型以下選取輔助接力器型(串聯(lián)?PID?結(jié)構)和電子調(diào)節(jié)器型(并聯(lián)PID結(jié)構)兩種較為典型結(jié)構的調(diào)速器［5］，采用目前國際上流行的科學與工程計算軟件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)甩負荷過程模型

圖2為水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)甩負荷過程模型，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)變化時的甩負荷過程仿真曲線

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

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

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，三條曲線將重合為一條曲線。在電站設計中，當水流慣性時間常數(shù)Tw確定后，根據(jù)水擊壓力上升允許值可計算出導葉直線關閉時間T′s。當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，在選型設計中往往套用一些已建成類似電站的機組，但一般應使新建電站的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)變化時的甩負荷過程仿真曲線

由以上分析中可見，影響機組甩負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?？梢钥闯觯€性與非線性水輪機模型得到的甩負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。特別是在導葉處于全關位置時，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，當導葉開度為零時，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，相當于導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荷過程仿真曲線

水輪機在甩負荷過程中，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甩負荷過程應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)速器的控制特性關系不大，因此甩負荷過程中轉(zhuǎn)速上升時間(tM)和轉(zhuǎn)速下降時間(tD)與調(diào)速器的控制特性關系不大。小波動過程除了與調(diào)節(jié)對象有關外，與調(diào)速器的控制特性密切相關，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；

②調(diào)節(jié)參數(shù)對甩負荷過程影響較大，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葉開啟時刻與開啟速度之間的矛盾，因此很難達到較為滿意的結(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。