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

調(diào)速器配壓閥非線性特性對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)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(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100044；2.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300186；3.中國(guó)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(jì)入水輪機(jī)非線性特性、緩沖型PID調(diào)節(jié)器的條件下，對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)開(kāi)展仿真特性分析，重點(diǎn)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(gè)表征配壓閥-接力器特性的重要指標(biāo)性參數(shù)，當(dāng)配壓閥位移超過(guò)此值時(shí)調(diào)速器就處于嚴(yán)重的非線性狀態(tài)。

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

在國(guó)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(yīng)用”科技項(xiàng)目的安排下，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院與天津電氣科學(xué)研究院有限公司合作開(kāi)發(fā)了基于Simulink的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)通用仿真程序。本文利用該程序?qū)λ啓C(jī)調(diào)速器配壓閥非線性特性對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響開(kāi)展計(jì)算分析。

本文仍采用文獻(xiàn)[1,2]給出的表征、計(jì)算分析水輪機(jī)非線性特性的方法：

右端四個(gè)矩陣及水輪機(jī)流量和力矩的特性矩陣應(yīng)在仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表1求得，對(duì)于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)對(duì)應(yīng)每個(gè)定槳特性相類(lèi)地求取水輪機(jī)流量和力矩的特性矩陣；在實(shí)時(shí)仿真的主程序段，只要已知某一時(shí)刻的x11t和at就可很快計(jì)算出該時(shí)間的單位流量和單位力矩：

計(jì)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(xué)模型為：

式中：

計(jì)算配壓閥特性時(shí)水輪機(jī)、引水系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、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(gè)完全一樣的平臺(tái)上進(jìn)行分析配壓閥的特性，才能得出明確的結(jié)論。觀察下頁(yè)圖1：該圖為水輪機(jī)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(gè)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(jī)自動(dòng)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(jī)調(diào)速器引導(dǎo)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(biāo)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(yùn)動(dòng)速度；Sf、Sg——主配壓閥關(guān)、開(kāi)整定行程；Sf0、Sg0——主配壓閥設(shè)計(jì)行程；Sz——無(wú)反饋時(shí)的控制閥輸入信號(hào)；Tg、Tf——開(kāi)關(guān)機(jī)整定時(shí)間，他們是由機(jī)組發(fā)電安全決定的參數(shù)，沒(méi)有可調(diào)整的可能；Ty——接力器響應(yīng)時(shí)間常數(shù)，它由配壓閥設(shè)計(jì)及開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)決定，有一點(diǎn)的調(diào)整空間，當(dāng)它過(guò)小時(shí)，會(huì)引發(fā)液壓系統(tǒng)的震蕩，甚至不穩(wěn)定。

通常整定導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間相等Tf=Tg，其值通常為4～10 s；水輪機(jī)接力器時(shí)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(jiàn)水輪機(jī)調(diào)速器配壓閥的飽和特性是非常嚴(yán)重的。

圖2 配壓閥的速度特性(未標(biāo)示主配壓閥死區(qū))

為能說(shuō)明水輪機(jī)調(diào)速器配壓閥非線性特性對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，取某混流式水輪機(jī)作為算例，有單位流量特性和水輪機(jī)單位力矩特性（見(jiàn)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(hào)水輪機(jī)流量、力矩特性矩陣

Ty，Ty1分別表示引導(dǎo)閥控制系統(tǒng)和主配壓閥-主接力器隨動(dòng)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)。計(jì)算水輪發(fā)電機(jī)組由負(fù)荷70%突增10%，Ty：0.01、0.1、0.15、0.3和Ty1: 0.01、0.15、0.3；計(jì)算水輪機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)接力器的過(guò)渡過(guò)程。計(jì)算結(jié)果分別載于圖3 a)、b)、c)、d)，計(jì)16條過(guò)渡過(guò)程曲線。計(jì)算可歸納如下結(jié)果：

（1）由于計(jì)算取完全一致的數(shù)學(xué)模型、初始條件和計(jì)算步長(zhǎng)等，這16條過(guò)渡過(guò)程曲線最后穩(wěn)態(tài)趨勢(shì)也相同，由于電站引水系統(tǒng)帶有調(diào)壓井導(dǎo)葉接力器最后進(jìn)入穩(wěn)定的低頻振蕩；

a)

b)

c)

圖3 配壓閥特性對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響

表2 Ke對(duì)過(guò)渡過(guò)程波峰值的影響（相對(duì)于0.76）的超調(diào)量

（2）見(jiàn)表2，隨著ke、ke1的增大一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程由均單調(diào)過(guò)程變成震蕩過(guò)程，而且震蕩加劇，超調(diào)量大幅增大；ke=ke1=0.002時(shí)，調(diào)速器近于繼電器特性，由圖3a)及表1可見(jiàn)：過(guò)渡過(guò)程由單調(diào)過(guò)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(dāng)ke=ke1=0.002，相等的增大到0.06時(shí)，超調(diào)量急劇增大到0.02；

（4）為進(jìn)一步詳化起見(jiàn)，在圖4上載有當(dāng)引導(dǎo)閥和主配壓閥分別近于理想環(huán)節(jié)時(shí)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程?？梢钥闯觯寒?dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間設(shè)置在主配壓閥處時(shí)（Tf1=5）的速動(dòng)性高于設(shè)置在引導(dǎo)閥處（Tf=5）時(shí)的速動(dòng)性；

圖4 配壓閥-接力器特性對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響

（5）應(yīng)強(qiáng)調(diào)Tf是機(jī)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(jìn)行廣泛的調(diào)整，而Ty是設(shè)計(jì)參數(shù)有相當(dāng)大的調(diào)整范圍，在電站調(diào)試時(shí)要認(rèn)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(jì)算可以看出調(diào)速器配壓閥飽和特性ke是一個(gè)表征配壓閥-接力器特性的重要指標(biāo)性參數(shù)，當(dāng)配壓閥位移超過(guò)此值時(shí)調(diào)速器就處于嚴(yán)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(biāo)是合適的。

[1]孔昭年.水輪機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].武漢：長(zhǎng)江出版社，2012.

[2]DL/T1120-2009水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試及實(shí)時(shí)仿真裝置技術(shù)條件[S].

[3]DL/T 1548-2016水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用導(dǎo)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(jí)高級(jí)工程師，從事水輪機(jī)控制技術(shù)研究工作。