沖擊式水輪機組調速系統參數實測與建模

李洋，潘立平，舒榮，何常勝

(1.云南電力技術有限責任公司，昆明 650217;2.云南電力試驗研究院(集團)有限公司，昆明 650217)

0 前言

通過對調速器數學模型的研究和仿真計算，建立更為準確的調速系統的計算模型，滿足電力系統穩定計算的需求。混流式水輪機組調速系統建模仿真各環節參數實測過程中均能搭建理想的數學模型，但對沖擊式機組而言，PID 參數，永態轉差系數bp，以及接力器反應時間常數Ty，這些參數的測試結果以及模型的搭建對于輪流式水輪機組是不同的，因此，初步研究沖擊式機組調速系統模型和輪流式機組參數建模之間的差異，為將來在沖擊式機組建模中提供參考和依據，此次建模仿真分析僅針對調速系統PID 環節，電液執行機構環節進行討論，機組功率輸出環節可以參考混流式水輪機組［1－3］。

1 機組實測數據計算及仿真

沖擊式機組PID 輸出環節參數校驗和混流式機組校驗方法大致相同，分為開環和閉環兩個環節分別校驗，但PID 信號輸出方式和混流式機組有所不同，所以參數實測與模型搭建也產生了差異。試驗時需要記錄的信號有仿真機組頻率信號、總噴針開度給定信號、總PID 綜合輸出信號、單噴針PID 綜合輸出信號、噴針開度反饋信號。

1.1 實測PID 輸出環節分析

1)PID 輸出環節Kp 環節校驗［4－6］:設置永態轉差系數bp=0%、Ki=0、Kd=0，Ef=0Hz，Kp 置于待校驗值，對調節器加一頻率階躍擾動信號，記錄頻率改變后調節器輸出信號、噴針開度變化曲線等。試驗時以(Kp=6.0、Ki=0、Kd=0、bp=0%、Ef=0.0Hz)，階躍頻差為0.5Hz 為例，試驗時4 噴針全開，模擬并網狀態，一次調頻投入，當頻率發生變化時，總PID 調節輸出變化量為6.01%，每個噴針PID 輸出變化大致為1.5%左右，通過實測計算與仿真擬合，Kp 為6.01，以實際設置值相符，但由于試驗時4 組噴針同時作用，所以每個噴針的PID 輸出量為總PID 輸出量的1/4 倍，若只有2 組噴針運行，那么單噴針PID 輸出量為總PID 輸出量的1/2 倍。由此可以得出:

Kp總=(i=1，2，3，4…n)，(n 為噴針實際運行的組數)

2)PID 輸出環節Ki 環節校驗［4－6］:方法同上，把Ki 設置為待測值，其他參數設置為零，當頻率發生變化時，總PID 調節輸出波形為一斜線，通過擬合該直線斜率，算出Ki 和設置值基本一致，但由于試驗時4 組噴針同時作用，所以每個噴針的PID 輸出斜率為總PID 輸出斜率的1/4倍，若只有2 組噴針運行，那么單噴針PID 輸出斜率為總PID 輸出斜率的1/2 倍。由此可以得出:

Ki總=，n 為噴針實際運行的組數。

3)PID 輸出環節Kd 環節校驗［4－6］:同理可以推出實際測試中，Kd 校驗存在一定誤差，在仿真模型中需要乘以一個系數k 才能吻合于實測曲線，該調速系統一次調頻模式下調節規律為PI 調節，Kd 環節只有在空載模式下起作用，所以在發電運行時可以忽略該參數。綜上所述，因為PID 各個分量Kd，Ki，Kd 之間的輸出成線性關系，所以總PID 輸出也可做線性疊加，由此可以推出:

PID總=單噴針 (i=1，2，3，4…，n)，n 為噴針實際運行的組數。

所以調速系統面板PID 參數設置中各增益Kp，Ki，Kd 表示的是Kp總，Ki總，Kd總各部分的值，若PID總為已知量，要計算PID單噴針，Kp單噴針，Ki單噴針，Kd單噴針可以通過上述公式求出。

1.2 實測永態轉差系數bp 分析

當bp 置為0 時，PID 為開環調節方式，當bp不為0 時，PID 為閉環調節方式，從自動控制原理角度來分析，若該調節方式為閉環調節，輸出量之間存在某種函數關系式，反饋量之間也存在相應的數學關系，如上所述，單噴針PID 輸出和總PID 輸出存在一定的關系，PID 總輸出反饋bp和單噴針PID 輸出反饋bp 之間也存在一定的關系。當只選擇2 組噴針同時運行時，根據試驗數據分析并計算bp 值，試驗時僅讓2 噴針同時動作，測試每個噴針的bp 值，如表1 所示。

表1 調速系統靜特性試驗數據

根據永態轉差系數bp 計算公式［1－3］:

其中Δf 為頻率的變化量，50 為基準頻率，ΔY 為噴針開度的變化量。

因為Ymax可以表示為為各噴針最大開度的總和，

Ymax=Ymax1+Ymax2+Ymax3+Ymax4=400%

Ymaxi表示第i 個噴針的最大開度。

若僅1 個噴針運行時，

ΔY=ΔY1，Ymax=Ymax1

若僅兩個噴針運行時

ΔY=ΔY1+ΔY2，Ymax=Ymax1+Ymax2

以此類推，單噴針永態轉差系數bp 公式可以寫成:

由此可推出調速系統面板bp 設置值表示的總PID 輸出的反饋，并非單個噴針PID 輸出的反饋，并且通過數據分析得出，面板設置

1.3 噴針之間相互切換實測

因沖擊式機組和反擊式機組存在結構上的差異，通過改變噴針的運行方式，可以實現調速系統的最優控制［1］。該調速系統噴針有2 種運行方式，一種是僅有2 組噴針運行的模式(主用噴針組)，另一種是4 組噴針全部運行(主備用噴針組同時運行)。2 種方式相互切換存在一個切換關系，當運行噴針開度值高于這個切換點時，切為4 組噴針全部運行，低于則切為2 組噴針運行，切換點可根據機組運行狀況可以任意設置，該切換點設置為PID 總輸出的某一點。PID 總輸出保持連續上升并越過切換點時，開啟備用噴針組運行;當PID 總輸出連續下降低于切換點時，關閉備用噴針組，僅主用噴針組處于運行狀態。

試驗時，主用噴針組為1，3 號噴針，備用噴針組為2，4 號噴針，如圖所示，測試時選擇了1號噴針PID 輸出作為參考.由圖分析得出:在2個噴針運行切換至4 個噴針運行的瞬間，總PID輸出是保持不變的，由數據可以分析得出:從PID 關系來看:當2 噴針切4 噴針運行時，主用噴針組(1，3 號噴針)PID 瞬間下降，備用噴針組(2，4 號噴針)PID 瞬間上升，該切換動作邏輯保證了總PID 輸出保持不變;從開度關系來看，各噴針開度隨著PID 輸出的變化而相應動作。

該調速器僅有兩種運行方式，2 個噴針同時運行以及4 個噴針同時運行方式，從測試數據進一步研究分析得出運行狀態的噴針PID 輸出始終相等，即在兩噴針運行時滿足PID1=PID3(1，3表示運行噴針序號，即主用噴針組)，在四噴針同時運行時滿足PID1=PID2=PID3=PID4(1，2，3，4 表示運行噴針序號，即全部噴針)。若假設存在切換函數f(x)，x 為PID 總輸出，噴針切換點設為x0，結合上述1.1，1.2 可建立一組函數關系:

1.4 接力器反應時間常數Ty 實測

在電液轉換環節方面，沖擊式機組和混流式機組差異比較明顯，混流式機組電液轉換環節一般為兩級放大，設有伺服比例閥以及主配壓閥，其中伺服比例閥為第一級電液轉換機構，通過D/A 轉換后，通過主配壓閥把油路進行放大，推動導葉接力器運動;然而沖擊式機組因噴針接力器操作功較小，一般不設有主配壓閥，而電液轉換機構一般為比例閥或數字閥，閥體本身不帶反饋機構，從試驗實測參數條件來分析，沖擊式機組對Ty 實測有一定的難度，根據《中國南方電網同步發電機原動機及調節系統參數測試與建模導則》中所示，如圖1［4］:

圖1 調速系統液壓執行機構模型

沖擊式機組通常未設有主配壓閥，而噴針使用比例閥控制，閥芯沒有反饋裝置，因此無法測試比例閥閥芯開啟或關閉的位置對應的噴針接力器啟閉速度，但可以根據給電液隨動機構施加一具體的擾動量值，在隨動系統信號控制入口形成階躍擾動(保留比例環節，切除積分、微分及bp 反饋環節，通過改變機組頻率，形成不同幅度的階躍量或直接在比例閥控制板加一電壓量)，這樣可以近似模擬閥芯瞬間動作到某一位置的情況，觀察并記錄噴針開度變化以及頻率輸出曲線，最終根據實測數據與仿真曲線進行擬合，用插值法反算出Ty 值，若仿真時除去慣性環節保留積分環節。

通過仿真與辨識分析得出:噴針電液執行機構雖然僅設有比例閥，但整個環節仍為慣性環節與積分環節同時作用，所以模型中用Ty 以及Ty1作為執行機構的辨識參數，因比例閥的某些特性影響，同時噴針最快關閉和開啟速率較小，導致閥芯行程較小，所以實際噴針的運動軌跡成一條直線，并非形成明顯反饋特性曲線，通過辨識積分環節Ty 值以及慣性環節Ty1近似擬合與實際噴針開度重合。

根據電液閥的特性，不同的閥芯位置對應的接力器關閉或開啟速率是不同的，其接力器反應時間常數Ty 屬于一個變量。

∴ 通過連續的頻率階躍擾動，選擇不同的擾動量對應不同的Ty 值，求得(i 代表不同的噴針接力器)，再通過參數辨識法求出Ty1，最終代入模型表示不同噴針的Ty 和Ty1值。

1.5 折向器執行機構模型

沖擊式水輪機折向器去油迅速切斷噴針射流的作用，一般在甩負荷，停機過程折向器投入使用，當機組頻率超過一定值時，折向器迅速動作，瞬間切斷水流，從而快速降低水機機械功率輸出，折向器執行機構采用液控換向閥控制，其自身有最快開啟及關閉速率限制，根據其結構特點，建立以下模型如圖2 所示［7］。圖2 中:f 為機組頻率，Ka 和Ta 為折向器執行機構放大倍數和主接力器時間常數。

圖2 調速系統折向器數學模型

1.6 模型綜合搭建

通過上述參數辨識與仿真結果，可對丹珠河一級電站調速系統整體數學模型行進搭建，試驗過程中同時進行了開度模式限速環節、頻率模式PID 限幅限速環節、電液執行機構限幅限速環節實測，因實際發電運行中，該套調速系統無功率調節模式，僅對頻率模式和開度模式環節進行搭建。根據廠家所提供的傳遞函數關系式［3］:

頻率調節模式時調速器傳遞函數:

開度調節模式時調速器傳遞函數:

結合數據分析，在功率環節仿真辨識中，其模型基本和混流式有所不同，因沖擊式機組特點，在辨識過程中無反調現象［8］，所以Tw 此參數不能通過反調進行辨識，水輪機模型環節僅用P－Y曲線實現，在P－Y 曲線(功率及開度關系曲線)測試時，應分別測試不同水頭下2 組噴針同時運行時的數據和4 組噴針同時運行時的數據，這能更精確的反應出4 組噴針和2 組噴針分別運行時對有功功率的不同影響。

2 結束語

1)本次建模僅試用于Matlab—Simulink 仿真平臺對某些特定的水輪機組進行研究。

2)本次試驗實測分析與建模仿真分析過程中，重點討論了關于沖擊式機組調速系統在PID組成方面，電液轉換方面和混流式機組一些區別，結合現場運行條件，主要在其頻率模式以及開度模式下進行仿真，試驗過程中測試的參數也相對于輪流式機組較多，模型搭建相對繁瑣，但基本模型構架基于混流式水輪機組模型特點，在此基礎上進一步完善。

3)通過整體模型的仿真與實際數據比對，所得曲線能基本吻合實測曲線，試驗以及仿真結果表明計算模型與實際相符，為以后穩步推進水輪機建模試驗，提供了準確、可靠的數據計算參考。

［1］魏守平.水輪機調節［M］.華中科技大學出版社.

［2］魏守平.水輪機調節系統仿真［M］.華中科技大學出版社.

［3］沈祖義.水輪機調節［M］.中國水利水電出版社.

［4］Q/CSG 11402－2009.中國南方電網同步發電機原動機及調節系統參數測試與建模導則［S］.中國南方電網公司企業標準.

［5］GB/T 9652.2－2007.水輪機控制系統試驗［S］.中華人民共和國國家標準.

［6］GB/T 9652.1－2007.水輪機控制系統技術技術條件［S］.中華人民共和國國家標準.

［7］孫文濤，等.適用于電力系統穩定分析的沖擊式水輪機調節系統動態模型［J］.電網技術，2014，38 (8):71－75.

［8］陳鐵華，等.水輪發電機原理及運行［M］.中國水利水電出版社.