步進電機式調速器頻率控制性能分析

步進電機式調速器頻率控制性能分析

周彬黃岷江吳縉

(國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210003)

摘要：介紹了步進電機式調速器的控制原理及系統結構，建立了仿真模型，并對其頻率控制性能進行了仿真分析，為同類調速器產品的設計提供了參考。

關鍵詞：調速器；主配壓閥；頻率控制；仿真建模

收稿日期:2015-05-17

作者簡介：周彬(1987—)，男，江蘇南通人，碩士，助理工程師，研究方向：電氣工程自動化。

0引言

我國的額定電網頻率為50 Hz，偏差要小于0.2 Hz，電力系統負荷的不斷變化會導致電網頻率的波動。水力發電廠通過引水管道把水的勢能轉變為水輪機轉動的機械能，發電機將水輪機的機械能轉變為電能。水輪發電機組調速器根據電網頻率變化，調節水輪發電機組的輸出功率，維持機組轉速在額定轉速的規定范圍內，這就是水輪發電機組調速器的基本功能。

1控制原理

水輪發電機組調速器通過電液轉換器驅動液壓隨動系統，液壓系統通過導葉接力器控制壓力引水系統[1-2]。其工作原理如下：調速器采集機組的轉速信號與給定頻率比較，計算出偏差值，根據偏差值的大小及變化趨勢計算并輸出控制信號，實現對水輪發電機組液壓部分的控制。電氣控制部分包括比例、微分、積分環節，比例環節的作用是對輸入頻差信號進行線性放大，實現頻率信號到開度信號的線性轉換；微分環節的作用是產生頻率偏差信號的微分值，獲得頻率偏差信號的變化趨勢，防止調節過度；積分環節的作用是計算頻差信號變化的積分值，減少或消除控制系統的靜態偏差[3]。電液轉換器將控制信號放大，產生相應方向、滿足導葉接力器流量要求的液壓信號，控制接力器的開啟或關閉，從而控制水輪發電機組。

從水輪發電機組調節工況看，在空載工況下，調速器調節并維持機組頻率在額定頻率附近，在投入頻率跟蹤功能后，能跟蹤電網頻率，使得被控機組盡快同期并入電網運行，進入發電工況。進入發電工況后調速器作為整個電網的頻率調節器，完成一次調頻任務。當機組由發電工況轉向空載工況時，調速器迅速減去負荷，穩定機組轉速在額定頻率附近。

2系統結構

步進電機式水輪發電機組調速器由電氣控制裝置和機械執行機構組成。

電氣控制裝置采用貝加萊系列可編程控制器PCC2005，輸出導葉的電氣開度控制信號。電氣控制裝置可根據用戶要求配置成單機或冗余雙機系統，雙機結構的兩套模塊從輸入至輸出以及電源配置完全相同，且相互獨立，雙機采用冗余熱備方式，在運行過程中，未參與控制的備用通道退出，不影響調速系統的正常工作。可通過切換把手選擇主/備用通道，采用無擾切換控制方式調速器的遠方控制和現地控制功能，并有相應接點輸出，能與電站計算機監控系統進行數字信號、模擬信號以及開關量輸入/輸出信號的通訊和數據交換。

機械執行機構由電—機轉換機構、引導閥、主配壓閥、緊急停機電磁閥等組成。電—機轉換機構是調速器電氣部分和機械執行機構連接的關鍵元件，它將電機的轉矩和轉角轉換成為具有一定操作力的位移輸出，并具有斷電自動復中的功能。電—機轉換機構的位移輸出通過引導閥推動主配壓閥閥芯動作，以實現對水輪發電機組接力器的控制。主配壓閥具有掉電復中功能，在外部電源意外消失時，主配壓閥閥芯自動回復至中位，不會造成水輪發電機組運行不穩定和出力波動；在出現意外時，通過緊急停機電磁閥控制主配壓閥閥芯向關閉方向動作，以實現緊急停機。

3系統建模

3.1電氣系統建模

調速器PID調節仿真模型中PID控制就是3種基本控制——比例控制(P)、積分控制(I)和微分控制(D)組合而成的一種綜合控制[4]。比例控制實現信號成比例放大的功能，微分控制獲得輸入信號的微分，積分控制獲得輸入信號的積分，三者一般采用并聯組合方式，即信號相加，所以連續系統PID控制算法的時域表達式為：

(1)

式中，yPID(t)為PID控制器的輸出信號；KP、KI、KD分別為比例、積分、微分增益；e(t)為輸入的頻率偏差信號。

圖1為步進電機式調速器電氣系統模型框圖。

圖1　電氣系統模型框圖

3.2機械液壓系統建模

電液隨動系統即液壓執行機構，其接收調速器電氣信號，驅動伺服閥，產生操作力推動導水機構，使導葉開大或關小，從而調整水流流量。電液隨動系統采取兩級放大方式，分別為引導閥—輔助接力器部分(第一級放大)和主配壓閥—主接力器部分(第二級放大)[5]。把兩個部分作為一個整體進行考慮時，通常采用一種被稱為輔助接力器型的典型結構，圖2為步進電機式調速器機械液壓系統模型框圖。

圖2　電液隨動系統模型框圖

水輪發電機組及其引水系統、負荷三者之間存在復雜的水、機、電的聯系，機組與引水系統可以作為一個整體來研究，稱作機組—引水系統。在發電狀態下由于機組轉速的波動很小，所以在分析該部分模型時可以忽略機組轉速的影響，將其視為常量。

3.3調速系統建模

下面針對負載運行并入大電網的方式，分析步進電機調速系統的控制性能，水輪發電機組選擇軸流式機組，以剛性水擊模型為例進行步進電機式調速器控制性能仿真，仿真模型如圖3所示。

圖3　步進電機調速系統仿真模型

4仿真與分析

自動發電工況下的調速器受頻率給定值控制，調節器對機頻反饋與頻率給定的差值進行PID運算，調節輸出信號帶動機械液壓裝置調節導葉開度，直至機組頻率等于給定頻率，從而實現了頻率調節[6]。

在控制系統輸入0.1 Hz、0.2 Hz擾動時研究調速系統的響應曲線，仿真結果(圖4、圖5) 分析如下：步進電機式水輪發電機組調速器在0.1 Hz、0.2 Hz擾動下，系統響應時間為0.1 s，穩定時間在10 s以內，控制性能良好。

圖4　0.1 Hz擾動下系統響應波形

圖5　0.2 Hz擾動下系統響應波形

5結語

本文介紹了步進電機調速系統的工作原理，詳細描述了其電氣系統、機械液壓系統的構成，建立了電氣部分及機械液壓部分的數學模型，并通過仿真軟件模擬調速系統的頻率控制過程。仿真試驗表明，步進電機調速系統的頻率控制性能良好，具有很好的動態響應及穩定性能。本文結合步進電機調速系統的工作原理、結構組成，分析了步進電機調速器的頻率控制性能，對調速器及其同類產品的設計具有一定的指導意義。

[參考文獻]

[1]孫郁松.三峽水輪發電機組調速系統的非線性魯棒控制及工程實用化研究[D].北京：清華大學，2001.

[2]陳嘉謀.水輪機調節系統計算機仿[M].北京：水利電力出版社，1993.

[3] 陸佑楣，潘家錚.抽水蓄能電站[M].北京：水利電力出版社，1992.

[4] 南海鵬，王德意，王濤.水輪發電機組調速器PCC測頻裝置的研究[J].水利水電技術，2001(7)： 15-17.

[5] Gao Huimin，Wang Chao.Effect of Detailed Hydro Turbine Models on Power System Analysis[C]//Power Systems Conference and Exposition.Atlanta，2006：1577-1581.

[6] 魏守平.水輪機調節[M].武漢：華中科技大學出版社，2009.