調速器配壓閥非線性特性對水輪機調節系統動態特性的影響

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

調速器配壓閥非線性特性對水輪機調節系統動態特性的影響

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

在引水系統中具有調壓井、計入水輪機非線性特性、緩沖型PID調節器的條件下，對水輪機調節系統開展仿真特性分析，重點研究了表征配壓閥-接力器非線性特性參數Ke的影響；明確提出調速器配壓閥飽和特性Ke是一個表征配壓閥-接力器特性的重要指標性參數，當配壓閥位移超過此值時調速器就處于嚴重的非線性狀態。

調壓井；水輪機非線性特性；PID調節器；配壓閥；飽和特性

在國家能源局“替代調壓井的新型調壓閥及其控制系統研究與電站示范應用”科技項目的安排下，中國水利水電科學研究院與天津電氣科學研究院有限公司合作開發了基于Simulink的水輪機調節系統通用仿真程序。本文利用該程序對水輪機調速器配壓閥非線性特性對水輪機調節系統動態特性的影響開展計算分析。

本文仍采用文獻[1,2]給出的表征、計算分析水輪機非線性特性的方法：

右端四個矩陣及水輪機流量和力矩的特性矩陣應在仿真數據準備階段根據有關數據表1求得，對于軸流轉槳式水輪機對應每個定槳特性相類地求取水輪機流量和力矩的特性矩陣；在實時仿真的主程序段，只要已知某一時刻的x11t和at就可很快計算出該時間的單位流量和單位力矩：

計算的水電站引水管道帶有調壓井，帶調壓井的引水系統數學模型為：

式中：

計算配壓閥特性時水輪機、引水系統、發電機、甚至初始條件及調速器均取完全相同的參數，這樣在一個完全一樣的平臺上進行分析配壓閥的特性，才能得出明確的結論。觀察下頁圖1：該圖為水輪機調速器部分，圖中取緩沖型調速器，在調速器部分共有五個非線性環節：環節2、5表征調節器，接力器輸出控制在0～1.0；環節3表征緩沖回路輸出限幅，通常值為-0.2～0,2。

圖1 水輪機自動調節系統結構圖

環節1、4是本文提出的水輪機調速器引導閥、主配壓閥的非線性，它是典型的飽和型非線性。圖2顯示的是未標示主配壓閥死區的配壓閥的速度特性，圖2中：——接力器活塞運動速度；Sf、Sg——主配壓閥關、開整定行程；Sf0、Sg0——主配壓閥設計行程；Sz——無反饋時的控制閥輸入信號；Tg、Tf——開關機整定時間，他們是由機組發電安全決定的參數，沒有可調整的可能；Ty——接力器響應時間常數，它由配壓閥設計及開環放大倍數決定，有一點的調整空間，當它過小時，會引發液壓系統的震蕩，甚至不穩定。

通常整定導葉開啟時間與關閉時間相等Tf=Tg，其值通常為4～10 s；水輪機接力器時間常數Ty，值通常為0.1～0.4 s。定義Ke=Ty/Tf，配壓閥的飽和系數，如前述其值通常為0.01～0.05，可見水輪機調速器配壓閥的飽和特性是非常嚴重的。

圖2 配壓閥的速度特性(未標示主配壓閥死區)

為能說明水輪機調速器配壓閥非線性特性對水輪機調節系統動態特性的影響，取某混流式水輪機作為算例，有單位流量特性和水輪機單位力矩特性（見表1）；電站主要參數：Tw1=3.9 s；Tw2=1.1s；a1=0.046；a2=0.056；Te=345.8 s；Ta=4.5 s；調速器參數：Td=5 s，bt=0.4，Tn=0.4 s，Tg=5 s，Tf=5 s。

表1 某型號水輪機流量、力矩特性矩陣

Ty，Ty1分別表示引導閥控制系統和主配壓閥-主接力器隨動系統時間常數。計算水輪發電機組由負荷70%突增10%，Ty：0.01、0.1、0.15、0.3和Ty1: 0.01、0.15、0.3；計算水輪機自動控制系統接力器的過渡過程。計算結果分別載于圖3 a)、b)、c)、d)，計16條過渡過程曲線。計算可歸納如下結果：

（1）由于計算取完全一致的數學模型、初始條件和計算步長等，這16條過渡過程曲線最后穩態趨勢也相同，由于電站引水系統帶有調壓井導葉接力器最后進入穩定的低頻振蕩；

a)

b)

c)

圖3 配壓閥特性對水輪機調節系統過渡過程的影響

表2 Ke對過渡過程波峰值的影響（相對于0.76）的超調量

（2）見表2，隨著ke、ke1的增大一個穩定系統過渡過程由均單調過程變成震蕩過程，而且震蕩加劇，超調量大幅增大；ke=ke1=0.002時，調速器近于繼電器特性，由圖3a)及表1可見：過渡過程由單調過程，隨著僅Ty(ke)的增大到0.06，波峰值由-0.005增大到0.009；

（3）當ke=ke1=0.002，相等的增大到0.06時，超調量急劇增大到0.02；

（4）為進一步詳化起見，在圖4上載有當引導閥和主配壓閥分別近于理想環節時水輪機調節系統過渡過程。可以看出：當導葉關閉時間設置在主配壓閥處時（Tf1=5）的速動性高于設置在引導閥處（Tf=5）時的速動性；

圖4 配壓閥-接力器特性對水輪機調節系統過渡過程的影響

（5）應強調Tf是機組調節保證條件確定的參數值，它不能如穩定參數那樣可進行廣泛的調整，而Ty是設計參數有相當大的調整范圍，在電站調試時要認真整定防止形成附加震蕩；作為原則不必追求死區的減小，防止形成震蕩；

（6）由計算可以看出調速器配壓閥飽和特性ke是一個表征配壓閥-接力器特性的重要指標性參數，當配壓閥位移超過此值時調速器就處于嚴重的非線性狀態，作為一般度量，取0.01～0.03表征線性區這一指標是合適的。

[1]孔昭年.水輪機控制系統的設計與計算[M].武漢：長江出版社，2012.

[2]DL/T1120-2009水輪機調節系統自動測試及實時仿真裝置技術條件[S].

[3]DL/T 1548-2016水輪機調節系統設計與應用導則[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，教授級高級工程師，從事水輪機控制技術研究工作。