水利工程論文-改進水輪發電機組甩負荷過程中調速器的控制性能摘要：本文從國際電工委員會IEC61362(1998)“水輪機控制系統技術規程”中對水輪發電機組甩100%額定負荷后動態品質指標分析入手，運用MATLAB語言及SIMULINK對水輪機調節系統甩負荷過程建模并進行仿真計算，分析了水輪機調速器典型結構、調節參數和控制方式對控制性能影響。結果表明：在調速器中引入適當的非線性控制環節，能夠很好地解決大波動到小波動過程的平穩過渡，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果具有代表性。關鍵詞：水輪發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象。水輪發電機組發生甩負荷后，巨大的剩余能量使機組轉速上升很快，調速器迅速關閉導葉并經過一段時間的調整，重新穩定在空載工況下運行。在甩負荷過程中，除了調節保證計算所關心的最大轉速上升值和最大水擊壓力上升值外，還要對甩負荷動態過程品質指標的優劣進行考核。我國國家標準GB/T9652.11997“水輪機調速器與油壓裝置技術條件”2和國際電工委員會IEC61362(1998)“水輪機控制系統技術規程”1中對水輪發電機組甩100%額定負荷后動態品質均有規定，其中IEC規定如下：調節時間tE從甩負荷開始到進入空載轉速的相圖1甩負荷過程曲線對偏差小于1%為止的時間；最高轉速nmax甩負荷后的最大轉速(在tm時刻)；最底轉速nmin甩負荷后的最小轉速；推薦值tE/tM=2.54.0(對于轉速自由緩慢下降的水斗式機組和高水頭混流式水輪機，其數值可達15)，nmin/nr0.850.95(僅適用于與電網解列后提供廠用電的機組)，如圖1所示。為了討論問題方便起見，本文將調節時間tE分解為轉速上升時間tM、轉速下降時間tD、轉速調整時間tR三部分之和，即tE=tM+tD+tR1甩負荷動態過程的品質指標分析1.1轉速上升時間(tM)機組甩100%額定負荷后，由于剩余能量巨大，轉速上升很快。正常情況下，調速器以最大速度關閉導葉到零開度，轉速上升時間tM=tc+tn，其中：tc為調速器遲滯時間，取決于調速器的死區大小、機組轉速的上升速率以及運行工況等，調速器在非限制條件下，tc一般大約在0.2s0.3s。tn為調保計算中的升速時間，被定義為自導葉開始動作到最大轉速所經歷的時間。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。采用比轉速(ns)統計法有：tn=nTs，n為相對升速時間，n=0.9-0.00063ns5。可以看出，相對升速時間n隨比轉速的增加而減少，即低比轉速、高水頭水輪機相對升速時間大，高比轉速、低水頭水輪機相對升速時間小。Ts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，可將轉速上升時間tM等同于調保計算中的升速時間tn看待。根據統計資料大多機組的tM=(26)s。1.2轉速下降時間(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，自最高轉速下降到空載轉速區域為止的時間，或稱為最快轉速下降時間。在最高轉速之前，機組處于水輪機工況，之后，進入制動和反水泵工況，轉輪區的水起阻力作用，再加上機械摩擦阻力矩及電磁阻力矩等，機組轉速開始下降。轉速下降時間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，tDtM。但由于導葉開度只能關閉到零位，水對轉輪的阻力作用受到限制，轉速下降減緩，因此tDtM。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n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n較大，此時tDtM。由于轉速進入大波動范圍，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速器對水輪機的控制能力的發揮等等。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(轉速上升時間tM和轉速下降時間tD時段內)與調節保證計算結果有關，而與調速器的調節控制性能無關，這一階段只要求調速器能正常關閉和開啟。轉速從大波動到小波動的過渡階段、以及進入到小波動階段，甩負荷過程的動態品質才取決于調速器的調節控制性能。1.3轉速調整時間(tR)轉速調整時間tR是指轉速以最快速率第一次下降到進入空載區域開始到最終進入空載穩定區域所經歷的時間。理想情況是當轉速以最快速度下降到空載轉速區域時，迅速打開導葉到空載開度，使轉速不再超出空載穩定區域，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，轉速將繼續下降，轉速必然存在超調現象，即nmin/nr1，并隨著打開時間越長，超調量越大。實際上可能達到的最佳情況是當轉速下降到接近空載轉速時，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，轉速也正好進入空載轉速區域。此時，nmin/nr1，轉速調整時間tR最小。如果調速器的調節控制性能不佳，或調節參數選擇不當，導葉過晚打開或打開速度較慢，超調量很大；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，轉速下降速度緩慢，轉速調整時間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得到一定范圍的應用。但目前已投入運行絕大PID有結構簡單、魯棒性好、易實現等優點。只要結構和參數選擇得當，在某種程度上可達到最優控制，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(PID結構)和電子調節器型(并聯PID結構)兩種較為典型結構的調速器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節系統甩負荷過程建模，并進行仿真計算，研究改進調速器控制性能的方法和途徑。圖2水輪機調節系統甩負荷過程模型圖2為水輪機調節系統甩負荷過程模型，其中Gr(s)為調速器功能模塊，Gt(s)+Gg(s)為調節對象(水輪發電機組)功能模塊。調速器中的各環節采用非線性模型，其中：bp=6.0%，第一級液壓放大時間常數Tyb=0.01s，第二級液壓放大時間常數Ty=0.1s，空載開度Ty=30%，直線關閉時間Ts=4.0s。在調節對象功能模塊中，水輪機為混流式線性模型、引水系統為單元引水剛性水擊模型、發電機為單機電網模型，其參數分別為：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控制方式及調節參數變化時的甩負荷過程仿真曲線2.2調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。從框圖結構上看，輔助接力器型和電子調節器型在對應等效的調節參數情況下，其甩負荷過程曲線PID結構與串聯PID結構控制效果相差不大。從調節參數的影響看，隨著調節參數bt、Td增大，機組開度開啟時刻提前，且開啟速度放慢，調整時間tR延長，超調量減小。對于轉速有超調而未超出空載轉速的規定偏差范圍，調整時間tR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，導致超調增大。從控制方式看，開度給定只從調差環節輸入圖3(a)與開度給定從調差環節和軟反饋同時輸入圖3(b)相比較，在相同的調節參數情況下，后者機組開度會關的更小，能使轉速更快下降，而且過渡過程受調節參數的變化影響較小，均存在一定的超調。另外，開度給定只從調差環節輸入圖3(a)與按開度改變軟反饋系數方式圖3(c)相比較，后者機組開度的開啟速度始終保持最大，并不受調節參數的影響，其中在第二組參數下，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，在推薦最佳調節參數(第一組參數)下，過渡過程2.3調節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=5Tw，Ts=4Tw，bt=3Tw/Ta，Td=2Tw,Tn=1Tw。從結果中可以看出，最大的轉速上升值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Tw確定后，根據水擊壓力上升允許值可計算出導葉直線關閉時間Ts。當Ts選定后，根據轉速上升允許值可計算出機組慣性時間常數Ta，并按推薦公式求出調節參數。水流慣性時間常數Tw不但集中體現了調節對象特性，而且最佳調節參數也取決水流慣性時間常數Tw，所以，Tw決定了水輪機調節系統的動態過程形態和調節時間的長短。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=5Tw，Ts=4Tw,bt=3Tw/Ta,Td=2Tw,Tn=1Tw。從結果中可以看出，壓力上升最大值0.36保持不變，但此時轉速上升最大值及出現的時刻不相同，這說明在保持水擊壓力不變(Tw/Ts等于定值)前提下，轉速上升最大值隨Tw/Ta的增大而增大，而其相對升速時間n=tn/Ts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，其結果將導致電站投資的增大。圖4調節對象參數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果的影響圖5仿真曲線是采用非線性水輪機模型6HL160的力矩特性M1=f1(a,n1)與流量特性Q1m=f2(a,n1)，和線性水輪機模型得到的。此時，引水系統采用單元引水彈性水擊模型。可以看出，線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，主要表現在以下兩方面：二者轉速峰值發生的時間不同。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，轉速峰值發生在水輪機力矩等于零時刻，即mt=ey(y-yk)+exX+ehh=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，轉速峰值也發生在水輪機力矩等于零時刻，即M1=f1(a,n1)=0。其轉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。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