水轮发电机组调速器参数及其选定

董开松，李鹏吉，王 军，侯纪坤，孔繁臣

（1.甘肃电力科学研究院，兰州 730050;2.白山发电厂，吉林桦甸 132400;3.惠州蓄能水电厂，广东 惠州 516100;4.西安理工大学，西安 710048）

水轮发电机组调速器参数及其选定

董开松1，李鹏吉2，王 军3，侯纪坤4，孔繁臣2

（1.甘肃电力科学研究院，兰州 730050;2.白山发电厂，吉林桦甸 132400;3.惠州蓄能水电厂，广东 惠州 516100;4.西安理工大学，西安 710048）

0 引言

水轮机调节系统[1-3]是通过不断的调整水力发电机组的有功功率的输出，并维持机组转速（频率）在规定的范围内，来满足发电机正常发电和电力系统安全运行的需要。按照我国电力部门规定，电网的额定频率为50Hz，大电网允许的频率偏差为±0.2Hz。

调速系统参数包括调节对象参数和调速器参数，已建水电站的参数是不能改变的，而调速器的参数是可以调整的，如果调速器参数选定不合理，会造成机组稳定性差，并网困难，供电质量差等问题。调速器控制着水力发电机组的正常开停机、空载、并网、增减负荷等每一个环节，并使机组稳定可靠的维持电力系统的功率平衡、频率稳定。

白山发电厂位于吉林省桦甸市境内，第二松花江上游，装有5台单机容量300MW的悬式混流水轮发电机组，总装机容量1500MW，设计年发电量20亿kW·h。白山电站以发电为主，兼有防洪、养殖等综合利用效益，承担东北电网主要调峰、调频和事故备用任务。其调速器为KZT-150型块式直连型机械液压调速器，主配压阀直径为150mm，具有自动复中功能，并且取消了原调速器柜内的管道，具有结构简单、环境清洁的特点；自动复中装置具有自动复中、信号放大、结合力大、操作力小等特点[4]。本文结合白山发电厂水力发电机组调节系统试验对调速器主要参数进行整定。

1 调速器工作原理

白山发电厂所采用的调节器是采用0～10V电信号输入电气调节器或者微机调节器，然后经过电液伺服阀使电信号转化为压力信号，三级放大后的操作力来操作导水机构，最后实现频率和负荷调控。电液随动系统具有三级液压放大，第一级是电液伺服阀，第二级是由引导阀和服辅助接力器组成的液压放大系统，使配压阀动作正比例位移，主接力器油压操作力做功，接力器进行动态调整使微机信号与主接力器接卸反馈信号一致，达到稳定状态。

在电手动工作状态下，电液随动系统可直接将输入信号线性的转换成主接力器位移，其原理框图如图1所示。

图1 信号传输原理

2 参数及其选定

2.1 调速器主要参数

2.1.1 永态转差系数bp

永态转差系数是指调速系统特性曲线上某一规定运行点处的斜率的负数，它反映了调速器的转速与接力器行程变化的关系。对于调节系统来说，它是表示机组空载额定转速之比。bp对调节品质有一定的影响，bp增大，调节系统的稳定性提高。在保证稳定的前提下，为了提高调速器的快速动作，应尽量地减少bp值。实际上bp值并不是根据调节系统的性能来调整，而是根据机组在电力系统中的地位、承担负荷的性质以及机组之间负荷的分配等因素，由电力系统调度所来给定，一般为0～4%。对于大容量并参与系统调频的机组，bp值相对选择较小值；对于带基本负荷或小容量机组，bp值一般选偏大值。

2.1.2 暂态转差系数bt

暂态转差系数bt值是改善调节系统稳定性的重要参数之一，软反馈是减缓调速器在动态过程中的调节作用，以抑制过调节现象，保证调节系统稳定性。bt值增加，稳定区域相应增加。但并不是说bt值越大越好，当bt值过大时，调节速度过慢、调节时间过长，转速偏差就会增大，反而会使调节系统的稳定性变差。

2.1.3 缓冲时间常数Td

缓冲时间常数Td值是保证调节系统稳定的重要参数之一，Td表示暂态反馈存在的时间长短。Td值增大，稳定区域增大，反之则相反，Td越大，抑制调节的作用越显著，它与bt相配合，控制着调速器的调节质量，但Td太大使转速偏差过大，调节时间延长，Td减小可提高调速器的速动性。因此Td是影响调速器动作速度、调节质量以及稳定性的重要参数。

2.2 参数选定方法

合理的调速器参数[4]是保证水轮机调节系统具有良好稳定性和动态品质的前提条件之一。在现场工作中，对于调速器的参数整定通常是根据经验对多组参数进行试验，尤其是对PID调节规律的调速器参数整定，在满足安全、稳定运行的条件下，选取最优的参数组作为最后的运行整定参数。

下面结合实际对调速器参数选定的空载、负载、甩负荷试验进行分析。

2.2.1 空载扰动试验

空载扰动试验是通过试验的方法确定水轮发电机组调节系统参数，使机组达到安全稳定运行的目的。其试验过程如下：

1）根据水电站实际情况，预先设定若干组试验参数。根据电液转换器行程放大比K选取1∶1、1∶1.4、1∶2或1∶3中的一个K值进行试验。

2）选择PID三环节的试验参数。

其方法是利用斯坦因或克里夫琴科的建议公式（1）～（3）

对Tω（水流惯性时间常数）和Ta(机组惯性时间常数）换算成PID电调三环节参数（4）～（6）

试验过程中，K值取某一设定的参数，当取bt和Tn的最小值是可得出Kp、TI、TD的一组数值。同理，当取bt和Tn的最大值是可得出Kp、TI、TD的另一组数值。然后，再取最大值和最小值的中间值，组成3组数值，连同bp（永态转差系数）分别取4%、6%、8%，因此，具有4个制约因素数值组。根据以上4个数值组做空载扰动试验，通常情况下，可以从中选出一组保证水轮发电机组安全稳定运行的参数组作为整定参数。

最后，实施实验阶段的具体做法是将上述的每组数据分别作空扰试验，每进行一次，都要将该组数值整定到调速器上相应的刻度。使机组频率稳定于48Hz左右，利用频率给定旋钮迅速将频率调至52Hz，待调节稳定后，再由52Hz返回48Hz。目测转速表或用仪器自动记录升和降两次，观察其转速变化的过渡过程，通过对过渡过程的分析寻找出最优整定参数组。若用以上数组数值作空扰均达不到要求，就应作定性分析，如更换K值后，重新试验。对找到的最优参数组还应在做一次试验进行检验，最后核实一下试验结果是否最优，同时也检验了试验的重复性，在认为完全满意后就以这组参数作整定值。

2.2.2 负载扰动试验

负载扰动试验是通过试验的方法确定负载工况时的水轮发电机组调节器的最优参数。其试验过程如下。

1）根据水轮发电机组运行历史数据和经验设定若干组负载工矿的参数组。为保证电网的安全运行，调速器要具有快速适应性，当在小电网系统中运行时，负载Kp、TI值与其空载工况时的Kp、TI值基本相同；当在大电网系统中运行时，负载Kp值稍大一些，负载TI值接近于零。

2）在试验确定的空载最优整定参数下水轮发电机组进行并网，功率增减10%～20%的额定负荷。然后，同于空载扰动试验步骤，可找到最优调节过程，从而确定负载最优整定参数。当然，这种最优参数是在某种运行方式下取得的，试验时应针对电站可能的运行方式多做几组试验，以取得不同运行方式下的最优整定参数(备用)。

2.2.3 甩负荷试验

甩负荷试验时应用试验的方法确定负载扰动试验和空载扰动试验过程中选定的整定参数是否与保证计算相符合，并检验水轮发电机组调节系统的调节性能。

具体试验过程如下：

1）调整调速器开关机时间。方法是在无水工况下，通过紧急停机电磁阀，进行一次甩负荷试验。

2）确认整定参数的最优性。方法是在2.2.1和2.2.2试验中所选取的征订参数下，开机并网带负荷，然后跳开水轮发电机组出口断路器，根据水轮发电机组调节系统的过渡过程情况，确认取得安全稳定运行的可靠结果，即为取得了最优的整定参数。

2.3 水电厂运行要求

根据水电厂现场运行规程要求，通过空载扰动试验获得的空载最优整定参数，要能够保证调节系统的稳定，在以后的运行过程中不能再变动；通过负载扰动试验所获得的负载最优整定参数，在运行时可根据机组单机带负荷、并大电网或并小电网予以改变，以获得最优调节过程。

3 结语

对于已建成的水电站而言，调节对象参数是不能改变的，而调速器的某些参数是可以调整的。本文对KZT-150型块式直连机械液压调速器的永态转差系数bp、暂态转差系数bt、缓冲时间常数Td进行分析。通过空载扰动、负载扰动、甩负荷3项试验确定该调速器最优运行参数。通过此方法对调速器主要参数的整定，现场机组运行状况良好。

同时，水轮发电机组调节系统参数同电站的环境条件、机组布置方式和电力系统负荷等具体情况有关。因此，水轮发电机组调节系统规律，还有待在今后的实际工作中进一步分析并完善。希望此方法对其他水电厂水轮发电机组调速器的运行与管理具有一定的参考价值和实际意义。

[1]魏守平.现代水轮机调节技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

[2]沈祖诒.水轮机调节[M].3版.北京：中国水利水电出版社，2006.

[3]南海鹏.水轮发电机组PCC控制[M].西安：西北工业大学出版社，2002.

[4]孔繁臣.水轮机调速器参数选定及调试中常见故障分析[J].广东水利水电，2007（8）:79-81.

Governor Parameters and Its Selection of Hydropower Units

DONG Kai-song1,LIPeng-ji2,WANG Jun3,HOU Ji-kun4,KONG Fan-chen2
(1.Gansu Electric Power Research Institute,Lanzhou 730050,Gansu Province,China；2.Baishan Hydropower Plant,Huadian 132400,Jilin Province，China；3.Huizhou Pumped Storage Water Power Station,Huizhou 516100,Guangdong Province,China；4.Xi’an University of Technology，Xi’an 710048,Shaanxi Province,China）

This paper analyzes permanent speed droop bp,temporary speed droop bt,and time constant Tdof damping device of KZT-150-type Block Direct Connect Mechanical Hydraulic Governor.Through no-load disturbing test,loaded test,and load rejection test to determine the optimum operating parameters of governor.This method has certain reference significance for parameters selection of other hydropower hydrogenerating unit governor.

hydropower unit；governor；parameter selection摘要：对KZT-150型块式直连机械液压调速器的永态转差系数bp、暂态转差系数bt、缓冲时间常数Td进行分析。通过空载扰动、负载扰动、甩负荷3项试验确定该调速器最优运行参数。此方法对其他水电厂水轮发电机组调速器的参数选定具有一定的借鉴意义。

水力发电机组；调速器；参数选定

国家自然科学基金项目（50779056）资助。

1674-3814（2010）09-0062-03

TM312

B

2010-08-09。

董开松（1967—），男，硕士，高级工程师，主要从事水电机组及其附属设备的安装、调试和试验工作，风电、光伏等新能源发电设备的检测和研究工作；

李鹏吉（1980—），男，助理工程师，白山发电厂机械部专责工程师，从事水轮发电机组技术管理工作。

（编辑 李 沈）