步进电机式调速器频率控制性能分析

步进电机式调速器频率控制性能分析

周彬黄岷江吴缙

(国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏 南京 210003)

摘要：介绍了步进电机式调速器的控制原理及系统结构，建立了仿真模型，并对其频率控制性能进行了仿真分析，为同类调速器产品的设计提供了参考。

关键词：调速器；主配压阀；频率控制；仿真建模

收稿日期:2015-05-17

作者简介：周彬(1987—)，男，江苏南通人，硕士，助理工程师，研究方向：电气工程自动化。

0引言

我国的额定电网频率为50 Hz，偏差要小于0.2 Hz，电力系统负荷的不断变化会导致电网频率的波动。水力发电厂通过引水管道把水的势能转变为水轮机转动的机械能，发电机将水轮机的机械能转变为电能。水轮发电机组调速器根据电网频率变化，调节水轮发电机组的输出功率，维持机组转速在额定转速的规定范围内，这就是水轮发电机组调速器的基本功能。

1控制原理

水轮发电机组调速器通过电液转换器驱动液压随动系统，液压系统通过导叶接力器控制压力引水系统[1-2]。其工作原理如下：调速器采集机组的转速信号与给定频率比较，计算出偏差值，根据偏差值的大小及变化趋势计算并输出控制信号，实现对水轮发电机组液压部分的控制。电气控制部分包括比例、微分、积分环节，比例环节的作用是对输入频差信号进行线性放大，实现频率信号到开度信号的线性转换；微分环节的作用是产生频率偏差信号的微分值，获得频率偏差信号的变化趋势，防止调节过度；积分环节的作用是计算频差信号变化的积分值，减少或消除控制系统的静态偏差[3]。电液转换器将控制信号放大，产生相应方向、满足导叶接力器流量要求的液压信号，控制接力器的开启或关闭，从而控制水轮发电机组。

从水轮发电机组调节工况看，在空载工况下，调速器调节并维持机组频率在额定频率附近，在投入频率跟踪功能后，能跟踪电网频率，使得被控机组尽快同期并入电网运行，进入发电工况。进入发电工况后调速器作为整个电网的频率调节器，完成一次调频任务。当机组由发电工况转向空载工况时，调速器迅速减去负荷，稳定机组转速在额定频率附近。

2系统结构

步进电机式水轮发电机组调速器由电气控制装置和机械执行机构组成。

电气控制装置采用贝加莱系列可编程控制器PCC2005，输出导叶的电气开度控制信号。电气控制装置可根据用户要求配置成单机或冗余双机系统，双机结构的两套模块从输入至输出以及电源配置完全相同，且相互独立，双机采用冗余热备方式，在运行过程中，未参与控制的备用通道退出，不影响调速系统的正常工作。可通过切换把手选择主/备用通道，采用无扰切换控制方式调速器的远方控制和现地控制功能，并有相应接点输出，能与电站计算机监控系统进行数字信号、模拟信号以及开关量输入/输出信号的通讯和数据交换。

机械执行机构由电—机转换机构、引导阀、主配压阀、紧急停机电磁阀等组成。电—机转换机构是调速器电气部分和机械执行机构连接的关键元件，它将电机的转矩和转角转换成为具有一定操作力的位移输出，并具有断电自动复中的功能。电—机转换机构的位移输出通过引导阀推动主配压阀阀芯动作，以实现对水轮发电机组接力器的控制。主配压阀具有掉电复中功能，在外部电源意外消失时，主配压阀阀芯自动回复至中位，不会造成水轮发电机组运行不稳定和出力波动；在出现意外时，通过紧急停机电磁阀控制主配压阀阀芯向关闭方向动作，以实现紧急停机。

3系统建模

3.1电气系统建模

调速器PID调节仿真模型中PID控制就是3种基本控制——比例控制(P)、积分控制(I)和微分控制(D)组合而成的一种综合控制[4]。比例控制实现信号成比例放大的功能，微分控制获得输入信号的微分，积分控制获得输入信号的积分，三者一般采用并联组合方式，即信号相加，所以连续系统PID控制算法的时域表达式为：

(1)

式中，yPID(t)为PID控制器的输出信号；KP、KI、KD分别为比例、积分、微分增益；e(t)为输入的频率偏差信号。

图1为步进电机式调速器电气系统模型框图。

图1　电气系统模型框图

3.2机械液压系统建模

电液随动系统即液压执行机构，其接收调速器电气信号，驱动伺服阀，产生操作力推动导水机构，使导叶开大或关小，从而调整水流流量。电液随动系统采取两级放大方式，分别为引导阀—辅助接力器部分(第一级放大)和主配压阀—主接力器部分(第二级放大)[5]。把两个部分作为一个整体进行考虑时，通常采用一种被称为辅助接力器型的典型结构，图2为步进电机式调速器机械液压系统模型框图。

图2　电液随动系统模型框图

水轮发电机组及其引水系统、负荷三者之间存在复杂的水、机、电的联系，机组与引水系统可以作为一个整体来研究，称作机组—引水系统。在发电状态下由于机组转速的波动很小，所以在分析该部分模型时可以忽略机组转速的影响，将其视为常量。

3.3调速系统建模

下面针对负载运行并入大电网的方式，分析步进电机调速系统的控制性能，水轮发电机组选择轴流式机组，以刚性水击模型为例进行步进电机式调速器控制性能仿真，仿真模型如图3所示。

图3　步进电机调速系统仿真模型

4仿真与分析

自动发电工况下的调速器受频率给定值控制，调节器对机频反馈与频率给定的差值进行PID运算，调节输出信号带动机械液压装置调节导叶开度，直至机组频率等于给定频率，从而实现了频率调节[6]。

在控制系统输入0.1 Hz、0.2 Hz扰动时研究调速系统的响应曲线，仿真结果(图4、图5) 分析如下：步进电机式水轮发电机组调速器在0.1 Hz、0.2 Hz扰动下，系统响应时间为0.1 s，稳定时间在10 s以内，控制性能良好。

图4　0.1 Hz扰动下系统响应波形

图5　0.2 Hz扰动下系统响应波形

5结语

本文介绍了步进电机调速系统的工作原理，详细描述了其电气系统、机械液压系统的构成，建立了电气部分及机械液压部分的数学模型，并通过仿真软件模拟调速系统的频率控制过程。仿真试验表明，步进电机调速系统的频率控制性能良好，具有很好的动态响应及稳定性能。本文结合步进电机调速系统的工作原理、结构组成，分析了步进电机调速器的频率控制性能，对调速器及其同类产品的设计具有一定的指导意义。

[参考文献]

[1]孙郁松.三峡水轮发电机组调速系统的非线性鲁棒控制及工程实用化研究[D].北京：清华大学，2001.

[2]陈嘉谋.水轮机调节系统计算机仿[M].北京：水利电力出版社，1993.

[3] 陆佑楣，潘家铮.抽水蓄能电站[M].北京：水利电力出版社，1992.

[4] 南海鹏，王德意，王涛.水轮发电机组调速器PCC测频装置的研究[J].水利水电技术，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.水轮机调节[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.