调速器配压阀非线性特性对水轮机调节系统动态特性的影响

孔昭年，周同旭，田忠禄，张晓峰，尤永陶，熊晓蕾，程广蕾，王柏柏，郭珺瑶

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100044；2.天津电气科学研究院有限公司，天津 300186；3.中国电力工程有限公司，北京 100044)

调速器配压阀非线性特性对水轮机调节系统动态特性的影响

孔昭年1，周同旭2，田忠禄1，张晓峰3，尤永陶3，熊晓蕾2，程广蕾2，王柏柏2，郭珺瑶2

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100044；2.天津电气科学研究院有限公司，天津 300186；3.中国电力工程有限公司，北京 100044)

在引水系统中具有调压井、计入水轮机非线性特性、缓冲型PID调节器的条件下，对水轮机调节系统开展仿真特性分析，重点研究了表征配压阀-接力器非线性特性参数Ke的影响；明确提出调速器配压阀饱和特性Ke是一个表征配压阀-接力器特性的重要指标性参数，当配压阀位移超过此值时调速器就处于严重的非线性状态。

调压井；水轮机非线性特性；PID调节器；配压阀；饱和特性

在国家能源局“替代调压井的新型调压阀及其控制系统研究与电站示范应用”科技项目的安排下，中国水利水电科学研究院与天津电气科学研究院有限公司合作开发了基于Simulink的水轮机调节系统通用仿真程序。本文利用该程序对水轮机调速器配压阀非线性特性对水轮机调节系统动态特性的影响开展计算分析。

本文仍采用文献[1,2]给出的表征、计算分析水轮机非线性特性的方法：

右端四个矩阵及水轮机流量和力矩的特性矩阵应在仿真数据准备阶段根据有关数据表1求得，对于轴流转桨式水轮机对应每个定桨特性相类地求取水轮机流量和力矩的特性矩阵；在实时仿真的主程序段，只要已知某一时刻的x11t和at就可很快计算出该时间的单位流量和单位力矩：

计算的水电站引水管道带有调压井，带调压井的引水系统数学模型为：

式中：

计算配压阀特性时水轮机、引水系统、发电机、甚至初始条件及调速器均取完全相同的参数，这样在一个完全一样的平台上进行分析配压阀的特性，才能得出明确的结论。观察下页图1：该图为水轮机调速器部分，图中取缓冲型调速器，在调速器部分共有五个非线性环节：环节2、5表征调节器，接力器输出控制在0～1.0；环节3表征缓冲回路输出限幅，通常值为-0.2～0,2。

图1 水轮机自动调节系统结构图

环节1、4是本文提出的水轮机调速器引导阀、主配压阀的非线性，它是典型的饱和型非线性。图2显示的是未标示主配压阀死区的配压阀的速度特性，图2中：——接力器活塞运动速度；Sf、Sg——主配压阀关、开整定行程；Sf0、Sg0——主配压阀设计行程；Sz——无反馈时的控制阀输入信号；Tg、Tf——开关机整定时间，他们是由机组发电安全决定的参数，没有可调整的可能；Ty——接力器响应时间常数，它由配压阀设计及开环放大倍数决定，有一点的调整空间，当它过小时，会引发液压系统的震荡，甚至不稳定。

通常整定导叶开启时间与关闭时间相等Tf=Tg，其值通常为4～10 s；水轮机接力器时间常数Ty，值通常为0.1～0.4 s。定义Ke=Ty/Tf，配压阀的饱和系数，如前述其值通常为0.01～0.05，可见水轮机调速器配压阀的饱和特性是非常严重的。

图2 配压阀的速度特性(未标示主配压阀死区)

为能说明水轮机调速器配压阀非线性特性对水轮机调节系统动态特性的影响，取某混流式水轮机作为算例，有单位流量特性和水轮机单位力矩特性（见表1）；电站主要参数：Tw1=3.9 s；Tw2=1.1s；a1=0.046；a2=0.056；Te=345.8 s；Ta=4.5 s；调速器参数：Td=5 s，bt=0.4，Tn=0.4 s，Tg=5 s，Tf=5 s。

表1 某型号水轮机流量、力矩特性矩阵

Ty，Ty1分别表示引导阀控制系统和主配压阀-主接力器随动系统时间常数。计算水轮发电机组由负荷70%突增10%，Ty：0.01、0.1、0.15、0.3和Ty1: 0.01、0.15、0.3；计算水轮机自动控制系统接力器的过渡过程。计算结果分别载于图3 a)、b)、c)、d)，计16条过渡过程曲线。计算可归纳如下结果：

（1）由于计算取完全一致的数学模型、初始条件和计算步长等，这16条过渡过程曲线最后稳态趋势也相同，由于电站引水系统带有调压井导叶接力器最后进入稳定的低频振荡；

a)

b)

c)

图3 配压阀特性对水轮机调节系统过渡过程的影响

表2 Ke对过渡过程波峰值的影响（相对于0.76）的超调量

（2）见表2，随着ke、ke1的增大一个稳定系统过渡过程由均单调过程变成震荡过程，而且震荡加剧，超调量大幅增大；ke=ke1=0.002时，调速器近于继电器特性，由图3a)及表1可见：过渡过程由单调过程，随着仅Ty(ke)的增大到0.06，波峰值由-0.005增大到0.009；

（3）当ke=ke1=0.002，相等的增大到0.06时，超调量急剧增大到0.02；

（4）为进一步详化起见，在图4上载有当引导阀和主配压阀分别近于理想环节时水轮机调节系统过渡过程。可以看出：当导叶关闭时间设置在主配压阀处时（Tf1=5）的速动性高于设置在引导阀处（Tf=5）时的速动性；

图4 配压阀-接力器特性对水轮机调节系统过渡过程的影响

（5）应强调Tf是机组调节保证条件确定的参数值，它不能如稳定参数那样可进行广泛的调整，而Ty是设计参数有相当大的调整范围，在电站调试时要认真整定防止形成附加震荡；作为原则不必追求死区的减小，防止形成震荡；

（6）由计算可以看出调速器配压阀饱和特性ke是一个表征配压阀-接力器特性的重要指标性参数，当配压阀位移超过此值时调速器就处于严重的非线性状态，作为一般度量，取0.01～0.03表征线性区这一指标是合适的。

[1]孔昭年.水轮机控制系统的设计与计算[M].武汉：长江出版社，2012.

[2]DL/T1120-2009水轮机调节系统自动测试及实时仿真装置技术条件[S].

[3]DL/T 1548-2016水轮机调节系统设计与应用导则[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，教授级高级工程师，从事水轮机控制技术研究工作。