水轮机组调速系统转速死区控制

唐杰

【摘 要】水轮机的调速器是水电站的核心控制设备，调速器的核心任务之一就是要对机组的频率进行精准稳定的控制。水轮机的调速器的稳定性就是调节系统的稳定状态的能力，是对调速器静态特性的要求，调速器的“转速死区”必须满足要求。

【关键词】水轮机调速器；转速死区；最小二乘法

中图分类号： TM312 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）31-0020-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.010

【Abstract】The governor of hydraulic turbine is the core control equipment of hydropower station. One of the core tasks of the governor is to control the frequency accurately and stably. The stability of the governor of the turbine is the ability to adjust the stability of the system. It is the requirement for the static characteristic of the governor， and the speed dead zone of the governor must meet the requirements.

【Key words】Hydraulic turbine governor； Speed dead zone； Least square method

0 概述

水輪机调速器是水电站的核心控制设备之一，对发电机组的稳定运行起着非常重要的作用。对机组的频率进行精准稳定的控制是调速器的核心任务之一，水轮机的调速器的稳定性就是调节系统的稳定状态的能力，是对调速器静态特性的要求，调速器的“转速死区”必须满足要求[1]。

1 转速死区

机组在处于发电状态时，机频和网频是同步的，调速器监测机频的同时要和网频进行比较，如果两者偏差的绝对值超过调速器人工设定的频率死区，导叶开度（功率）就会按照程序内部固有的关系进行相应的调整[2]。这种频率和开度的调差变化关系就是“调差特性”的基本概念。下图1为调速器的调差关系曲线，横坐标为开度百分比，横坐标为頻差的百分比。曲线上的每一点切线的斜率的负数就是“调差率”。负数表明在于保证调节的方向正确，使发电机组在频率较高的时候关闭导叶，在频率较低的时候打开导叶。

运行中的调速器一般是将图1的曲线简化成一条直线进行处理，其线性公式如下：

在本公式中，分子为机组频率变化率的表幺值，分母为导叶行程的百分比（导叶开度）。对上式进行变换可得：

Δf=-Bp×（Δy/Y）×50

从上面公式可以得知，频差和导叶开度的偏差存在一个计算关系，当调速器在控制中对导叶开度偏差有个一个固有的数值，那么通过计算可以得知，在频差上就有一个固有的频率偏差，这个偏差就是调速器的转速死区。也可以这样说，在实际测量的调速器的静特性曲线在转速上升和下降时不是走的同一条曲线，而是两条近似平行的曲线，这两条曲线之间的部分，就是转速死区。死区的本质是由于调速器调整的导叶开度不到位引起的，在实际应用中，它对发电机机组频率控制有着很重要的影响作用，一般都将其折算到频率上去。

下图为国标对发电机调速器的转速死区的规定：

对于大型发电机机组的调速器，国家标准所要求的转速死区是小于0.02%，在做静特性试验时一般是按照这个标准来进行校验的。

2 调速死区产生的原因

根据上面的计算公式可以得知，调速器转速死区形成的原因是导叶开度控制偏差所致。在做静特性试验时，导叶开度是单方向的积累，再反方向调节的时候，在相同频率计算出的导叶给定下，导叶反馈就存在者调整不到位的现象，这样在关导叶方向和开导叶方向之间就有一定的间隙，静特性试验就是寻找这间隙的最大值。

形成转速死区的主要原因有以下几点：

2.1 主配压阀的遮程

主配压阀在电液伺服先到系统的驱动下，阀芯左右（卧式）或上下（立式）移动，形成操作油换向，从而对接力器进行开关控制。一般主配压阀阀芯的阀盘高度要大于阀套孔的直径，这样长出来的部分就是遮程。存在遮程就表面当伺服先导系统的驱动信号过于微弱的时候，阀芯位移就有可能在遮程以内，此时，主配压阀的开关腔的压力油是没有变化的，接力器不会进行动作，就导致导叶开度不会变化，从而产生转速死区。

2.2 电气反馈信号的影响

在微机调速器的随动系统中，需要反映接力器位置的电气信号，目前大部分的接力器的位移传感器都是采用的模拟量（电压值、电流值）来进行输出的，再将模拟量转换成数字量，如果采用的位移传感器的精度不高，就不能成比例的反映导叶的实际位置，会影响到调速器的控制精度从而产生转速死区。

2.3 传动机构的反方向的阻力

如下图2所示，当主配压阀的阀芯动作后，设定为开放向，开腔的压力油压Pk大于Pg， 这个时候会存在一个阻力 F，且 F>（Pk-Pg）*S， 这个阻力就会抵消掉这个压力偏差， 即这个压力偏差不足以推动接力器移动，阻力 F 更多的是来自摩擦力，这是摩擦力的物理特性决定的，只有当（（Pk-Pg）*S>（M+f），接力器才能动作。如果要关闭导叶的话， 接力器的动作条件又有了新的变化， 即（Pk-Pg）*S+M>f 就可以了，很明显，两个方向在里的传递上也是不对称的。

2.4 传动机构连接部分的空行程

水轮机传动机构在安装材质方面不可能是全理想的一体化，只要存在连接和方向的转化，就一定存在所谓的“行程损耗”，这个形成损耗可以类比联轴器之类。主配到导叶之间，存在着接力器推拉杆、控制环、拐臂等机构，它们之间存在着连接，这些连接是有间隙，这就会存在一定程度上的行程损耗，导致导叶开度控制上的偏差。

2.5 电液转换器的影响

调速器的电液转换器中普遍使用的是步进电机式电液转换器和伺服电机式电液转换器，步进电机和交直流伺服电机都具有点击的共同特点，一般点击的相应时间为2ms，步进电机从静止到工作转速需要200ms～400ms，交流伺服电机的加速性能更好，从静止加速到额定转速只需要几毫秒。调速器在调节过程中，电机不是全方位的转动，只是转动一个相应的角度，并且需要频繁换向转动，由于其响应特性，便产生了水轮机调速系统的转速死区，电液转换器造成的转速死区要比前面几个小的多。

3 柬埔寨额勒赛上电站#2机组调速器静态特性试验

3.1 发电机组及调节系统的基本情况

3.1.1 发电机组的基本情况

机组的功率为103MW，额定转速为250r/min，一共有两台机组，设计水头为134m，发电机的型号为SF103-24/6700。调速器的概况为：电气柜采用双套2003版PCC控制。机械柜采用ZFL-80/D系列自复中式主配压阀，交直流供电电压为220V，电液转换型号博士力士乐0811404036。

3.1.2 调节系统的基本情况

下图3为柬埔寨额勒赛上电站#2机组系统调节的原理框图。自动控制回路包括两种方式：电气控制柜输出控制信号（连续的电压）→伺服阀功放→切换阀→主配压阀→接力器；手动控制通路为：手动控制开关（断续脉冲）→容错控制阀组→切换阀→主配压阀→接力器。

紧急停机操作是通过紧急停机阀完成，其直接控制主配压阀完成关方向的动作。

3.2 静态特性试验

目的：测量调速器的静态特性曲线，求取调速系统的转速死区。

参数设定：

Kp=10，Ki=20，Kd=0，Bp=6%，f=50.00Hz

下表为测得详细数据：

在获得这些数据之后，要对这些数据进行一定的处理，在这里我采用了最小二乘法来对这些数据进行相应的处理，将开方向和关方向的曲线绘制在一个图上以便进行分析。

3.2.1 最小二乘法和MATLAB软件

最小二乘法（又称最小平方法）是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法也可以用于曲线的拟合。

我这里采用的MATLAB版本是MATLAB2010B，以此软件来对试验数据进行处理。

下面是相关程序的部分代码：

x=[48.75 49 49.25 49.50 49.75 50.00 50.25 50.50 50.75 51.00 51.25]； %频率

y1=[91.68 83.34 75 66.68 58.31 49.99 41.65 33.33 25.00 16.66 8.35]； %打開导叶时的导叶开度

y2=[91.67 83.34 74.99 66.68 58.35 50.02 41.67 33.33 25.01 16.66 8.33]； %关闭导叶时的导叶开度

nh1=polyfit（x，y1，2）；%对打开导叶的数据进行二次拟合

m1=48.50：0.05：51.25；%m是根据散点x来定的.

Open=polyval（nh1，m1）；%打开导叶

nh3=polyfit（x，y2，2）；%对关闭导叶的数据进行二次拟合

Close=polyval（nh3，m1）；%关闭导叶

plot（x，y1，'+'，m1，dakai，x，y2，'x'，m1，guanbi） %绘制曲线图

获得的曲线结果如下：

将其局部进行放大如下图：

3.2.2 对调差率的一个校验计算

计算图3中的斜率，从而可得

ΔF=（50.85-49.15）/50，

ΔY=（78.34-21.67）/100

Bp=ΔF/ΔY=0.06

3.2.3 死区的计算

两曲线之间的横坐标的最大偏差即为频率调整死区，将曲线完全放大。首先求量曲线之间的导叶最大偏差，从表格中可以得知，当频率f=49.75时，打开导叶和关闭导叶两者之间的导叶偏差最大。

ΔY=58.35%-58.31%=0.04%

ΔY乘以Bp即为频率调整死区：

ΔY*Bp=0.04%*0.06=0.0024%

计算出来的转速死区小于行标所要求的0.02%。上面这个计算结果是根据调速器死区的原理来寻找计算方法对试验数据进行的处理。

转速死区过大，通过理论计算得到输出值与实际从水轮机反馈回来的值存在着一定的偏差，实质是机组自动控制的失效，具体的表现为机组的频率摆动过大、主配压阀的抽动距离、打油频繁等[3]。

4 总结

转速死区的存在是影响调节系统静特性的主要因素，为提高水轮机调节系统的调节质量，要从各个方面来减小调节系统的转速死区[4]。导叶行程传感器一般是安装在导叶接力器上的，而不是实际的活动导叶所在的位置，所以所测量到的转速死区并不能真正反映系统的死区大小，忽视了最重要的传动机构部分的死区，如果将性能优良的传感器直接放在活动的导叶上来直接测量导叶的真正开度，那对精确计算转速死区具有很大的帮助。

【参考文献】

[1]张应环. 浅谈水轮机调速器的控制策略和结构的发展[J].综述，2011，05期∶2.

[2]龙洋，基于PLC的水轮机调速系统的研究[D].武汉理工大学.武汉理工大学.2013.

[3]陈龙.浅谈水轮机调速器的转速死区控制[J]. 伺服控制，2012， 7： 28-30.

[4]常中原，陆劲松，水轮机调速系统发展探讨[J].水电厂自动化，2012，04期∶24-27.