浅谈水轮机调速器的转速死区控制

浅谈水轮机调速器的转速死区控制

邱雄挺

（浙江浙能华光潭水力发电有限公司浙江临安311322）

摘要：随着国内各巨型水电机组的陆续投产，水电所占电力系统负荷的比例日趋加大，这对调速器的控制机理、可靠性和灵敏性要求日趋更高。同时，随着科技的整体进步，电力系统对调速器的要求也越来越高，电网对水电机组的快速并网、一次调频考核、带负荷速度等都有着具体的标准和严格考核。所以，大型水电机组调速器对频率灵敏、精准的控制显得尤其重要。

关键词：水轮机；调速器；转速死区控制

1调速器的功能

调节有功功率：我国大多数中小水电机组都是并入电网，长期带固定负荷运行的。机组并网后，转速已被电网拖入同步状态，故不需继续调频，其主要操作是调节有功功率。调速器具有开环调功和闭环调功两种方式，所用的执行机构又是数控电液随动系统，具有定位精度高，带自锁装置不溜负荷等特点，从而使整个调节有功功率的过程达到迅速、平稳、精确的水平。

自动调频功能：中小型水轮发电机组在农村小电网中，经常因电网解列而被迫甩负荷停机。调速器有性能优越的自动辨识系统，一旦电网解列，自动辨识系统立即将调速器由并网带基荷运行状态改为带小网调频运行状态。快速的状态辨识及调控，能使调速器在电网解列后迅速自救，不会造成电网解列后，地方小电网全网崩溃的严重后果，保障了发电、供电、用电的安全。

2调速器转速死区产生的原因及其影响

调速器转速死区形成的原因是导叶开度控制偏差所致，因此可以从整个系统分析入手，找出造成导叶控制偏差的原因。

对常见的调速器而言，相同频率的情况下，其计算出的导叶开度给定基本没有误差，在此可以忽略不计。然而，导叶给定和导叶反馈之间是有偏差的，尤其是在做静特性试验时，由于导叶开度单方向的积累，再反方向调节的时候，在相同频率计算出的相同导叶给定下，导叶反馈就存在调整不到位的现象，这样关、开方向之间势必有一定的间隙。静特性试验的目的就是找出这个间隙的最大值。

形成这种偏差的原因主要有以下几点：

（1）主配压阀的遮程

主配压阀在电液伺服先导系统的驱动下，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。图1，为主配结构的简单示意图，一般主配压阀阀芯的阀盘高度要大于阀套孔的直径，这样长出的部分的一半就是我们常说的遮程。存在遮程，这就意味着，伺服驱动信号微弱，阀芯位移就有可能在遮程以内，此时，主配开关腔的压力油是没有变化的，接力器不会动作。

图1主配内部结构简图

（2）传动机构的反方向阻力

如图2所示，当主配压阀芯动作后，假设为开方向，开腔压力油压Pk大于关腔压力油压Pg，但这时如果在开方向有一个较大的阻力F，且F>（Pk-Pg）*S，这个阻力就会抵消这个压力偏差，即这个压力偏差不足以推动接力器移动。这一特性，在贯流式机组尤其明显，这是因为在关方向一侧，推力环上一般会设置一个重锤，这个重锤犹如图中所示的M重力块，形成一个阻力特性。

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（Pk-Pg）*S>（Mg+f），接力器才能动作。如果接力器需要关闭，接力器动作条件又有了新的变化，即，（Pg-Pk）*S+Mg>f即可动作，显然，两个方向在力的传递上也是不对称的。

图2接力器传动示意图

（3）传动机构连接部分的空行程和材料弹性形变

水轮机组传动机构在安装和材质方面不可能是完全理想的一体化组织，只要存在连接和方向转化，一定就存在“行程损耗”，这个行程损耗可以类比联轴器之类。这里有一个“效率”的概念，这一点也非常易于理解。主配到导叶之间，还存在着接力器推拉杆、控制环、拐臂这些机构，它们之间存在着连接，这些连接不可能完全没有间隙，只要有间隙，就会存在行程损耗，造成开度控制上的偏差。

这一点可用图3简单表示，△y为每个衔接部分的空行程。如果不考虑材质形变，施加于模块1的位移量是y1，第4个模块的位移量则是，y2=(y1-△y1-△y2-△y3)。同样，如果反方向移动，模块1必须移动2*(△y1+△y2+△y3)的距离，才能使得模块4移动，这样就造成了导叶偏差。材质形变也是同样的道理，只是没那么明显。

值得注意的是，一般调速器所谓的导叶开度并不是真正活动导叶的开度，而是导叶接力器位移的百分比，这样也会让测量数值的准确性大打折扣。

当然，造成转速死区偏差也有其他偶发因素，比如导叶传感器本身死区、安装松动等，这些都在一些电站发生过。

图3接力器传动机构形成损耗示意图

3静特性试验对转速死区测量的意义

调速器是通过静特性试验来测试转速死区的，下面用图4，简单对转速死区的一种算法表述一下：

（1）绘制曲线。根据试验数据，将频率和两个方向的开度关系绘图如下，称作静特性实验曲线（局部放大图）。

（2）对调差率Bp的一个校验计算

计算图中曲线斜率，从放大图中可以测得：△F=(48.8495-48.835)/50,△Y=(88.85-88.35)/100。Bp=△F/△Y=0.058

（3）死区计算

图4静特性曲线

两曲线之间横坐标（频率）最大偏差即为频率调整死区，但要求将曲线完整放大，用目测来估算最大区间，也可以采用下面简单估算方法：首先求的两曲线之间导叶最大偏差，从表格中可以得到，第5点导叶偏差最大，△Y（max）=35.40%-34.90%=0.5%，△Y（max）乘以Bp即为频率调整死区：△Y（max）*Bp=0.5%*0.058=0.029%。国标要求小于0.04%，行标要求小于0.02%。上述过程只是简单的计算方法，实际试验中更多地是利用专业软件，将测量数据自动生成所校验的数值。或利用计算机技术求解出上述曲线的2阶方程，再求出两者间的间隙，算出转速死区。

转速死区如果过大，意味着理论计算输出和实际的反馈有偏差，实质就是理论和自动控制的失效，具体表现为机组频率摆动过大，主配抽动剧烈，打油频繁，管路振动，难于并网等。

但转速死区也不是越小越好，过于精准可能会使得主配压阀非常灵敏，这对系统未必是好事。系统中如果存在一定的死区，在动态调节过程中，该死区会“离散在”整个调节过程中，使得导叶反馈曲线和给定曲线并不完全一致，且形成一个相对平缓的调节过渡过程，这对有效抑制机组惯性造成的频率反馈滞后是有利的。

4总结

随着国内设备加工工艺、材质和安装水平的提高，转速死区测量下来一般都满足国标要求。在做静特性试验时，主要测量的是频率和开度反馈的关系，所以导叶的精准控制非常重要。静特性试验主要考验的是电液伺服系统、主配和传动机构，所以实际试验中不必过多测试软件、纯电气部分，因为后者的造成的偏差几乎是可以忽略不计的。

参考文献

[1]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.

[2]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,2015,5:2.