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1、在水电站中甩负荷是一种常见的现象。水轮发电机组发生甩负荷后，巨大的剩余能量使机组转速上升 很快，调速器迅速关闭导叶并经过一段时间的调整，重新稳定在空载工况下运行。在甩负荷过程中，除了 调节保证计算所关心的最大转速上升值和最大水击压力上升值外，还要对甩负荷动态过程品质指标的优劣 进行考核。我国国家标准 GB/T 9652.11997“ 水轮机调速器与油压装置技术条件 ”2和国际电工委员会 IEC61362（1998）“水轮机控制系统技术规程” 1中对水轮发电机组甩100%额定负荷后动态品质均有规定， 其中IEC规定如下：调节时间tE从甩负荷开始到进入空载转速的相对偏差小于1%为止的时间；最 高转
2、速nmax甩负荷后的最大转速（在tm时刻）；最底转速nmin甩负荷后的最小转速；推荐值 tE/tM=2.54.0（对于转速自由缓慢下降的水斗式机组和高水头混流式水轮机，其数值可达15）, nmin/nr =0.85-0.95（仅适用于与电网解列后提供厂用电的机组），如图1所示。图 1 甩负荷过程曲线为了讨论问题方便起见，本文将调节时间tE分解为转速上升时间tM、转速下降时间tD、转速调整 时间tR三部分之和，即tE=tM+tD+tR。口1 甩负荷动态过程的品质指标分析1.1转速上升时间（tM）机组甩100%额定负荷后，由于剩余能量巨大，转速上升很快。正常情况下, 调速器以最大速度关闭导叶到零开
3、度，转速上升时间tM=tc+tn，其中：tc为调速器迟滞时间，取决于调速 器的死区大小、机组转速的上升速率以及运行工况等，调速器在非限制条件下， tc 一般大约在 0.2s0.3s。tn为调保计算中的升速时间，被定义为自导叶开始动作到最大转速所经历的时间。升速时间tn与取 决于水轮机主动力矩和机组惯性力矩之比，即与机组特性有关。采用比转速（ns）统计法有：tn=TnT9，Tn为 相对升速时间，m=0.9-0.00063ms 5。可以看出，相对升速时间Tn随比转速的增加而减少，即低比转速、 高水头水轮机相对升速时间大，高比转速、低水头水轮机相对升速时间小。Ts为导叶直线关闭时间。由于迟滞时间 t
4、c 较升速时间 tn 小得多，一般情况下，可将转速上升时间 tM 等同于调保计算中的升 速时间tn看待。根据统计资料大多机组的tM=（26）s 3。1.2转速下降时间（tD）它表示机组甩负荷后，导叶直线关闭到零并一直保持到零开度（相当于机组紧 急停机）情况下，自最高转速下降到空载转速区域为止的时间，或称为最快转速下降时间。在最高转速之前， 机组处于水轮机工况，之后，进入制动和反水泵工况，转轮区的水起阻力作用，再加上机械摩擦阻力矩及 电磁阻力矩等，机组转速开始下降。转速下降时间tD大小取决于水轮机阻力矩和机组惯性力矩之比。当水轮机力矩特性近似为线性时， 水力降速阻力矩与升速主动力矩基本对称（如一
5、些可逆式水泵水轮机），并且导叶关闭不受限制时，tDtM。 但由于导叶开度只能关闭到零位，水对转轮的阻力作用受到限制，转速下降减缓，因此tDtM。对于低水 头、大流量、高比速的水轮机，空载开度较大，在甩负荷过程中，水力升速主动力矩作用时间缩短，水力 降速阻力矩作用时间延长。同时由于机组尺寸大、机械摩擦阻力矩亦较大。因而，相对升速时间Tn较小。 相反，对于高水头、小流量、低比速的水轮机，空载开度较小，水力降速阻力矩作用时间远小于升速主动 力矩作用时间，再加上尺寸小、机械摩擦阻力矩较小，相对升速时间 Tn 较大，此时 tDtM。由于转速进入大波动范围，主配压阀限幅限制了主接力器的关闭与开启速度，主接
6、力器限幅限制了 调速器对水轮机的控制能力的发挥等等。可把甩负荷过程划分为大波动和小波动两个阶段分别对待。大波 动过渡过程阶段（转速上升时间 tM 和转速下降时间 tD 时段内）与调节保证计算结果有关，而与调速器的调 节控制性能无关，这一阶段只要求调速器能正常关闭和开启。转速从大波动到小波动的过渡阶段、以及进 入到小波动阶段，甩负荷过程的动态品质才取决于调速器的调节控制性能。1.3转速调整时间（tR）转速调整时间tR是指转速以最快速率第一次下降到进入空载区域开始到最终 进入空载稳定区域所经历的时间。理想情况是当转速以最快速度下降到空载转速区域时，迅速打开导叶到 空载开度，使转速不再超出空载稳定区
7、域，此时tR=0。但是，导叶从全关位置开大到空载开度需要一定的 时间，在导叶打开的过程中，转速将继续下降，转速必然存在超调现象，即nmin/nrl,并随着打开时间越 长，超调量越大。实际上可能达到的最佳情况是当转速下降到接近空载转速时，提前以设定的最大速度即 以最短时间打开导叶，并在导叶开到空载开度时，转速也正好进入空载转速区域。此时，nmin/nrT,转速 调整时间tDR最小。如果调速器的调节控制性能不佳，或调节参数选择不当，导叶过晚打开或打开速度较 慢，超调量很大；导叶过早打开，甚至在机组甩负荷后导叶就根本不能关到零，转速下降速度缓慢，转速 调整时间tR势必延长。2 甩负荷过程的仿真计算近
8、年来，虽然自适应控制、模糊控制技术等在水轮机控制系统得到一定范围的应用。但目前已投入运 行绝大多数调速器仍采用传统的口 PID口控制方式，由于其具有结构简单、鲁棒性好、易实现等优点。只要 结构和参数选择得当，在某种程度上可达到最优控制，具有良好的控制性能。2.1机组甩100%额定负荷过渡过程模型以下选取辅助接力器型（串联口PID结构）和电子调节器型 （并联 PID 结构）两种较为典型结构的调速器5，采用目前国际上流行的科学与工程计算软件 MATLAB 语言编程和 SIMULINK 可视化图形模块对水轮机调节系统甩负荷过程建模，并进行仿真计算，研究改进调 速器控制性能的方法和途径。时间r1/|-
9、 D.3)阶馱输人MLT秦達工图 2 水轮机调节系统甩负荷过程模型图2为水轮机调节系统甩负荷过程模型，其中GDr(s)为调速器功能模块,Gt(s)+Gg(s)为调节对象(水 轮发电机组)功能模块。调速器中的各环节采用非线性模型，其中：bp=6.0%，第一级液压放大时间常数 Tyb=0.01s，第二级液压放大时间常数Ty=O.ls，空载开度Ty=30%，直线关闭时间T，s=4.0s。在调节对象功 能模块中，水轮机为混流式线性模型、引水系统为单元引水刚性水击模型、发电机为单机电网模型，其参 数分别为： eg=0， ey=1.0,ex=-1.0， eh=1.5， eqy=1.0， eqx=-01，
10、eqh=0.5， Tw=1.0s， Ta=5.0s。图 3 控制方式及调节参数变化时的甩负荷过程仿真曲线2.2 调速器特性对甩负荷过渡过程影响 图 3 为机组甩 100%额定负荷仿真曲线。 从框图结构上看，辅助接力器型和电子调节器型在对应等效的调节参数情况下，其甩负荷过程曲 线形态接近，说明并联口PID结构与串联PID结构控制效果相差不大。 从调节参数的影响看，随着调节参数bt、Td增大，机组开度开启时刻提前，且开启速度放慢， 调整时间tR延长，超调量减小。对于转速有超调而未超出空载转速的规定偏差范围，调整时间tDR可能 缩短。微分时间 Tn 减小，机组开度开启时刻推后，且开启速度放慢，导致超
11、调增大。 从控制方式看，开度给定只从调差环节输入图3(a)与开度给定从调差环节和软反馈同时输入图 3(b)相比较，在相同的调节参数情况下，后者机组开度会关的更小，能使转速更快下降，而且过渡过程受 调节参数的变化影响较小，均存在一定的超调。另外，开度给定只从调差环节输入图3(a)与按开度改变软 反馈系数方式图3(c)相比较，后者机组开度的开启速度始终保持最大，并不受调节参数的影响，其中在第 二组参数下，接近最佳的过渡过程，是一种较为理想的情况。从图3 还可以看出，在推荐最佳调节参数(第 一组参数)下，过渡过程较好，且在不同的控制方式下相差不大，都存在一定的超调2.3 调节对象特性对甩负荷过渡过程
12、影响 图 4是采用辅助接力器型调速器得出了一组仿真曲线。图 4(a)中分别取 Tw=1.0s、1.5s、2.0s，相应的取 Ta=5Tw, Ts=4Tw，bt=3Tw/Ta, Td=2Tw,Tn=lTw。从结果中可以看出，最大的转速上升值0.40、最大压力上升值0.36 保持不变，最小值也保持不变，各特征点值 发生的时间与Tw的大小成比例，或者说如果以t/Tw为横坐标，三条曲线将重合为一条曲线。在电站设计 中，当水流惯性时间常数Tw确定后，根据水击压力上升允许值可计算出导叶直线关闭时间Fs。当Fs选 定后，根据转速上升允许值可计算出机组惯性时间常数Ta,并按推荐公式求出调节参数。水流惯性时间常
13、 数Tw不但集中体现了调节对象特性，而且最佳调节参数也取决水流惯性时间常数Tw,所以，Tw决定了 水轮机调节系统的动态过程形态和调节时间的长短。在图4(b)中分别取 Tw=1.0s、1.5s、2.0s，保持 Ta=50s不变，相应的取 Ta=5Tw， T，s=4Tw,bt=3Tw/Ta,Td=2Tw,Tn=lTw 。从结果中可以看出，压力上升最大值0.36保持不变，但此时转速 上升最大值及出现的时刻不相同，这说明在保持水击压力不变(Tw/Ts等于定值)前提下，转速上升最大值 随Tw/Ta的增大而增大，而其相对升速时间Tn=tn/Ts随之减小。这相当于水头接近、机组型号相同，而引 水管道不同的情
14、况。对于小容量机组而言，在选型设计中往往套用一些已建成类似电站的机组，但一般应 使新建电站的Tw/Ta不超过老电站Tw/Ta为原则，而对大容量机组来说，其结果将导致电站投资的增大。Jfrtr图 4 调节对象参数变化时的甩负荷过程仿真曲线由以上分析中可见，影响机组甩负荷过渡过程因素存在有一定的相互联系，图4(a)条件符合大部分 电站情况。2.4线性与非线性水轮机模型对仿真结果的影响图5仿真曲线是采用非线性水轮机模型6HL160 的力矩特性Ml=fl(a,nl)与流量特性Qlm=f2(a,nl),和线性水轮机模型得到的。此时，引水系统采用单元 引水弹性水击模型。可以看出，线性与非线性水轮机模型得到
15、的甩负荷过程仿真曲线存在一定的差异，主 要表现在以下两方面： 二者转速峰值发生的时间不同。这是因为在线性水轮机模型中的力矩特性在整个甩负荷过程中不 变，转速峰值发生在水轮机力矩等于零时刻，即mt=ey(y-yk)+exX+eh.h=0。而非线性水轮机模型中的力矩 特性在甩负荷过程中是变化的，转速峰值也发生在水轮机力矩等于零时刻，即Ml=fl(a,nl)=0。其转速峰 值比线性模型超前，对应的开度大于空载开度，与实际情况比较接近。 二者压力变化曲线不同。同理，线性模型中的流量特性在甩负荷过程中是不变的，而非线性模型 中的流量特性则是变化的，从而造成压力变化曲线不同。特别是在导叶处于全关位置时，非
16、线性模型中的 压力曲线出现了振荡。这是由于在非线性模型中，当导叶开度为零时，水轮机流量等于零，引水管道中压力将产生振荡，振荡周期与弹性水击模型中的水击相长 tr=2L/a 成比例。而线性模型中的流量特性 q=eqy(y-yk)+eqxX+eqhh在导叶开度为零时，流量q并不一定为零，并且还随转速x、水头h变化，相当 于导叶开度不为零的情况，水轮机转轮在整个引水管道中起阻尼作用，吸收管道内的能量，因而不会产生 压力振荡。4 2 I fl 6 4 2 0 21 1 1 a 1 i o o D o o gw;水轮机非线惟换劈水轮捉线性損呗开廈$-苔兰芒勺-水轮机在域性棋S3 一京較机线催題皑水头h转連卫5)辅撞墩、按幵度取变妆反愤曲图 5 线性与非线
