殷樹民（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江　哈爾濱　150040）

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淺析調(diào)速器在水輪發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用

殷樹民
（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040）

摘要：水電站是利用水能進(jìn)行發(fā)電的綜合性設(shè)施，不僅清潔環(huán)保，而且能產(chǎn)生大量的電能，有效的緩解了我國日益緊張的能源問題。水輪發(fā)電機(jī)組是供電系統(tǒng)的核心裝置，內(nèi)置調(diào)速器能夠隨時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速，確保供電穩(wěn)定性。本文將討論水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速器的工作原理，及多項(xiàng)式方程法在其中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：調(diào)速器；水輪發(fā)電機(jī)組；應(yīng)用

1 水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的作用

水輪發(fā)電機(jī)組是由水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)兩部分組成，水輪機(jī)為原動(dòng)機(jī)，利用水的能量運(yùn)轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。水輪發(fā)電機(jī)組是水電站的核心裝置，決定輸出電能的電壓和頻率，有效控制其轉(zhuǎn)速，避免由于轉(zhuǎn)速過快引發(fā)電力事故。為了解決這個(gè)問題，有些水電站安裝了過速保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速超過額定數(shù)值時(shí)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)，關(guān)閉進(jìn)水閘門，停止發(fā)電機(jī)組工作。發(fā)電機(jī)組停止運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)終止輸出電能，導(dǎo)致供電中斷影響供電系統(tǒng)穩(wěn)定性。將過速保護(hù)系統(tǒng)用于水輪發(fā)電機(jī)組是不科學(xué)，因?yàn)樗啺l(fā)電機(jī)組始終在水中工作，水是一直流動(dòng)的，水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速是隨著流水的速度而不斷變化，當(dāng)水流速加快時(shí)水輪發(fā)電機(jī)組也會(huì)相應(yīng)提高運(yùn)轉(zhuǎn)速度，這樣很容易達(dá)到過速保護(hù)系統(tǒng)的啟動(dòng)要求，所以機(jī)組經(jīng)常會(huì)發(fā)生閘門關(guān)閉的現(xiàn)象。想要重新恢復(fù)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)，需要手動(dòng)開啟進(jìn)水閘門，不僅耗費(fèi)大量人力物力，而且恢復(fù)供電也需要一定的時(shí)間，給水電站造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

為了實(shí)現(xiàn)在水輪發(fā)電機(jī)組工作時(shí)能夠?qū)ζ滢D(zhuǎn)速進(jìn)行嚴(yán)格控制，并且能夠隨時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以保證機(jī)組高效運(yùn)轉(zhuǎn)，最有效的方法是在水輪發(fā)電機(jī)組中安裝調(diào)速裝置。調(diào)速裝置包括調(diào)速器和油壓裝置。調(diào)速器的作用是降低水的流速對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的影響，控制發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，使輸出電能的頻率符合實(shí)際的供電要求，并且保持設(shè)備高效節(jié)能運(yùn)行。所以調(diào)速器要有優(yōu)越的性能：反應(yīng)靈敏，能夠迅速發(fā)現(xiàn)水流速度的變化，隨即進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；維修方便，在發(fā)生故障時(shí)能夠在第一時(shí)間找出原因并進(jìn)行修理；質(zhì)量可靠，調(diào)速器需要不間斷的工作，所以要保證其符合國家質(zhì)量合格標(biāo)準(zhǔn)且安全耐用。

2 水輪機(jī)調(diào)速器的工作原理

水輪機(jī)調(diào)速器的工作內(nèi)容是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，將其控制在額定數(shù)值內(nèi)，以維持供電系統(tǒng)穩(wěn)定。水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速受到水輪機(jī)主力矩的影響，而水輪機(jī)主力矩由水的密度、水輪機(jī)的效率、工作水頭及水流量共同決定，水的密度是不變的，水輪機(jī)的效率、工作水頭都與設(shè)備性能有關(guān)，不是容易改變的因素，而水流量是可以控制的，所以要想調(diào)節(jié)機(jī)組的轉(zhuǎn)速就要改變進(jìn)水的流量。

為了響應(yīng)國家的號(hào)召，提高水電站的工作效率，保障工作人員的安全，許多水電站內(nèi)部實(shí)施信息化管理。在水輪發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，并與調(diào)速器相連接，通過計(jì)算機(jī)對(duì)調(diào)速器進(jìn)行24小時(shí)全方位監(jiān)控，并對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制。這種方法不僅可以使機(jī)組設(shè)備始終保持高效率運(yùn)轉(zhuǎn)，還能夠提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由于調(diào)速器對(duì)工作狀態(tài)的反饋不是直線型的，需要通過其他與之相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行推測(cè)，采用數(shù)學(xué)建模法對(duì)調(diào)速器及水輪機(jī)工作原理進(jìn)行分析，得出其工作特點(diǎn)。調(diào)速器的工作過程類似于阻尼過程，水輪機(jī)導(dǎo)葉開度的增加使得水輪發(fā)電機(jī)組的靜態(tài)增益降低，減少了響應(yīng)所需要的時(shí)間。而且在這個(gè)時(shí)間內(nèi)調(diào)速器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性有了明顯的改變。調(diào)速器的工作原理就是利用機(jī)組的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉的開度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速內(nèi)，維持發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 多項(xiàng)式方程法的應(yīng)用

3.1 多項(xiàng)式方程法的作用

任何物體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下都會(huì)產(chǎn)生動(dòng)能，水也不例外。利用水在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下重量產(chǎn)生的慣性來實(shí)現(xiàn)發(fā)電具有可行性，但需要對(duì)其動(dòng)能做出計(jì)算，結(jié)合工作狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)情況。實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能需要達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速，在額定時(shí)間內(nèi)速度不會(huì)出現(xiàn)明顯下降。借助物體慣性特征可降低運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的耗能。因此在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中應(yīng)引入調(diào)速器，對(duì)水輪運(yùn)動(dòng)速率做出調(diào)控。水輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的能量并不能完全應(yīng)用在發(fā)電環(huán)節(jié)中，會(huì)有部分能量在維持運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)被消耗。應(yīng)用多項(xiàng)方程法可將不同方向的能量損耗清晰計(jì)算，結(jié)合發(fā)電機(jī)使用需求對(duì)轉(zhuǎn)速做出調(diào)整。

3.2 多項(xiàng)式方程法在調(diào)速器中的具體應(yīng)用

首先，利用傳統(tǒng)的PID法模擬水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的工作情況，得出控制調(diào)速器整個(gè)工作過程的相關(guān)數(shù)據(jù)及調(diào)節(jié)的最終效果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出PID控制法對(duì)系統(tǒng)變化的反應(yīng)規(guī)律。

利用該種方法需要對(duì)已知量進(jìn)行整理，假設(shè)未知量的存在形式，利用水輪發(fā)電特征優(yōu)化轉(zhuǎn)動(dòng)模式。所得出的運(yùn)算結(jié)果可應(yīng)用在后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，科學(xué)調(diào)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)模式將動(dòng)能損耗降至最小。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明，多項(xiàng)式方程法會(huì)延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，產(chǎn)生的誤差較大，所以放棄該結(jié)果。

再次，將數(shù)據(jù)代入regress函數(shù)，同樣將得到的結(jié)果代入系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，多項(xiàng)式方程法的誤差小，靈敏性較高。而且該函數(shù)還能獲得各項(xiàng)系數(shù)95%的置信區(qū)間和顯著性概率P。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合發(fā)現(xiàn)方程中至少有一個(gè)自變量的系數(shù)不為0，說明此方程有意義。

最后，將解析式代入到調(diào)速器的模擬運(yùn)行活動(dòng)中，可以得到其階躍擾動(dòng)過程，將該結(jié)果與PID控制器的效果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變時(shí)多項(xiàng)式方程控制器能夠及時(shí)做出反應(yīng)，產(chǎn)生較強(qiáng)的抵抗性，使得調(diào)速器在工作過程中不易受到環(huán)境帶來的影響，增強(qiáng)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力。

多項(xiàng)式方程控制器具有與T-S模糊控制器類似的解析描述，但T-S模糊控制器對(duì)輸入空間采取了區(qū)域劃分的辦法，將非線性特征引入控制系統(tǒng)；而多項(xiàng)式方程控制器則采取鈍化輸入控制器解析函數(shù)差異的方法，令控制輸出更加平滑，避免了T-S模糊控制器進(jìn)行區(qū)域切換時(shí)發(fā)生的抖動(dòng)現(xiàn)象。在多項(xiàng)式方程法的理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的控制器不僅具備PID控制法的優(yōu)點(diǎn)，還額外添加了獨(dú)有的數(shù)值分析和輸出處理環(huán)節(jié)，降低系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)調(diào)速器運(yùn)行的影響，提高水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速器的性能。

結(jié)語

數(shù)字化的管理方式使水電站的設(shè)備能夠安全、穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，增加了電能的輸出，為國家的繁榮發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。水電站應(yīng)引進(jìn)國內(nèi)外先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備，不斷研發(fā)新技術(shù)，并重視設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)，以提高供電質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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