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[摘 要]通过对调速系统的静态、动态调试过程及结果进行分析，以检查调速器工作的平稳性，确定调速器转速死区和最大非线性度，检查调速器质量及动作的准确性以及在各种工况下的性能和技术指标是否符合设计及有关技术规范要求，求得机组运行的最佳调节参数
[关键词]调速系统，静态调试，动态调试，转速死区，最大非线性度，调节参数
中图分类号：TV736 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0110-02
1 概述
水轮机调速器是水轮机调节系统的核心，也是水电站总体自动化系统的关键部件之一。调速器对水轮机的控制，是自动控制原理在水轮发电机组控制上的具体应用，为了保证水轮发电机组安全、可靠运行，改善电能品质，水轮机调速器还应满足动作及时。在负载发生变化后，调速器应能很快反应，及时动作，并在尽可能短的时间内使机组重新稳定。动作准确。调速器对导叶开度的控制应当准确。要与负载变化的要求一致，过程平稳。调节过程中机组转速等工作参数发生波动是必然的，但是，波动的次数要少，幅度要小的基本要求
因此，在发电机组投入运行前，需要对调速系统进行静态和动态两方面的调试及试验。
2 调速系统静态调试
2.1 调速器静特性试验目的
检查调速器工作的平稳性，确定调速器转速死区和最大非线性度，检验永态转差系数的偏差。
2.2 试验方法
调速器处于自动工况，负载状态，开度或频率调节模式，bp = 6%， Kp=10，Ki=10 1/s，Kd=0，电气开限Yl =100%，开度给定Yg=50%，fj=50.00Hz，fg=50.00Hz。将机频fj升高或降低，使接力器接近全关或全开位置，调整频率信号值，使之按一个方向逐次升高或降低，每隔0.2Hz变化一次，让接力器移动全行程。在接力器每次变化稳定后，记录该次信号频率值及相应的接力器行程值。分别绘制频率升高和降低的调速器静态特性曲线，要求其近似为一直线，最大非线性度≤5%，两曲线间的最大区间即为转速死区i x，要求i x≤0.04%，同时校验永态转差系数bp值。试验应连续进行两次以上，试验结果取其平均值。试验结果见附图一。
其参数的计算方法如下：
1） 最大非线性度
在规定范围内，当输入量不变时，静态特性曲线和其贴切直线之间的最大输出偏差与贴切直线最大输出量之比。作静特性曲线的贴切直线后量得在GV=10%～90%范围内，贴切直线与静特性曲线的最大输出偏差为0.44，贴切直线最大输出量为80。故最大非线性度为
△max=0.44/80=0.55%
最大非线性度在允许值（5%）范围内。
2） 转速死区
由图一量得接力器往返同一行程两个点的最大频率差△f=0.005Hz，故
i x=△f/f r=0.005/50=0.01%
實测转速死区小于规定值（0.04%）。
3） 永态转差系数的偏差
由于该静特性的非线性度很小，所以可从曲线上任取一部分AB段表示曲线的总趋势。得△f 1=1Hz，△GV=33。按bp的定义有
bp=dx/dy=1/50/33/100=6.06%
bp的偏差为
△bp=6.06%—6%=0.06%
可见bp的偏差小于规定值（±0.5%）。
注：发电站机组调速器的现场静态特性试验测定的转速死区是机组调速器系统死区，系统自身的控制死区主要体现在主配压阀的活塞上，在电气控制部分不做任何补偿的情况下（电气控制的死区相对于机械部分而言是几近可以忽略的），调速器系统的转速死区主要由主配活塞的折层决定。
折层较大则相应来说调速器机械手动控制相对较易稳定，但对调速器系统死区不利。反之则自动控制死区小但机械控制尤其是采用机械钢丝绳反馈控制的系统则不易达到较理想的人为控制。
2.3调节系统静特性转速死区的影响
由于调节系统静特性存在转速死区，并列运行机组各调速器的永态转差系数值，决定了系统负荷在各机组间的静态分配，假定两台并列运行机组各有一台调速器，其永态转差系数相等c即静特性线斜率相等。如图（a）、（b）所示]。设调整前两机负荷相等，即N1= N2，且转速都为n1，当负荷增大时，机组转速下降到n2，此时两台机组承担的变动负荷分别为△N1和△N2，由于两台机组的调速器具有相同的永态转差系数bp，则△N1=△N2，即两台机组平均分担变动负荷。显然bp值越小，静特性越平缓，摆动的范围也越大。
若两台机组的调速器具有不同的bp值，且bP1 当系统负荷增加△N时，两台机组转速同时下降到n2，此时第一台机组增加△N1，第二台增加△N2，且△N=△N1+△N2；，由图可知，△N1>△N2，即第一台承担大部分变动负荷；同理，在系统负荷减少时，第一台机组减少的负荷也较第二台机组多。由此推证出，合理调整系统内各并列运行机组调速器的永态转差系数，就可使机组间变动负荷的分配符合要求。为了让效率高的机组带基本负荷，将其调速器的bp值整定得较大；效率低的机组带变动负荷，将bp值整定得较小。
3 调速系统动态调试
3.1 空载扰动试验
3.11空载扰动试验目的
机组空转调整调速器空载频率调节参数PID匹配，在通过机组惯性时间常数和水流惯性时间常数确定下来的PID调节参数的基础上，通过Kp、Ki、Kd对输出控制分别的影响趋势和特点来综合调整，依据空载频率摆动测试和空载扰动试验特性来确定一组相对最优PID控制参数作为调速器工作参数，选择缓冲时间常数Td、暂态转差系数bt和局部反馈系数α等调节参数的最佳配合值。 3.12 试验方法
空载工况，频率模式，死区切除，频率50Hz。将机组频率信号和接力器位移信号接入仿真仪的“F”通道和“Y”通道，将“频给”置额定频率，将电液调节装置投入自动，首先选择小的扰动量（如2Hz）来考查所选PID参数的调节品质，然后再选择最高扰动量（4Hz）来检测所选PID参数的最优调节品质。用仿真仪将机组转速和接力器位移参数的变化过程全部记录下来，以分析调速器性能，使缓冲时间常数Td、暂态转差系数bt和局部反馈系数a等调节参数的最佳配合值使之满足下列要求：
1）由扰动开始到转速稳定（相对转速摆动值不超过土0.25%）为止的调节时间Tp，对机调一般不大于30S，对电调一般不大于20S。
2）转速最大超调量σ要小，一般不应超过扰动量的30%；
3）超调次数要少，一般不超过两次。
3.13调速系统空载参数的影响
缓冲时间常数Td可在0～20S内调整；暂态转差系数bt可在0～100%范围内调节，个别的可达0～140O%；局部反馈系数a可在0.1～0.5范围内调整，个别的为0.1～0.7。永态转差系数bP的值由0～10%给定，担任基荷时，bP值较大，担任峰荷时，bP值较小。
综上可见，可调参数取得较大时，其稳定区域相应增大，但稳定性过高，调节时间TP将增加，还会增大超调量和超调次数，调速器动作迟缓，降低调节品质；同时增大a值后，转速死区有所增加，因此，在调整调速器参数时，要在满足稳定性要求的前提下，力求调节过渡过程快速衰减。要兼顾动、静调节质量，一般由Td 和bt值来保证稳定性，在不破坏调节系统稳定性的前提下，减小a。
3.2甩负荷试验
3.21 甩负荷试验目的
1）考核在已选定的调速器调节参数下，调节系统大波动的过渡过程中的动态品质，最终鉴定调速器的工作性能和调节质量，同时考核部分系统和辅机设备对甩负荷工况的适应能力；
2）测定甩负荷时机组转速上升率和蜗壳水压等数据，验证调节保证计算的正确性；
3）整定导叶关闭时间和关闭规律。
3.22试验方法
机组带上被试负荷。甩负荷一般按25%、50%、75%、100%逐次进行。经调度员同意后，发出准备试验信号，经3～5s后再发出跳开发电机断路器的命令，同时观察和记录各种数据。调节过程结束后，对波形图和主要的目测数据进行初步分析。估计下次甩负荷对安全无问题时，可准备作下一次试验。特别要注意不能使机组转速上升或蜗壳水压超过允许值。
3.23对甩负荷动态过程的品质要求：
1）甩去100%负荷后，在转速变化过程中，超过稳态转速3%额定转速值以上的波峰不超过2次；
2）甩去100%负荷后，从接力器第一次向开启方向移动起，到机组转速摆动相对值不超过±0.5%为止所经历的时间，应不大于40s；
3）甩25%负荷后，接力器不动时间对电调不大于0.2s，对机调不大于0.3s；
4）在水轮机工作水头范围内，机组的转速上升和蜗壳水压、尾水管真空值等不超过规定值。
4 结语
由此可见静特性试验的转速死区会使调节系统对频率变动的反映不灵敏，造成负荷分配的不确定性，甚至可能造成机组或电网运行不稳定。转速死區越大、曲带越宽，上述影响也越大。调速器系统性能的优劣，主要是能否稳定运行，在稳定工况时能否维持一定的静态准确度。
在进行空载扰动试验过程中，当机组频率达到额定50HZ，调节器内设定扰动频率，如1HZ、2HZ、4HZ上下扰动，记录机组转速、接力器行程等过渡过程，选取转速摆动值和超调量较小、波动次数少、稳定快的一组调节参数，提供空载运行使用。同时，通过扰动试验确定调节器品质及调节器最适合的PID参数，必须使机组空载频率波动特性满足相应国家技术标准的要求。
甩负荷试验前机组需经过空载和负载运行，调速系统工作正常，才能进行试验，保证各系统设备正常可靠动作。机组在甩去额定负荷后，转速上升率，水压上升率在合格范围，且未引起限速保护动作即为合格。
通过对调速系统的静态、动态调试试验，选定各工况下的最优参数，保证了调速器的调节平稳性、速动性、可靠性，提高了水电站供电的安全可靠性和经济效益
[关键词]调速系统，静态调试，动态调试，转速死区，最大非线性度，调节参数
中图分类号：TV736 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0110-02
1 概述
水轮机调速器是水轮机调节系统的核心，也是水电站总体自动化系统的关键部件之一。调速器对水轮机的控制，是自动控制原理在水轮发电机组控制上的具体应用，为了保证水轮发电机组安全、可靠运行，改善电能品质，水轮机调速器还应满足动作及时。在负载发生变化后，调速器应能很快反应，及时动作，并在尽可能短的时间内使机组重新稳定。动作准确。调速器对导叶开度的控制应当准确。要与负载变化的要求一致，过程平稳。调节过程中机组转速等工作参数发生波动是必然的，但是，波动的次数要少，幅度要小的基本要求
因此，在发电机组投入运行前，需要对调速系统进行静态和动态两方面的调试及试验。
2 调速系统静态调试
2.1 调速器静特性试验目的
检查调速器工作的平稳性，确定调速器转速死区和最大非线性度，检验永态转差系数的偏差。
2.2 试验方法
调速器处于自动工况，负载状态，开度或频率调节模式，bp = 6%， Kp=10，Ki=10 1/s，Kd=0，电气开限Yl =100%，开度给定Yg=50%，fj=50.00Hz，fg=50.00Hz。将机频fj升高或降低，使接力器接近全关或全开位置，调整频率信号值，使之按一个方向逐次升高或降低，每隔0.2Hz变化一次，让接力器移动全行程。在接力器每次变化稳定后，记录该次信号频率值及相应的接力器行程值。分别绘制频率升高和降低的调速器静态特性曲线，要求其近似为一直线，最大非线性度≤5%，两曲线间的最大区间即为转速死区i x，要求i x≤0.04%，同时校验永态转差系数bp值。试验应连续进行两次以上，试验结果取其平均值。试验结果见附图一。
其参数的计算方法如下：
1） 最大非线性度
在规定范围内，当输入量不变时，静态特性曲线和其贴切直线之间的最大输出偏差与贴切直线最大输出量之比。作静特性曲线的贴切直线后量得在GV=10%～90%范围内，贴切直线与静特性曲线的最大输出偏差为0.44，贴切直线最大输出量为80。故最大非线性度为
△max=0.44/80=0.55%
最大非线性度在允许值（5%）范围内。
2） 转速死区
由图一量得接力器往返同一行程两个点的最大频率差△f=0.005Hz，故
i x=△f/f r=0.005/50=0.01%
實测转速死区小于规定值（0.04%）。
3） 永态转差系数的偏差
由于该静特性的非线性度很小，所以可从曲线上任取一部分AB段表示曲线的总趋势。得△f 1=1Hz，△GV=33。按bp的定义有
bp=dx/dy=1/50/33/100=6.06%
bp的偏差为
△bp=6.06%—6%=0.06%
可见bp的偏差小于规定值（±0.5%）。
注：发电站机组调速器的现场静态特性试验测定的转速死区是机组调速器系统死区，系统自身的控制死区主要体现在主配压阀的活塞上，在电气控制部分不做任何补偿的情况下（电气控制的死区相对于机械部分而言是几近可以忽略的），调速器系统的转速死区主要由主配活塞的折层决定。
折层较大则相应来说调速器机械手动控制相对较易稳定，但对调速器系统死区不利。反之则自动控制死区小但机械控制尤其是采用机械钢丝绳反馈控制的系统则不易达到较理想的人为控制。
2.3调节系统静特性转速死区的影响
由于调节系统静特性存在转速死区，并列运行机组各调速器的永态转差系数值，决定了系统负荷在各机组间的静态分配，假定两台并列运行机组各有一台调速器，其永态转差系数相等c即静特性线斜率相等。如图（a）、（b）所示]。设调整前两机负荷相等，即N1= N2，且转速都为n1，当负荷增大时，机组转速下降到n2，此时两台机组承担的变动负荷分别为△N1和△N2，由于两台机组的调速器具有相同的永态转差系数bp，则△N1=△N2，即两台机组平均分担变动负荷。显然bp值越小，静特性越平缓，摆动的范围也越大。
若两台机组的调速器具有不同的bp值，且bP1
3 调速系统动态调试
3.1 空载扰动试验
3.11空载扰动试验目的
机组空转调整调速器空载频率调节参数PID匹配，在通过机组惯性时间常数和水流惯性时间常数确定下来的PID调节参数的基础上，通过Kp、Ki、Kd对输出控制分别的影响趋势和特点来综合调整，依据空载频率摆动测试和空载扰动试验特性来确定一组相对最优PID控制参数作为调速器工作参数，选择缓冲时间常数Td、暂态转差系数bt和局部反馈系数α等调节参数的最佳配合值。 3.12 试验方法
空载工况，频率模式，死区切除，频率50Hz。将机组频率信号和接力器位移信号接入仿真仪的“F”通道和“Y”通道，将“频给”置额定频率，将电液调节装置投入自动，首先选择小的扰动量（如2Hz）来考查所选PID参数的调节品质，然后再选择最高扰动量（4Hz）来检测所选PID参数的最优调节品质。用仿真仪将机组转速和接力器位移参数的变化过程全部记录下来，以分析调速器性能，使缓冲时间常数Td、暂态转差系数bt和局部反馈系数a等调节参数的最佳配合值使之满足下列要求：
1）由扰动开始到转速稳定（相对转速摆动值不超过土0.25%）为止的调节时间Tp，对机调一般不大于30S，对电调一般不大于20S。
2）转速最大超调量σ要小，一般不应超过扰动量的30%；
3）超调次数要少，一般不超过两次。
3.13调速系统空载参数的影响
缓冲时间常数Td可在0～20S内调整；暂态转差系数bt可在0～100%范围内调节，个别的可达0～140O%；局部反馈系数a可在0.1～0.5范围内调整，个别的为0.1～0.7。永态转差系数bP的值由0～10%给定，担任基荷时，bP值较大，担任峰荷时，bP值较小。
综上可见，可调参数取得较大时，其稳定区域相应增大，但稳定性过高，调节时间TP将增加，还会增大超调量和超调次数，调速器动作迟缓，降低调节品质；同时增大a值后，转速死区有所增加，因此，在调整调速器参数时，要在满足稳定性要求的前提下，力求调节过渡过程快速衰减。要兼顾动、静调节质量，一般由Td 和bt值来保证稳定性，在不破坏调节系统稳定性的前提下，减小a。
3.2甩负荷试验
3.21 甩负荷试验目的
1）考核在已选定的调速器调节参数下，调节系统大波动的过渡过程中的动态品质，最终鉴定调速器的工作性能和调节质量，同时考核部分系统和辅机设备对甩负荷工况的适应能力；
2）测定甩负荷时机组转速上升率和蜗壳水压等数据，验证调节保证计算的正确性；
3）整定导叶关闭时间和关闭规律。
3.22试验方法
机组带上被试负荷。甩负荷一般按25%、50%、75%、100%逐次进行。经调度员同意后，发出准备试验信号，经3～5s后再发出跳开发电机断路器的命令，同时观察和记录各种数据。调节过程结束后，对波形图和主要的目测数据进行初步分析。估计下次甩负荷对安全无问题时，可准备作下一次试验。特别要注意不能使机组转速上升或蜗壳水压超过允许值。
3.23对甩负荷动态过程的品质要求：
1）甩去100%负荷后，在转速变化过程中，超过稳态转速3%额定转速值以上的波峰不超过2次；
2）甩去100%负荷后，从接力器第一次向开启方向移动起，到机组转速摆动相对值不超过±0.5%为止所经历的时间，应不大于40s；
3）甩25%负荷后，接力器不动时间对电调不大于0.2s，对机调不大于0.3s；
4）在水轮机工作水头范围内，机组的转速上升和蜗壳水压、尾水管真空值等不超过规定值。
4 结语
由此可见静特性试验的转速死区会使调节系统对频率变动的反映不灵敏，造成负荷分配的不确定性，甚至可能造成机组或电网运行不稳定。转速死區越大、曲带越宽，上述影响也越大。调速器系统性能的优劣，主要是能否稳定运行，在稳定工况时能否维持一定的静态准确度。
在进行空载扰动试验过程中，当机组频率达到额定50HZ，调节器内设定扰动频率，如1HZ、2HZ、4HZ上下扰动，记录机组转速、接力器行程等过渡过程，选取转速摆动值和超调量较小、波动次数少、稳定快的一组调节参数，提供空载运行使用。同时，通过扰动试验确定调节器品质及调节器最适合的PID参数，必须使机组空载频率波动特性满足相应国家技术标准的要求。
甩负荷试验前机组需经过空载和负载运行，调速系统工作正常，才能进行试验，保证各系统设备正常可靠动作。机组在甩去额定负荷后，转速上升率，水压上升率在合格范围，且未引起限速保护动作即为合格。
通过对调速系统的静态、动态调试试验，选定各工况下的最优参数，保证了调速器的调节平稳性、速动性、可靠性，提高了水电站供电的安全可靠性和经济效益