浅析调速器在水轮发电机组中的应用

2016-12-12殷树民哈尔滨电机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150040

中国新技术新产品 2016年1期

殷树民（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江　哈尔滨　150040）

浅析调速器在水轮发电机组中的应用

殷树民
（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040）

摘要：水电站是利用水能进行发电的综合性设施，不仅清洁环保，而且能产生大量的电能，有效的缓解了我国日益紧张的能源问题。水轮发电机组是供电系统的核心装置，内置调速器能够随时调节发电机组转速，确保供电稳定性。本文将讨论水轮发电机调速器的工作原理，及多项式方程法在其中的具体应用。

关键词：调速器；水轮发电机组；应用

1 水轮发电机组调速器的作用

水轮发电机组是由水轮机和发电机两部分组成，水轮机为原动机，利用水的能量运转，将机械能转化为电能，驱动发电机发电。水轮发电机组是水电站的核心装置，决定输出电能的电压和频率，有效控制其转速，避免由于转速过快引发电力事故。为了解决这个问题，有些水电站安装了过速保护系统，当水轮发电机组的转速超过额定数值时系统会启动，关闭进水闸门，停止发电机组工作。发电机组停止运转会终止输出电能，导致供电中断影响供电系统稳定性。将过速保护系统用于水轮发电机组是不科学，因为水轮发电机组始终在水中工作，水是一直流动的，水轮发电机组的转速是随着流水的速度而不断变化，当水流速加快时水轮发电机组也会相应提高运转速度，这样很容易达到过速保护系统的启动要求，所以机组经常会发生闸门关闭的现象。想要重新恢复机组运转，需要手动开启进水闸门，不仅耗费大量人力物力，而且恢复供电也需要一定的时间，给水电站造成了很大的经济损失。

为了实现在水轮发电机组工作时能够对其转速进行严格控制，并且能够随时调节转速以保证机组高效运转，最有效的方法是在水轮发电机组中安装调速装置。调速装置包括调速器和油压装置。调速器的作用是降低水的流速对水轮发电机组的影响，控制发电机组的转速，使输出电能的频率符合实际的供电要求，并且保持设备高效节能运行。所以调速器要有优越的性能：反应灵敏，能够迅速发现水流速度的变化，随即进行转速调节；维修方便，在发生故障时能够在第一时间找出原因并进行修理；质量可靠，调速器需要不间断的工作，所以要保证其符合国家质量合格标准且安全耐用。

2 水轮机调速器的工作原理

水轮机调速器的工作内容是调节发电机组的转速，将其控制在额定数值内，以维持供电系统稳定。水轮发电机组的转速受到水轮机主力矩的影响，而水轮机主力矩由水的密度、水轮机的效率、工作水头及水流量共同决定，水的密度是不变的，水轮机的效率、工作水头都与设备性能有关，不是容易改变的因素，而水流量是可以控制的，所以要想调节机组的转速就要改变进水的流量。

为了响应国家的号召，提高水电站的工作效率，保障工作人员的安全，许多水电站内部实施信息化管理。在水轮发动机上安装数字监控系统，并与调速器相连接，通过计算机对调速器进行24小时全方位监控，并对其进行远程操作控制。这种方法不仅可以使机组设备始终保持高效率运转，还能够提高供电系统的稳定性。

由于调速器对工作状态的反馈不是直线型的，需要通过其他与之相关的数据进行推测，采用数学建模法对调速器及水轮机工作原理进行分析，得出其工作特点。调速器的工作过程类似于阻尼过程，水轮机导叶开度的增加使得水轮发电机组的静态增益降低，减少了响应所需要的时间。而且在这个时间内调速器的动态和静态特性有了明显的改变。调速器的工作原理就是利用机组的转速波动，对水轮机导叶的开度进行适当调整，使水轮机的转速恢复到额定转速内，维持发电机组的稳定运行。

3 多项式方程法的应用

3.1 多项式方程法的作用

任何物体在运动状态下都会产生动能，水也不例外。利用水在运动状态下重量产生的惯性来实现发电具有可行性，但需要对其动能做出计算，结合工作状态下的运动情况。实现发电功能需要达到一定的转速，在额定时间内速度不会出现明显下降。借助物体惯性特征可降低运转过程中的耗能。因此在设计环节中应引入调速器，对水轮运动速率做出调控。水轮转动产生的能量并不能完全应用在发电环节中，会有部分能量在维持运转时被消耗。应用多项方程法可将不同方向的能量损耗清晰计算，结合发电机使用需求对转速做出调整。

3.2 多项式方程法在调速器中的具体应用

首先，利用传统的PID法模拟水轮发电机组调速器的工作情况，得出控制调速器整个工作过程的相关数据及调节的最终效果，对数据进行处理，得出PID控制法对系统变化的反应规律。

利用该种方法需要对已知量进行整理，假设未知量的存在形式，利用水轮发电特征优化转动模式。所得出的运算结果可应用在后续系统设计中，科学调节运转模式将动能损耗降至最小。根据试验结果表明，多项式方程法会延长调节时间，产生的误差较大，所以放弃该结果。

再次，将数据代入regress函数，同样将得到的结果代入系统进行模拟试验。试验结果表明，多项式方程法的误差小，灵敏性较高。而且该函数还能获得各项系数95%的置信区间和显著性概率P。对数据进行整合发现方程中至少有一个自变量的系数不为0，说明此方程有意义。

最后，将解析式代入到调速器的模拟运行活动中，可以得到其阶跃扰动过程，将该结果与PID控制器的效果进行对比。结果表明：在系统参数发生改变时多项式方程控制器能够及时做出反应，产生较强的抵抗性，使得调速器在工作过程中不易受到环境带来的影响，增强调速系统的抗扰动能力。

多项式方程控制器具有与T-S模糊控制器类似的解析描述，但T-S模糊控制器对输入空间采取了区域划分的办法，将非线性特征引入控制系统；而多项式方程控制器则采取钝化输入控制器解析函数差异的方法，令控制输出更加平滑，避免了T-S模糊控制器进行区域切换时发生的抖动现象。在多项式方程法的理论基础上设计的控制器不仅具备PID控制法的优点，还额外添加了独有的数值分析和输出处理环节，降低系统参数变化对调速器运行的影响，提高水轮发电机调速器的性能。