关于水电站机组甩负荷的几点认识（杨海）

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1、关于水电站机组甩负荷的几点认识（杨海）　　摘要：本文从“水轮机控制系统技术规程”中对水轮发电机组甩100%额定负荷后动态品质指标分析入手，对水轮机调节系统甩负荷过程进行分析，分析了水轮机调速器典型结构、调节参数和控制方式对控制性能影响。结果表明：在调速器中引入适当的非线性控制环节，能够很好地解决大波动到小波动过程的平稳过渡，从而使甩负荷过程性能指标显著提高；非线性与线性水轮机模型甩负荷仿真曲线的变化趋势相近，因而线性水轮机模型仿真结果具有代表性。 　　关键词：水轮发电机组甩负荷性能指标非线性控制 　　在水电站中甩负荷是一种常见

2、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。 　　1.1、转速上升时间: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

3、一般大约在0.2s～0.3s。 　　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：为相对升速时间，τn=0.9-0.00063•ns。可以看出，相对升速时间τn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。T′s为导叶直线关闭时间。由于迟滞时间tc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

4、多机组的tm=(2～6)s。 　　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(如一些可逆式水泵水轮机)，并且导叶关闭不受限制时，

5、tD≈tM。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tD＞tM。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τn较大，此时tD>tM。 　　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

6、开启速度，主接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

7、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域，此时tR=0。但是，导叶从全关位置打开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/nr2、甩负荷过程的分析 　　水轮机调节系统甩负荷过程，一般用r(s)表示调速器功能模块，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=0.1s，空载开度Ty=30%，直线关闭时间T′s=

8、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，G=EN-US>eqx=-01，eqh=0.5，Tw=1.0s，Ta=5.0s。