淺析調速器在水輪發電機組中的應用

殷樹民（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江　哈爾濱　150040）

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淺析調速器在水輪發電機組中的應用

殷樹民
（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040）

摘要：水電站是利用水能進行發電的綜合性設施，不僅清潔環保，而且能產生大量的電能，有效的緩解了我國日益緊張的能源問題。水輪發電機組是供電系統的核心裝置，內置調速器能夠隨時調節發電機組轉速，確保供電穩定性。本文將討論水輪發電機調速器的工作原理，及多項式方程法在其中的具體應用。

關鍵詞：調速器；水輪發電機組；應用

1 水輪發電機組調速器的作用

水輪發電機組是由水輪機和發電機兩部分組成，水輪機為原動機，利用水的能量運轉，將機械能轉化為電能，驅動發電機發電。水輪發電機組是水電站的核心裝置，決定輸出電能的電壓和頻率，有效控制其轉速，避免由于轉速過快引發電力事故。為了解決這個問題，有些水電站安裝了過速保護系統，當水輪發電機組的轉速超過額定數值時系統會啟動，關閉進水閘門，停止發電機組工作。發電機組停止運轉會終止輸出電能，導致供電中斷影響供電系統穩定性。將過速保護系統用于水輪發電機組是不科學，因為水輪發電機組始終在水中工作，水是一直流動的，水輪發電機組的轉速是隨著流水的速度而不斷變化，當水流速加快時水輪發電機組也會相應提高運轉速度，這樣很容易達到過速保護系統的啟動要求，所以機組經常會發生閘門關閉的現象。想要重新恢復機組運轉，需要手動開啟進水閘門，不僅耗費大量人力物力，而且恢復供電也需要一定的時間，給水電站造成了很大的經濟損失。

為了實現在水輪發電機組工作時能夠對其轉速進行嚴格控制，并且能夠隨時調節轉速以保證機組高效運轉，最有效的方法是在水輪發電機組中安裝調速裝置。調速裝置包括調速器和油壓裝置。調速器的作用是降低水的流速對水輪發電機組的影響，控制發電機組的轉速，使輸出電能的頻率符合實際的供電要求，并且保持設備高效節能運行。所以調速器要有優越的性能：反應靈敏，能夠迅速發現水流速度的變化，隨即進行轉速調節；維修方便，在發生故障時能夠在第一時間找出原因并進行修理；質量可靠，調速器需要不間斷的工作，所以要保證其符合國家質量合格標準且安全耐用。

2 水輪機調速器的工作原理

水輪機調速器的工作內容是調節發電機組的轉速，將其控制在額定數值內，以維持供電系統穩定。水輪發電機組的轉速受到水輪機主力矩的影響，而水輪機主力矩由水的密度、水輪機的效率、工作水頭及水流量共同決定，水的密度是不變的，水輪機的效率、工作水頭都與設備性能有關，不是容易改變的因素，而水流量是可以控制的，所以要想調節機組的轉速就要改變進水的流量。

為了響應國家的號召，提高水電站的工作效率，保障工作人員的安全，許多水電站內部實施信息化管理。在水輪發動機上安裝數字監控系統，并與調速器相連接，通過計算機對調速器進行24小時全方位監控，并對其進行遠程操作控制。這種方法不僅可以使機組設備始終保持高效率運轉，還能夠提高供電系統的穩定性。

由于調速器對工作狀態的反饋不是直線型的，需要通過其他與之相關的數據進行推測，采用數學建模法對調速器及水輪機工作原理進行分析，得出其工作特點。調速器的工作過程類似于阻尼過程，水輪機導葉開度的增加使得水輪發電機組的靜態增益降低，減少了響應所需要的時間。而且在這個時間內調速器的動態和靜態特性有了明顯的改變。調速器的工作原理就是利用機組的轉速波動，對水輪機導葉的開度進行適當調整，使水輪機的轉速恢復到額定轉速內，維持發電機組的穩定運行。

3 多項式方程法的應用

3.1 多項式方程法的作用

任何物體在運動狀態下都會產生動能，水也不例外。利用水在運動狀態下重量產生的慣性來實現發電具有可行性，但需要對其動能做出計算，結合工作狀態下的運動情況。實現發電功能需要達到一定的轉速，在額定時間內速度不會出現明顯下降。借助物體慣性特征可降低運轉過程中的耗能。因此在設計環節中應引入調速器，對水輪運動速率做出調控。水輪轉動產生的能量并不能完全應用在發電環節中，會有部分能量在維持運轉時被消耗。應用多項方程法可將不同方向的能量損耗清晰計算，結合發電機使用需求對轉速做出調整。

3.2 多項式方程法在調速器中的具體應用

首先，利用傳統的PID法模擬水輪發電機組調速器的工作情況，得出控制調速器整個工作過程的相關數據及調節的最終效果，對數據進行處理，得出PID控制法對系統變化的反應規律。

利用該種方法需要對已知量進行整理，假設未知量的存在形式，利用水輪發電特征優化轉動模式。所得出的運算結果可應用在后續系統設計中，科學調節運轉模式將動能損耗降至最小。根據試驗結果表明，多項式方程法會延長調節時間，產生的誤差較大，所以放棄該結果。

再次，將數據代入regress函數，同樣將得到的結果代入系統進行模擬試驗。試驗結果表明，多項式方程法的誤差小，靈敏性較高。而且該函數還能獲得各項系數95%的置信區間和顯著性概率P。對數據進行整合發現方程中至少有一個自變量的系數不為0，說明此方程有意義。

最后，將解析式代入到調速器的模擬運行活動中，可以得到其階躍擾動過程，將該結果與PID控制器的效果進行對比。結果表明：在系統參數發生改變時多項式方程控制器能夠及時做出反應，產生較強的抵抗性，使得調速器在工作過程中不易受到環境帶來的影響，增強調速系統的抗擾動能力。

多項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模糊控制器對輸入空間采取了區域劃分的辦法，將非線性特征引入控制系統；而多項式方程控制器則采取鈍化輸入控制器解析函數差異的方法，令控制輸出更加平滑，避免了T-S模糊控制器進行區域切換時發生的抖動現象。在多項式方程法的理論基礎上設計的控制器不僅具備PID控制法的優點，還額外添加了獨有的數值分析和輸出處理環節，降低系統參數變化對調速器運行的影響，提高水輪發電機調速器的性能。

結語

數字化的管理方式使水電站的設備能夠安全、穩定的運轉，增加了電能的輸出，為國家的繁榮發展做出巨大的貢獻。水電站應引進國內外先進的機械設備，不斷研發新技術，并重視設備的維護和保養，以提高供電質量。

參考文獻

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[2]劉仲恕.低速永磁水輪發電機的優化設計及性能仿真[J].武漢大學學報（工學版），2015（04）.

中圖分類號：TM312

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