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基于流量模型的多喷针冲击式水轮机组调速器控制策略研究

2025-05-06 91 上传者：管理员

摘要：传统多喷针冲击式水轮机组大多采用基于开度模型的调速器控制策略，调节时间和超调量较大，严重影响机组功率调节质量。为了提高机组在喷针切换过程中功率的稳定性，考虑喷针开度与流量的非线性关系，提出了一种基于流量模型的调速器控制策略。仿真结果表明，相较传统方法，其能显著降低流量波动峰值，有效保持功率稳定并减小调节时间。

关键词：
多喷针冲击式水轮机组
水电站
流量模型
经济运行
调速器
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水电作为国民支柱产业之一,对社会经济发展极为重要｡其中,水电机组作为重要物理载体,如何调控使其高效平稳发电一直是备受关注的问题｡

20世纪末,随着高水头电站的大力开发与应用,国内冲击式水轮机组不断向着大容量､多喷针方向发展,同时适应高水头冲击式水轮机组控制特性的专用调速器应运而生[1],其脱胎于反击式水轮机调速器,采用喷针开度作为控制参量,相关技术发展迅速｡文献[2]提出了一种新的开机控制方式以优化喷针的启停过程,实现各喷针间切换无扰动,以确保机组安全稳定经济运行｡文献[3]提出了基于9区图的增益自适应调节的PID控制方法,具有负载定开度运行模式等三大模式,可有效提高并网及小网运行的稳定性｡文献[4]基于开度模型,研究了工况转换时喷针的切换规律及折向器控制,提出了一种冲击式机组液压系统设计和控制流程｡

但是上述研究未考虑冲击式水轮机组的喷嘴过流量与喷针开度的非线性关系,所采用开度控制模型将使得多喷针冲击式水轮机组在调节机组负荷及增减喷针数量､切换喷针次序过程中存在较大的功率波动[5]｡文献[6]针对水电站大波动过渡过程计算综合特性曲线问题,推导了喷针行程与喷嘴过流量的关系式,能更好地反映喷嘴过流量特性,但未涉及机组调速器控制策略｡

因此针对上述问题,本文在现有多喷针冲击式水轮机组调速器控制策略的基础上,引入流量作为控制参量,提出了基于流量模型的多喷针冲击式水轮机组调速器控制策略,并开展仿真分析,验证了所提方法的有效性｡

1、多喷针冲击式水轮机组非线性特征及喷针切换

多喷针冲击式水轮机组喷针构建布置图如图1所示,喷管内装雪茄型喷针,其轴线与喷射机构轴线重合,并通过沿轴线移动从而改变喷嘴过流量｡

图1喷针构件布置

如图1,喷针在位置A时,喷嘴开度､喷针开度均为0｡喷嘴开启后,喷针由位置A移至位置B,令喷针开度为ΔS,则喷针行程和过流量关系如下所示[6]:

式中:Q表示喷嘴过流量;d1表示喷嘴直径;α表示针阀锥角;β表示喷嘴锥角;φ表示射流流速系数;H表示工作水头｡

由式(1)可知,喷嘴过流量与喷针开度呈非线性关系｡以国内某大型六喷六折冲击式水轮机组喷针开度-喷嘴过流量特性曲线为例,图2中横坐标为喷针开度标幺值,纵坐标为喷嘴过流量标幺值,其非线性特征明显,此时水轮机转速与水头固定｡

图2喷针开度-喷嘴过流量特性曲线

图3冲击式水轮机功率-效率特性曲线

出于效率考虑,多喷针冲击式水轮机组在不同的负荷条件下所需喷针数量不同,而不同负荷下需要使用的喷针数量由水轮机组效率曲线确定｡如图3,以某六喷六折大型冲击式水轮机组功率-效率特性曲线为例,机组在功率调节过程中,随着功率不同与喷针行程的变化,喷针数量也会来回切换｡在低负荷区其多用2喷针控制,中负荷区多用3或4喷针控制,高负荷区多用6喷针控制｡因此在负荷调节过程中,存在2喷针与3喷针切换､3喷针与4喷针切换､4喷针与6喷针切换的情况,对机组功率调节影响较大｡

在增､减功率的过程中,当功率越过设定的喷针切换拐点时,即会发生喷针切换,部分喷针从0开度增大,部分喷针从大开度关到0开度,还有部分喷针从大开度关到小开度,最后达到新的平衡｡

2、现有多喷针冲击式水轮机组调速器控制策略缺点

目前多喷嘴冲击式水轮机大多采用旧有反击式水轮机的基于开度模型的调速器控制策略,即以导叶开度为控制参量,计算总开度值,再根据喷针数量分配,某六喷六折大型冲击式水轮机调速器基于开度模型的控制框架如图4所示｡

图4调速器基于开度模型的控制框架

图4中,ω为机组转速;ωref为转速给定值;yi(i=1…6)为各喷针的开度反馈;Y为6个喷针的开度反馈总和;Yref为机组开度给定值;Ypid为PID调节器输出的喷针总开度计算值｡该框架下,分配器依托算法将Ypid参照图3的效率曲线分配给6个喷针中所选定的喷针,然后通过喷针跟随系统控制各喷针实际开度｡

在喷针切换过程中,虽然其总开度保持不变,但由于喷针开度-喷嘴过流量的非线性,总流量在调节过程中将出现波动,导致先降低后增加的问题,使得机组功率反复调节,大大增加调节时间和超调量,严重影响机组功率调节质量｡

3、基于流量模型的调速器控制策略

针对上述不足,考虑将PID控制器中开度改为过流量,对应控制框架如图5所示｡

图5调速器基于流量模型的控制框架

图5中,将各喷针的开度反馈yi(i=1…6)通过喷针开度-喷嘴过流量曲线特性转换为各喷嘴过流量Fi,相加后作为机组的流量反馈,送入PID调节器｡其输出Fpid作为机组流量的计算值,分配器将机组流量计算值按照一定的算法分配给选定喷针,其数量由机组功率(或流量)根据图3的效率曲线决定｡每个喷针获得自己应提供的过流量Fi后,再通过喷针开度-喷嘴过流量曲线将各自Fi转换为各喷针的开度Yi,最终通过喷针跟随系统控制各喷针实际开度｡

4、仿真实验

为进一步验证所构建模型的有效性,在仿真冲击式水轮机组上对传统的基于开度模型的调速器控制策略和本文基于流量模型的调速器控制策略进行了对比试验｡以机组由2喷针运行转3喷针运行为例,两种方法下调速器在转换过程中各喷针开度和喷嘴过流量的变化曲线分别如图6､图7所示｡

如图6､图7所示,在喷针转换前,机组给定值———即开度模型下指开度给定､流量模型下指流量给定———略低于2喷针-3喷针切换值,喷针2和喷针5对称运行;随后略微增加调速器的给定值使其刚好越过2喷针-3喷针切换值,这时喷针2调整到一个较小开度运行,喷针5关闭,喷针4和喷针6开启,达到新的稳态后喷针2､4､6对称运行｡

进一步实验,两种方法下喷针切换过程中机组喷针平均流量波动对比如图8所示｡

从图8可知,喷针切换过程中,采用所提出基于流量模型的调速器控制策略时,相应机组的流量波动峰值显著减小｡同时,在喷针切换结束时,所提出方法对应机组流量仅较调整前机组流量给定值略有增加,而传统方法下,由于调节过程中只保证机组平均开度略有增加,考虑喷针开度与喷嘴过流量的非线性特性,机组流量与喷针切换前相比大幅增加｡

图6基于开度模型的调速器控制策略下各喷针开度和喷嘴过流量的变化曲

图7基于流量模型的调速器控制策略下各喷针开度和喷嘴过流量的变化曲线

图8两种方法下喷针切换过程中机组流量对比

根据机组功率闭环原理,以上两点意味着基于开度模型的调速器控制策略下,冲击式水轮机组在喷针切换过程中机组功率有大幅度波动,机组反复调节,调节时间较长;而基于流量模型的调速器控制策略下,冲击式水轮机组在喷针切换过程中机组的功率比较平稳,调节时间也较短｡

5、结语

本文考虑喷针开度与喷嘴过流量的非线性特性,在传统的调速器控制策略中建立流量模型,将各喷针的开度反馈通过开度-流量曲线转换为对应的流量反馈,提出了一种基于流量模型的多喷针水轮机组调速器控制策略｡其通过将PID输入的开度给定变为流量给定,使得PID输出由计算开度变为计算流量,进一步在控制各喷针时将计算流量通过开度-流量曲线转为各喷针开度,从而控制各喷针｡最后本文通过仿真对比,证明了在冲击式水轮机组的功率调节中,流量模型相较于开度模型,机组的流量更加平稳,功率调节时间更短｡同时,该方法已成功应用于田湾河电站冲击式水轮机组的调速器改造,并取得了良好效果｡

参考文献:

[1]潘熙和,王丽娟.我国水轮机调速技术创新回顾与学科前景展望[J].长江科学院院报,2011,28(10):221-226.

[2]季余忠,刘璇,劳鹏飞.冲击式机组的喷嘴自动控制[J].水电能源科学,2009,27(2):163-165.

[3]涂振祥.多喷嘴冲击式大型水轮机组的调速器控制与特殊工况运行问题研究[J].电力系统保护与控制,2009,37(16):16-19,34.

[4]次仁桑珠,索珍,余纪伟,等.多喷嘴冲击式机组调速器改造及其控制研究[J].小水电,2016(1):39-42.

[5]潘熙和,聂伟,程玉婷,等.特大型多喷嘴冲击式水轮机调速系统研究[J].长江科学院院报,2019,36(6):146-152.

[6]钟全胜,赖旭,游秋生.冲击式水轮机喷嘴流量特性及其大波动过渡过程研究[J].水电能源科学,2012,30(9):130-132.

文章来源:贾改红,陶卫中,何可智.基于流量模型的多喷针冲击式水轮机组调速器控制策略研究[J].水电与新能源,2025,39(04):37-41.