浅析调速器在水轮发电机组中的应用

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。

中图分类号：TM312

文献标识码：A

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。

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PD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 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。

结语

数字化的管理方式使水电站的设备能够安全、稳定的运转，增加了电能的输出，为国家的繁荣发展做出巨大的贡献水电站应引进国内外先进的机械设备，不断研发新技术，并重视设备的维护和保养，以提高供电质量。

( 殷树民哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)