0 概述

　　水轮机调速器是水电站核心控制设备之一，承担着机组的导叶开度、机组频率、机组功率的自动控制。随着国内各巨型水电机组的陆续投产，水电所占电力系统负荷的比例日趋加大，这对调速器的控制机理、可靠性和灵敏性要求日趋更高。同时，随着科技的整体进步，电力系统对调速器的要求也越来越高，电网对水电机组的快速并网、一次调频考核、带负荷速度等都有着具体的标准和严格考核。所以，大型水电机组调速器对频率灵敏、精准的控制显得尤其重要。

　　调速器核心任务之一，就是对机组频率的精准控制，其自身的“转速死区”必须满足要求，如何对“转速死区”这一传统概念再认识，并使其在水机控制上真正发挥积极作用，本文重点给予介绍。

　　1 转速死区的定义和国标要求

　　当机组处于发电态，机组频率和网频是同步的，调速器检测机组频率并和网频进行比较，如果两者偏差的绝对值超过调速器人工设定的频率死区，导叶开度（功率）就会按照程序内部固有的关系做相应的调整。这种频率和开度（功率）的调差变化关系就是“调差特性”的概念。该概念可用图1-1进行表述，横坐标是开度（功率）百分比，纵坐标是频差的百分比。绘成曲线，曲线上每一点切线的斜率的负数就是我们常说的“调差率”。负数的物理意义在于保证调节的方向正确，使得机组在高频时关闭导叶，低频时开启导叶。

　　实际运行中的调速器一般是将图1-1的曲线简化成一条直线进行处理，其线性公式1-1如下：

　　式中，分子为机组频率变化率的标幺值，分母为导叶行程的百分比（导叶开度）。

　　将调差公式进行变换，可容易得出如下公式1-2：

　　从公式1-2可以看出，频差和导叶开度偏差有一个计算关系，如果调速器在控制中对导叶偏差有一个不可克服的、固有的一个数值，那样反算到频差上就有一个固有的频率偏差，这个频率偏差就是调速器的转速死区（频率死区）。死区本质是调速器调整导叶开度不到位引起的一种变相转换，实质可理解为导叶开度控制死区。但由于在分析和应用时，它对机组频率控制有着根本的影响，所以我们习惯于将其折算到频率上去，利于阐述问题。

　　国标对该数值有着详细的规定，见表1-1

　　从表中可以看出，对大型电调，国标要求转速死区小于等于0.04%，行标是小于等于0.02%，现场做静特性试验校验一般都是按照行标进行校验。

　　值得注意的是，对一个系统，假若实测Bp=4%，若要转速死区小于等于0.02%，导叶开度控制偏差就要小于等于0.50%；假若实测Bp=6%，在同样转速死区的要求下，导叶开度控制偏差要小于或等于0.33%。国标中所列出的规范并没有限定调差的数值，由此可见，单纯列出一个数值要求显然是不全面的。调差率设置越小，在每个频率测点时间间隔相等的前提下，越易满足要求。所以笔者认为，调差率设置越小，就意味着频率和开度的关系曲线越陡峭，电气控制输出至液压伺服系统上的电压幅值就越大，就越利于调整到位，所以在频率测量间隔时间上就应该相应缩短，这样才能具备不同调差率下的可比性。

　　这个测点间隔时间和调差大小成正比，可以用公式1-3进行计算。

　　2 调速器转速死区产生的原因及其影响

　　通过上述分析，可知调速器转速死区形成的原因是导叶开度控制偏差所致，因此可以从整个系统分析入手，找出造成导叶控制偏差的原因。

　　对常见的调速器而言，相同频率的情况下，其计算出的导叶开度给定基本没有误差，在此可以忽略不计。然而，导叶给定和导叶反馈之间是有偏差的，尤其是在做静特性试验时，由于导叶开度单方向的积累，再反方向调节的时候，在相同频率计算出的相同导叶给定下，导叶反馈就存在调整不到位的现象，这样关、开方向之间势必有一定的间隙。静特性试验的目的就是找出这个间隙的最大值。

　　形成这种偏差的原因主要有以下几点

　　（1）主配压阀的遮程

　　主配压阀在电液伺服先导系统的驱动下，阀芯左右（卧式）或上下（立式）移动，形成操作油换向，从而对接力器进行开关控制。图2-1，为主配结构的简单示意图，一般主配压阀阀芯的阀盘高度要大于阀套孔的直径，这样长出的部分的一半就是我们常说的遮程。存在遮程，这就意味着，伺服驱动信号微弱，阀芯位移就有可能在遮程以内，此时，主配开关腔的压力油是没有变化的，接力器不会动作。

　　图2-1 主配内部结构简图

　　（2）传动机构的反方向阻力

　　如图2-2所示，当主配压阀芯动作后，假设为开方向，开腔压力油压Pk大于关腔压力油压Pg，但这时如果在开方向有一个较大的阻力F，且F>（Pk-Pg）*S，这个阻力就会抵消这个压力偏差，即这个压力偏差不足以推动接力器移动。这一特性，在贯流式机组尤其明显，这是因为在关方向一侧，推力环上一般会设置一个重锤，这个重锤犹如图中所示的M重力块，形成一个阻力特性。

　　阻力F更多的是来自摩擦力，这是摩擦力的物理特性决定的，只有 （Pk-Pg）*S > （Mg+f），接力器才能动作。如果接力器需要关闭，接力器动作条件又有了新的变化，即，（Pg-Pk）*S+ Mg > f即可动作，显然，两个方向在力的传递上也是不对称的。

　　（3）传动机构连接部分的空行程和材料弹性形变

　　水轮机组传动机构在安装和材质方面不可能是完全理想的一体化组织，只要存在连接和方向转化，一定就存在“行程损耗”，这个行程损耗可以类比联轴器之类。这里有一个“效率”的概念，这一点也非常易于理解。主配到导叶之间，还存在着接力器推拉杆、控制环、拐臂这些机构，它们之间存在着连接，这些连接不可能完全没有间隙，只要有间隙，就会存在行程损耗，造成开度控制上的偏差。

　　这一点可用图2-3简单表示，△y为每个衔接部分的空行程。如果不考虑材质形变，施加于模块1的位移量是y1，第4个模块的位移量则是，y2=(y1-△y1-△y2-△y3)。同样，如果反方向移动，模块1必须移动2*(△y1+△y2+△y3)的距离，才能使得模块4移动，这样就造成了导叶偏差。材质形变也是同样的道理，只是没那么明显。

　　值得注意的是，一般调速器所谓的导叶开度并不是真正活动导叶的开度，而是导叶接力器位移的百分比，这样也会让测量数值的准确性大打折扣。

　　当然，造成转速死区偏差也有其他偶发因素，比如导叶传感器本身死区、安装松动等，这些都在一些电站发生过。

　　3 静特性试验对转速死区测量的意义

　　调速器是通过静特性试验来测试转速死区的，下面用图3-1，简单对转速死区的一种算法表述一下：

　　（1）绘制曲线。根据试验数据，将频率和两个方向的开度关系绘图如下，称作静特性实验曲线（局部放大图）。

　　（2）对调差率Bp的一个校验计算。

　　计算图中曲线斜率，从放大图中可以测得：

　　△F=(48.8495-48.835)/50, △Y=(88.85-88.35)/100。

　　Bp=△F/△Y=0.058

　　（3）死区计算。

　　两曲线之间横坐标（频率）最大偏差即为频率调整死区，但要求将曲线完整放大，用目测来估算最大区间，也可以采用下面简单估算方法：

　　首先求的两曲线之间导叶最大偏差，从表格中可以得到，第5点导叶偏差最大，

　　△Y（max）=35.40%-34.90%=0.5%

　　△Y（max）乘以Bp即为频率调整死区：

　　△Y（max）* Bp=0.5%*0.058=0.029%。

　　国标要求小于0.04%，行标要求小于0.02%。

　　上述过程只是简单的计算方法，实际试验中更多地是利用专业软件，将测量数据自动生成所校验的数值。或利用计算机技术求解出上述曲线的2阶方程，再求出两者间的间隙，算出转速死区。

　　转速死区如果过大，意味着理论计算输出和实际的反馈有偏差，实质就是理论和自动控制的失效，具体表现为机组频率摆动过大，主配抽动剧烈，打油频繁，管路振动，难于并网等。

　　但转速死区也不是越小越好，过于精准可能会使得主配压阀非常灵敏，这对系统未必是好事。系统中如果存在一定的死区，在动态调节过程中，该死区会“离散在”整个调节过程中，使得导叶反馈曲线和给定曲线并不完全一致，且形成一个相对平缓的调节过渡过程，这对有效抑制机组惯性造成的频率反馈滞后是有利的。

　　4 讨论

　　随着国内设备加工工艺、材质和安装水平的提高，转速死区测量下来一般都满足国标要求。但在其产生的原因和测试方法上，还需进一步深究，主要归纳下来，有如下四点意见值得行业内讨论：

　　（1）在做静特性试验时，主要测量的是频率和开度反馈的关系，所以导叶的精准控制非常重要。如果机械死区暂难于克服，比如主配死区过大或者类似带重锤的贯流机组，可以通过电气手段，调整导叶控制参数，还是可以达到精确控制。这时，主配压阀适当增加遮程，然后优化电气控制，可能会让整个调速器性能更稳定、优良。

　　（2）由于导叶行程传感器一般安装在导叶接力器上，而非实际的活动导叶位置，所以测量的转速死区往往不能反映真正的系统死区，甚至遗漏了最重要的传动机构部分的死区。如果条件允许的话，最好用优质的传感器直接测量导叶真正的开度。

　　（3）不同调差率下的死区校验，单一用一个调差率对调速器考核是不科学的，之间应有一定的差异。比如可以在测点的间隔时间上做相应区别，这样也能对调速器的灵敏性有一个初步把握。

　　（4）静特性试验主要考验的是电液伺服系统、主配和传动机构，所以实际试验中不必过多测试软件、纯电气部分，因为后者的造成的偏差几乎是可以忽略不计的。

　　【作者简介】

　　作者：陈龙，男，1970年生，本科，工程师，现任大唐重庆分公司副总工程师兼安生部主任，主要从事水电厂、风电场安全、运行设备技术管理，区域电站群集控建设与运行管理，自动化设备的技术研究工作。