摘要：水電站是利用水能進行發(fā)電的綜合性設(shè)施，不僅清潔環(huán)保，而且能產(chǎn)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(fā)電機組是供電系統(tǒng)的核心裝置，內(nèi)置調(diào)速器能夠隨時調(diào)節(jié)發(fā)電機組轉(zhuǎn)速，確保供電穩(wěn)定性。本文將討論水輪發(fā)電機調(diào)速器的工作原理，及多項式方程法在其中的具體應(yīng)用。

中圖分類號：TM312

文獻標(biāo)識碼：A

1水輪發(fā)電機組調(diào)速器的作用

水輪發(fā)電機組是由水輪機和發(fā)電機兩部分組成，水輪機為原動機，利用水的能量運轉(zhuǎn)，將機械能轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。水輪發(fā)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(zhuǎn)速，避免由于轉(zhuǎn)速過快引發(fā)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(tǒng)，當(dāng)水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速超過額定數(shù)值時系統(tǒng)會啟動，關(guān)閉進水閘門，停止發(fā)電機組工作。發(fā)電機組停止運轉(zhuǎn)會終止輸出電能，導(dǎo)致供電中斷影響供電系統(tǒng)穩(wěn)定性。將過速保護系統(tǒng)用于水輪發(fā)電機組是不科學(xué)，因為水輪發(fā)電機組始終在水中工作，水是一直流動的，水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速是隨著流水的速度而不斷變化，當(dāng)水流速加快時水輪發(fā)電機組也會相應(yīng)提高運轉(zhuǎn)速度，這樣很容易達到過速保護系統(tǒng)的啟動要求，所以機組經(jīng)常會發(fā)生閘門關(guān)閉的現(xiàn)象。想要重新恢復(fù)機組運轉(zhuǎn)，需要手動開啟進水閘門，不僅耗費大量人力物力，而且恢復(fù)供電也需要一定的時間，給水電站造成了很大的經(jīng)濟損失。

為了實現(xiàn)在水輪發(fā)電機組工作時能夠?qū)ζ滢D(zhuǎn)速進行嚴(yán)格控制，并且能夠隨時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以保證機組高效運轉(zhuǎn)，最有效的方法是在水輪發(fā)電機組中安裝調(diào)速裝置。調(diào)速裝置包括調(diào)速器和油壓裝置。調(diào)速器的作用是降低水的流速對水輪發(fā)電機組的影響，控制發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速，使輸出電能的頻率符合實際的供電要求，并且保持設(shè)備高效節(jié)能運行。所以調(diào)速器要有優(yōu)越的性能：反應(yīng)靈敏，能夠迅速發(fā)現(xiàn)水流速度的變化，隨即進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié);維修方便，在發(fā)生故障時能夠在第一時間找出原因并進行修理;質(zhì)量可靠，調(diào)速器需要不間斷的工作，所以要保證其符合國家質(zhì)量合格標(biāo)準(zhǔn)且安全耐用。

2水輪機調(diào)速器的工作原理

水輪機調(diào)速器的工作內(nèi)容是調(diào)節(jié)發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速，將其控制在額定數(shù)值內(nèi)，以維持供電系統(tǒng)穩(wěn)定。水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)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(shè)備性能有關(guān)，不是容易改變的因素，而水流量是可以控制的，所以要想調(diào)節(jié)機組的轉(zhuǎn)速就要改變進水的流量。

為了響應(yīng)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(nèi)部實施信息化管理。在水輪發(fā)動機上安裝數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，并與調(diào)速器相連接，通過計算機對調(diào)速器進行24小時全方位監(jiān)控，并對其進行遠程操作控制。這種方法不僅可以使機組設(shè)備始終保持高效率運轉(zhuǎn)，還能夠提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于調(diào)速器對工作狀態(tài)的反饋不是直線型的，需要通過其他與之相關(guān)的數(shù)據(jù)進行推測，采用數(shù)學(xué)建模法對調(diào)速器及水輪機工作原理進行分析，得出其工作特點。調(diào)速器的工作過程類似于阻尼過程，水輪機導(dǎo)葉開度的增加使得水輪發(fā)電機組的靜態(tài)增益降低，減少了響應(yīng)所需要的時間。而且在這個時間內(nèi)調(diào)速器的動態(tài)和靜態(tài)特性有了明顯的改變。調(diào)速器的工作原理就是利用機組的轉(zhuǎn)速波動，對水輪機導(dǎo)葉的開度進行適當(dāng)調(diào)整，使水輪機的轉(zhuǎn)速恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速內(nèi)，維持發(fā)電機組的穩(wěn)定運。

3多項式方程法的應(yīng)用

3.1多項式方程法的作用

任何物體在運動狀態(tài)下都會產(chǎn)生動能，水也不例外。利用水在運動狀態(tài)下重量產(chǎn)生的慣性來實現(xiàn)發(fā)電具有可行性，但需要對其動能做出計算，結(jié)合工作狀態(tài)下的運動情況。實現(xiàn)發(fā)電功能需要達到一定的轉(zhuǎn)速，在額定時間內(nèi)速度不會出現(xiàn)明顯下降。借助物體慣性特征可降低運轉(zhuǎn)過程中的耗能。因此在設(shè)計環(huán)節(jié)中應(yīng)引入調(diào)速器，對水輪運動速率做出調(diào)控。水輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的能量并不能完全應(yīng)用在發(fā)電環(huán)節(jié)中，會有部分能量在維持運轉(zhuǎn)時被消耗。應(yīng)用多項方程法可將不同方向的能量損耗清晰計算，結(jié)合發(fā)電機使用需求對轉(zhuǎn)速做出調(diào)整。

3.2多項式方程法在調(diào)速器中的具體應(yīng)用

首先，利用傳統(tǒng)的PID法模擬水輪發(fā)電機組調(diào)速器的工作情況，得出控制調(diào)速器整個工作過程的相關(guān)數(shù)據(jù)及調(diào)節(jié)的最終效果，對數(shù)據(jù)進行處理，得出PD控制法對系統(tǒng)變化的反應(yīng)規(guī)律。

利用該種方法需要對已知量進行整理，假設(shè)未知量的存在形式，利用水輪發(fā)電特征優(yōu)化轉(zhuǎn)動模式。所得出的運算結(jié)果可應(yīng)用在后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計中，科學(xué)調(diào)節(jié)運轉(zhuǎn)模式將動能損耗降至最小。根據(jù)試驗結(jié)果表明，多項式方程法會延長調(diào)節(jié)時間，產(chǎn)生的誤差較大，所以放棄該結(jié)果。

再次，將數(shù)據(jù)代 regress函數(shù)，同樣將得到的結(jié)果代入系統(tǒng)進行模擬試驗。試驗結(jié)果表明，多項式方程法的誤差小，靈敏性較高。而且該函數(shù)還能獲得各項系數(shù)95%的置信區(qū)間和顯著性概率P。對數(shù)據(jù)進行整合發(fā)現(xiàn)方程中至少有一個自變量的系數(shù)不為0，說明此方程有意義。

最后，將解析式代入到調(diào)速器的模擬運行活動中，可以得到其階躍擾動過程，將該結(jié)果與PID控制器的效果進行對比。結(jié)果表明：在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變時多項式方程控制器能夠及時做出反應(yīng)，產(chǎn)生較強的抵抗性，使得調(diào)速器在工作過程中不易受到環(huán)境帶來的影響，增強調(diào)速系統(tǒng)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(qū)域劃分的辦法，將非線性特征引入控制系統(tǒng);而多項式方程控制器則采取鈍化輸入控制器解析函數(shù)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(qū)域切換時發(fā)生的抖動現(xiàn)象。在多項式方程法的理論基礎(chǔ)上設(shè)計的控制器不僅具備PID控制法的優(yōu)點還額外添加了獨有的數(shù)值分析和輸出處理環(huán)節(jié)，降低系統(tǒng)參數(shù)變化對調(diào)速器運行的影響，提高水輪發(fā)電機調(diào)速器的性能。

結(jié)語

數(shù)字化的管理方式使水電站的設(shè)備能夠安全、穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)，增加了電能的輸出，為國家的繁榮發(fā)展做出巨大的貢獻水電站應(yīng)引進國內(nèi)外先進的機械設(shè)備，不斷研發(fā)新技術(shù)，并重視設(shè)備的維護和保養(yǎng)，以提高供電質(zhì)量。

( 殷樹民哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)