汽輪機純液調(diào)系統(tǒng)的自動控制探討

　　本文分析了汽輪機純掖壓讕逮系統(tǒng)的特點，建立了汽輪機升速階段的數(shù)學(xué)模型，采用矢量控制電機驅(qū)動，在仿真的基礎(chǔ)，實現(xiàn)了汽輪機的轉(zhuǎn)速全程控制。
　　
　　1前言
　　
　　火電機組汽輪機控制發(fā)展的趨勢是采用數(shù)字式電液調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，由計算機來完成復(fù)雜的控制邏輯，以伺服閥作為電——掖接口去驅(qū)動高壓抗燃油油動機，從而實現(xiàn)汽輪機的轉(zhuǎn)速控制、負荷控制、超速保護、單／多閥切換、閥站試驗等各項功能。
　　
　　而在中小容量的火電機組，汽輪機多為純液壓調(diào)速系統(tǒng)，以啟動閥和同步器去控制二次油壓，聯(lián)動液壓機構(gòu)，從而控制汽輪機的狀態(tài)。由于其液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，汽輪機自動控制的效果并不理想。
　　
　　2純液調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制存在的問題
　　
　　純液調(diào)系統(tǒng)有的使用單相交流電機作為啟動閥、同步器的驅(qū)動電機；但普通交流電機的轉(zhuǎn)動慣性較大、低速范圍下發(fā)熱嚴(yán)重、輸出轉(zhuǎn)矩不平衡，容易造成傳動機構(gòu)的超調(diào)和卡澀，影響汽輪機的安全運行。也有采用直流電機的，使得系統(tǒng)復(fù)雜、檢修頻繁，不適合電廠運行可靠性高的要求。
　　
　　另一方面，汽輪機純掖調(diào)系統(tǒng)為了保證其穩(wěn)定性，液壓部件含有轉(zhuǎn)速負反饋功能。以旋轉(zhuǎn)阻尼式調(diào)速系統(tǒng)為例，旋轉(zhuǎn)阻尼將汽輪機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為一次油壓，作用于放大器，進行油壓變化和輸出流量的放大，形成二次油壓，控制錯油門的油動機。轉(zhuǎn)速提高，一次油壓上升，使二次油壓下降，關(guān)小汽門開度。這種轉(zhuǎn)速的液壓負反饋相當(dāng)復(fù)雜，而且是不可控的，其對自動控制回路中轉(zhuǎn)速負反饋的實現(xiàn)存在著重疊和干擾的作用。
　　
　　3解決途徑
　　
　　宿東電廠#3機（125MW）選用了動態(tài)響應(yīng)能力*的矢量控制電機（即矢量控制的交流變頻調(diào)速電機），作為啟動閥和同步器的驅(qū)動電機，提高了執(zhí)行機構(gòu)的性能，同時通過對純液調(diào)系統(tǒng)液壓結(jié)構(gòu)的分析，簡化推導(dǎo)出升速階段調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采取相應(yīng)的控制策略，在仿真控制的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)了汽輪機的轉(zhuǎn)速控制和負荷控制，達到了預(yù)期的滿意效果。
　　
　　3．1矢量控制電機的原理和優(yōu)點
　　
　　其原理是矢量變換控制。以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(zhǔn)則，經(jīng)過坐標(biāo)變換，將三相交流繞組等效為二相交流繞組、旋轉(zhuǎn)的直流繞組，從而建立與三相異步電機等效的直流電機模型。

　　
　　圖1所示，異步電動機在三相對稱坐標(biāo)系下的靜止繞組分別通以三相平衡的正弦電流ia、ib、ic，產(chǎn)生了合成磁動勢F1，以同步轉(zhuǎn)速ω1旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過三相／二相旋轉(zhuǎn)，可以等效為二相靜止繞組，在空間互差90º，通以時間互差90º的二相平衡電流ia、ib產(chǎn)生大小和轉(zhuǎn)速都相等的旋轉(zhuǎn)磁動勢Fl。在功率不變條件下：
　　

　　再經(jīng)過按轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)變換，如圖2所示，二相靜止繞組可等效為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的二相繞組M、T（M軸沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈的方向、T軸以M軸逆時針轉(zhuǎn)90º），分別通以直流電流im、it以
　　
　　同步轉(zhuǎn)速ω1旋轉(zhuǎn)，同樣也產(chǎn)生磁動勢F1。其中，角為M軸與α軸的夾角。
　　

　　就M、T繞組而言，當(dāng)觀察者站在地面上看去，它們是與三相交流繞組等效的旋轉(zhuǎn)直流繞組；如果跳到旋轉(zhuǎn)的鐵芯上看，它們就是直流電機的模型，M相當(dāng)于勵磁繞組，T相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組。模擬直流電動機的控制方法，求得其控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就可以控制交流電動機了。
　　
　　由上述原理產(chǎn)生的矢量控制電機，兼顧了直流電機和交流電機的所有優(yōu)點，恒轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)，擁有極寬的調(diào)速范圍和*的調(diào)速精度，以及優(yōu)良的動態(tài)響應(yīng)性能，適合汽輪機控制的需要。
　　
　　3．2汽輪機純液調(diào)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
　　
　　研究125MW機組純液調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，簡化建立了汽輪機升速階段的數(shù)學(xué)模型。
　　
　　3．3控制策略
　　
　　汽輪機的轉(zhuǎn)速控制采用了比例積分作用+轉(zhuǎn)速給定值前饋的控制策略，既保證了轉(zhuǎn)速控制的快速性，又解決了穩(wěn)態(tài)情況下轉(zhuǎn)速控制精度的問題。
　　
　　轉(zhuǎn)速控制器輸出為啟動閥或同步器馬達的位移控制信號，經(jīng)函數(shù)發(fā)生器將位移偏差轉(zhuǎn)換為電機的轉(zhuǎn)速控制信號，如圖5所示：

　　
　　在轉(zhuǎn)子臨界區(qū)，升速率自動置為zui大升速率，以保證快速通過，減少臨界區(qū)轉(zhuǎn)子的振動。
　　
　　4仿真控制
　　
　　按照汽輪機升速階段的數(shù)學(xué)模型，靜態(tài)進行對象的仿真控制，尋找控制對象的*控制參數(shù)范圍，仿真升速曲線如圖6所示。

　　
　　比例常數(shù)為0．9，積分時間為120，前饋系數(shù)選為額定轉(zhuǎn)速下前饋10％調(diào)節(jié)器輸出。
　　
　　5熱態(tài)實現(xiàn)
　　
　　在汽輪機升速的過程，對高轉(zhuǎn)速范圍下啟動閥出現(xiàn)空行程的情況，采用快速全開啟動閥，切換至同步器控制的辦法，實現(xiàn)了汽輪機純液調(diào)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速全程控制。調(diào)節(jié)參數(shù)如表1所示。

　　
　　實際升速曲線如圖7所示：

　　
　　6結(jié)束語
　　
　　汽輪機純液調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速全程控制的實現(xiàn)，有利于提高中小容量機組的自動化水平。
　　
　　我們可以對純液調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行吏深層次的分析，建立更接近的數(shù)學(xué)模型，進一步完善汽輪機純液調(diào)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制和負荷控制。