水電機(jī)組調(diào)速器主配壓閥抽動故障機(jī)理分析

趙 勇，榮 紅，何林波，蔡衛(wèi)江，許 棟

（南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引言

水電機(jī)組調(diào)速器主配抽動故障作為一個頻發(fā)性問題，關(guān)聯(lián)變量較多，涉及液壓隨動系統(tǒng)失穩(wěn)以及閉環(huán)（開度閉環(huán)、頻率閉環(huán)和功率閉環(huán)）控制的頻繁調(diào)節(jié)。主配抽動勢必帶來諸如打油頻繁、開度失穩(wěn)、負(fù)荷波動等后果。不少水電站出現(xiàn)過主配反饋斷線、跳變問題，造成發(fā)電工況下主配劇烈抽動導(dǎo)致開度變化大進(jìn)而引發(fā)負(fù)荷大范圍擾動，機(jī)組被迫事故停機(jī)。

關(guān)于主配抽動故障，不少文獻(xiàn)給予了闡述分析，亦提出了不少消缺方案、技術(shù)措施。因常規(guī)主配反饋傳感器采用導(dǎo)電塑料電阻軌型材，多年運(yùn)行產(chǎn)生一定磨損致使電接觸不良，主配反饋跳變嚴(yán)重進(jìn)而造成主配閥芯在中位附近隨機(jī)抽動頻率加大，通過更換傳感器得以解決[1-4]。因齒盤探頭安裝未指向大軸中心線且距離偏大，引起測頻反饋跳變致使頻繁的一次調(diào)頻進(jìn)而造成主配壓閥抽動，通過調(diào)整齒盤測速裝置支架和探頭后得以解決[5]。因?qū)~開度編碼器元件故障，導(dǎo)葉反饋測值跳變開度頻繁調(diào)節(jié)而造成主配壓閥抽動，通過更換開度編碼器備件后得以解決[6]。

多數(shù)文獻(xiàn)針對主配抽動僅簡單羅列出一些相關(guān)因素并逐一排查處理，缺乏本質(zhì)的認(rèn)知，手段盲目低效，很難取得理想效果。對主配抽動這類典型的自控系統(tǒng)液壓控制故障，真正掌握其內(nèi)在機(jī)理與外部參量、建立科學(xué)有效的分析方法以準(zhǔn)確找到故障原因，具有重要意義。

此外，針對主配抽動故障，實際工程中尚未應(yīng)用成熟完善的在線故障診斷算法。建立這樣一套液壓故障診斷算法，自動快速地診斷出主配抽動故障，并進(jìn)行主/從控制器的冗余切換，以便快速恢復(fù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，防止事故的擴(kuò)大化，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有重要的意義。

1 主配壓閥抽動故障內(nèi)在機(jī)理

1.1 勞斯霍爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)

主配抽動屬于閉環(huán)液壓隨動系統(tǒng)失穩(wěn)問題，求解連續(xù)時間因果的液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性可利用勞斯霍爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)[1]。1877年由勞斯（Routh）提出的代數(shù)判據(jù)如下：

設(shè)閉環(huán)系統(tǒng)特征方程。D（s）=a0sn+a1sn-1+…+an-1s+an。S1，S2，…Sn為系統(tǒng)特征方程的根。要使所有的特征根全部具有負(fù)實部，系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是：

（1）特征方程的各項系數(shù)a0＞0，a1＞0，…an＞0；

（2）勞斯陣列（如圖1所示）中第一列的所有元素均為正數(shù)。

圖1 勞斯陣列表計算方法圖

若表中第一列出現(xiàn)負(fù)數(shù)項，則系統(tǒng)不穩(wěn)定。第一列元素符號改變的次數(shù)代表特征方程在S平面的右半平面根的個數(shù)。

1.2 調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)傳遞函數(shù)

水電機(jī)組調(diào)速器控制系統(tǒng)最內(nèi)環(huán)為電氣控制輸出和主配壓閥反饋信號之間的負(fù)反饋硬閉環(huán)，其液壓隨動系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖2所示。其中，K1為電氣放大系數(shù)，T1為伺服閥反應(yīng)時間常數(shù)，Ty1為主配壓閥反應(yīng)時間常數(shù)，Ty為接力器反應(yīng)時間常數(shù)，W3為穩(wěn)零偏差系數(shù)，W4為主配反饋增益系數(shù)。開度給定與開度反饋的偏差經(jīng)導(dǎo)葉副環(huán)PI環(huán)節(jié)計算得到開度輸出，主配反饋環(huán)節(jié)將主配傳感采集信號經(jīng)穩(wěn)零修正W3后乘以放大系數(shù)W4，然后將開度輸出與主配反饋環(huán)節(jié)比較得到控制輸出，控制輸出信號經(jīng)功放板放大后作為伺服閥控制信號?？紤]到伺服閥內(nèi)部自成閉環(huán)，可將伺服閥的積分環(huán)節(jié)與其負(fù)反饋視作整體，此時伺服閥是一個慣性環(huán)節(jié)?？刂戚敵鼋?jīng)過伺服閥的慣性環(huán)節(jié)輸出至主配壓閥的控制腔以控制主配閥芯的運(yùn)動，是一個積分環(huán)節(jié)，主配閥芯運(yùn)動作為負(fù)反饋輸出與開度輸出形成閉環(huán)，接力器作為最終控制對象，是一個積分環(huán)節(jié)。穩(wěn)零偏差環(huán)節(jié)作為電氣零位的補(bǔ)償，考慮零位正常的情況，傳遞函數(shù)計算中可以忽略W3。

圖2 調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

根據(jù)圖2框圖，可得調(diào)速器電液隨動系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

1.3 液壓隨動系統(tǒng)失穩(wěn)（主配抽動）機(jī)理推演

列出式（1）的特征方程：

整理式（2），得到：

根據(jù)勞斯霍爾維茨判據(jù)，列出勞斯陣列如下：

要使系統(tǒng)穩(wěn)定，則第一數(shù)值列全為正，得出：

由（7）式可知，只要保證主配反饋增益系數(shù)W4取值合理，即可保證系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

下圖3為利用Matlab數(shù)值模擬的該系統(tǒng)的取值變化情況，可知：當(dāng)W4＞T1/Ty（試驗設(shè)定W4=1、T1=0.01、Ty=0.1）時，系統(tǒng)有外部擾動失去平衡后，系統(tǒng)會逐漸趨于穩(wěn)定，曲線是收斂的；當(dāng)W4=T1/Ty（試驗設(shè)定W4=0.1、T1=0.01、Ty=0.1）時，系統(tǒng)有外部擾動失去平衡后，系統(tǒng)會出現(xiàn)等幅震蕩且會一直持續(xù)，曲線無法收斂；當(dāng)W4＜T1/Ty（試驗設(shè)定W4=0.01、T1=0.01、Ty=0.1）時，系統(tǒng)一旦受到擾動失去平衡后，系統(tǒng)震蕩幅度逐漸加大，曲線發(fā)散。

圖3 調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真

因此，調(diào)速器液壓系統(tǒng)主配閥自發(fā)抽動的本質(zhì)是主配反饋信號的硬削弱或消失，具體表現(xiàn)為：

（1）主配反饋增益W4過小，接近或為零。此時，主配反饋信號乘以W4后變得微小。在水電工程中，W4的存在形式一般有兩種：①機(jī)柜中的綜合控制模塊的電位器，其原理為滑膜變阻器，通過順/逆時針旋進(jìn)、旋出改變主配反饋增益大小，如果電位器滑膜破裂會導(dǎo)致W4失效；②電氣控制柜中的主配增益參數(shù)，可由人機(jī)界面寫入到控制器程序中，如果該參數(shù)存儲在非ROM區(qū)會因控制器CPU電池失電掉參數(shù)。

（2）主配反饋信號丟失。如主配反饋信號斷線，主配反饋即為零，硬閉環(huán)直接斷開成開環(huán)，不滿足W4＞T1/Ty，造成主配抽動劇烈，實際工程中多有發(fā)生。

2 主配壓閥抽動故障外因

主配壓閥自身的閉環(huán)是一個自穩(wěn)定的伺服系統(tǒng)，所謂“自穩(wěn)定”，就是在沒有施加外界電壓或電流信號下，主配壓閥依靠自身的閉環(huán)伺服控制可以達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)。主配抽動的內(nèi)因是其反饋失效，主配抽動的外因是電氣控制信號頻繁變化。在主配反饋閉環(huán)之外還有幾大關(guān)鍵反饋的閉環(huán)，如圖4所示。

圖4 調(diào)速器控制框圖閉環(huán)環(huán)節(jié)

（1）開度的閉環(huán)。開度閉環(huán)涉及的參量有開度反饋信號和副環(huán)參數(shù)KP（比例系數(shù)）、DB（積分死區(qū)）。開度反饋方面，開度反饋信號跳變不穩(wěn)，主要來自3個因素：①傳感器本身質(zhì)量；②傳感器安裝不當(dāng)加之機(jī)組運(yùn)行在振動區(qū)波動較大；③信號回路的電磁干擾。副環(huán)參數(shù)方面，當(dāng)積分死區(qū)過大時，調(diào)節(jié)穩(wěn)定性變差。

（2）頻率的閉環(huán)。頻率閉環(huán)涉及的參量有頻率反饋信號、調(diào)頻死區(qū)和調(diào)頻主環(huán)參數(shù)Kp1、Ki1、Kd1。頻率反饋方面，當(dāng)以齒盤頻率作為主反饋時，會因漏齒或穩(wěn)壓不夠造成齒盤跳變。調(diào)頻死區(qū)方面，人工死區(qū)過小或參數(shù)丟失，會引起頻繁調(diào)節(jié)。調(diào)頻參數(shù)方面，當(dāng)積分參數(shù)過大，調(diào)節(jié)穩(wěn)定性變差，尤其空載工況。

（3）功率的閉環(huán)。功率閉環(huán)涉及的參量有功率反饋信號、調(diào)功死區(qū)和調(diào)功主環(huán)參數(shù)Kp2、Ki2、Kd2。功率反饋方面，主要是功率變送器本身和反饋環(huán)節(jié)的響應(yīng)滯后，引起周期性震蕩。調(diào)功死區(qū)方面，如果設(shè)置偏小或參數(shù)丟失，勢必調(diào)功頻繁。調(diào)功參數(shù)方面，積分參數(shù)過大，造成調(diào)節(jié)不穩(wěn)。

以上這些反饋信號的跳變、死區(qū)過小以及PID調(diào)節(jié)參數(shù)的不合理均會導(dǎo)致控制上的調(diào)節(jié)震蕩，主配壓閥表現(xiàn)出適應(yīng)性調(diào)節(jié)抽動。

以開度環(huán)為例來說明副環(huán)參數(shù)不合理導(dǎo)致的調(diào)節(jié)震蕩。通過人為修改開度控制（副環(huán)）參數(shù)，如設(shè)定KP=12、DB=10，在調(diào)試態(tài)下對穩(wěn)態(tài)中的液壓系統(tǒng)給予0.5%的下擾量。由于比例較大加上積分輸出限制過大，導(dǎo)致控制輸出信號上下過調(diào)嚴(yán)重，形成周期性震蕩，主配與導(dǎo)葉來回抽動。該種主配抽動情況正是由于控制參數(shù)不合適、往復(fù)頻繁調(diào)節(jié)造成。

圖5 改變副環(huán)參數(shù)KP、KI引起的主配和導(dǎo)葉抽動

此外，其他情況，如由于水力因素的托馬現(xiàn)象等產(chǎn)生負(fù)荷波動進(jìn)而導(dǎo)致的調(diào)節(jié)頻繁、一次調(diào)頻和二次調(diào)頻之間沖突引起的頻繁調(diào)節(jié)以及電氣零點漂移不穩(wěn)導(dǎo)致間歇性電氣輸出將主配閥芯拉回到中位等，主配壓閥均表現(xiàn)出了適應(yīng)性調(diào)節(jié)抽動。

3 結(jié)論

結(jié)合調(diào)速器閉環(huán)控制模型，通過推演液壓系統(tǒng)失穩(wěn)機(jī)理，全面分析了造成主配抽動的內(nèi)因為主配反饋的失真或斷線，外因為控制上的頻繁調(diào)節(jié)。針對主配壓閥抽動故障建立的一套科學(xué)有效的分析方法，方便了工程技術(shù)人員、水電運(yùn)維人員精準(zhǔn)高效地鎖定故障原因并及時解決調(diào)速器主配壓閥抽動故障，從而極大程度地保證了水電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。