甩負荷

因為終端用户用電負荷減小（例如大型用電設備故障或大面積區域線路故障斷電），發電廠汽輪發電機的發電量超過輸送給用户的量，此時要求發電廠將發電量減小到與實際負荷相適應的值。或是電廠內部的原因，供網出口斷路器突然跳閘，汽輪發電機負荷突然掉到基本為零，發電廠的這些執行動作就叫甩負荷。 ^[1] 

甩負荷分為兩種，一種是主動甩負荷：當電網提供的有功小於系統需要的有功，主動甩掉部分不重要的負荷，提高電網供電質量。 ^[4]  一種是故障甩負荷，發生這種事故的原因除了電網不正常之外，發電機的主開關跳閘、汽機主汽門脱扣等都是引起該事故的原因。當電站突然甩去大量負荷時，二回路蒸汽流量急劇下降，使一回路冷卻劑温度及壓力迅速上升。這就是甩負荷事故。

在水電站中甩負荷是一種常見的現象。水輪發電機組發生甩負荷後，巨大的剩餘能量使機組轉速上升很快，調速器迅速關閉導葉，並經過一段時間的調整，重新穩定在空載工況下運行。在甩負荷過程中，除了調節保證計算所關心的最大轉速上升值和最大水擊壓力上升值外，還要對甩負荷動態過程品質指標的優劣進行考核。 ^[2] 

轉速上升時間(tM)：機組甩100%額定負荷後，由於剩餘能量巨大，轉速上升很快。正常情況下，調速器以最大速度關閉導葉到零開度，轉速上升時間tM=tc+tn，其中：tc為調速器遲滯時間，取決於調速器的死區大小、機組轉速的上升速率以及運行工況等，調速器在非限制條件下，tc一般大約在0.2s～0.3s。

tn為調保計算中的升速時間，被定義為自導葉開始動作到最大轉速所經歷的時間。升速時間tn取決於水輪機主動力矩和機組慣性力矩之比，即與機組特性有關。採用比轉速(ns)統計法有：為相對升速時間，τn=0.9-0.00063·ns。可以看出，相對升速時間τn隨比轉速的增加而減少，即低比轉速、高水頭水輪機相對升速時間大，高比轉速、低水頭水輪機相對升速時間小。T′s為導葉直線關閉時間。 由於遲滯時間tc較升速時間tn小得多，一般情況下，可將轉速上升時間tm等同於調保計算中的升速時間tn看待。根據統計資料大多機組的tm=(2～6)s 。

轉速下降時間(tD)： 它表示機組甩負荷後，導葉直線關閉到零並一直保持到零開度(相當於機組緊急停機)情況下，自最高轉速下降到空載轉速區域為止的時間，或稱為最快轉速下降時間。在最高轉速之前，機組處於水輪機工況，之後，進入制動和反水泵工況，轉輪區的水起阻力作用，再加上機械摩擦阻力矩及電磁阻力矩等，機組轉速開始下降。

轉速下降時間tD大小取決於水輪機阻力矩和機組慣性力矩之比。當水輪機力矩特性近似為線性時，水力降速阻力矩與升速主動力矩基本對稱(如一些可逆式水泵水輪機)，並且導葉關閉不受限制時，tD≈tM。但由於導葉開度只能關閉到零位，水對轉輪的阻力作用受到限制，轉速下降減緩，因此tD>tM。對於低水頭、大流量、高比速的水輪機，空載開度較大，在甩負荷過程中，水力升速主動力矩作用時間縮短，水力降速阻力矩作用時間延長。同時由於機組尺寸大、機械摩擦阻力矩亦較大。因而，相對升速時間較小。相反，對於高水頭、小流量、低比速的水輪機，空載開度較小，水力降速阻力矩作用時間遠小於升速主動力矩作用時間，再加上尺寸小、機械摩擦阻力矩較小，相對升速時間τn較大，此時tD>tM。

由於轉速進入大波動範圍，主配壓閥限幅限制了主接力器的關閉與開啓速度，主接力器限幅限制了調速器對水輪機的控制能力的發揮等等。可把甩負荷過程劃分為大波動和小波動兩個階段分別對待。大波動過渡過程階段(轉速上升時間tM和轉速下降時間tD時段內)與調節保證計算結果有關，而與調速器的調節控制性能無關，這一階段只要求調速器能正常關閉和開啓。轉速從大波動到小波動的過渡階段、以及進入到小波動階段，甩負荷過程的動態品質才取決於調速器的調節控制性能。

轉速調整時間(tR) ：轉速調整時間tR是指轉速以最快速率第一次下降到進入空載區域開始到最終進入空載穩定區域所經歷的時間。理想情況是當轉速以最快速度下降到空載轉速區域時，迅速打開導葉到空載開度，使轉速不再超出空載穩定區域，此時tR=0。但是，導葉從全關位置打開到空載開度需要一定的時間，在導葉打開的過程中，轉速將繼續下降，轉速必然存在超調現象，即nmin/nr<1，並隨着打開時間越長，超調量越大。實際上可能達到的最佳情況是當轉速下降到接近空載轉速時，提前以設定的最大速度即以最短時間打開導葉，並在導葉開到空載開度時，轉速也正好進入空載轉速區域。此時，nmin/nr≈1，轉速調整時間tR最小。如果調速器的調節控制性能不佳，或調節參數選擇不當，導葉過晚打開或打開速度較慢，超調量很大；導葉過早打開，甚至在機組甩負荷後導葉就根本不能關到零，轉速下降速度緩慢，轉速調整時間tR勢必延長。

1、調速器特性對甩負荷過渡過程影響

機組甩100%額定負荷。輔助接力器型和電子調節器型在對應等效的調節參數情況下，其甩負荷過程曲線形態接近，説明並聯結構與串聯結構控制效果相差不大。從調節參數的影響看，隨着調節參數bt、Td增大，機組開度開啓時刻提前，且開啓速度放慢，調整時間tR延長，超調量減小。對於轉速有超調而未超出空載轉速的規定偏差範圍，調整時間tR可能縮短。微分時間Tn減小，機組開度開啓時刻推後，且開啓速度放慢，導致超調增大。從控制方式看，開度給定只從調差環節輸入與開度給定從調差環節和軟反饋同時輸入相比較，在相同的調節參數情況下，後者機組開度會關的更小，能使轉速更快下降，而且過渡過程受調節參數的變化影響較小，均存在一定的超調。

2、調節對象特性對甩負荷過渡過程影響

採用輔助接力器型調速器。一般取Tw=1.0s、1.5s、2.0s，相應的取Ta=5·Tw，T′s=4·Tw，bt=3·Tw/Ta，Td=2·Tw,Tn=1·Tw。從結果中可以看出，最大的轉速上升值0.40、最大壓力上升值0.36保持不變，最小值也保持不變，各特徵點值發生的時間與Tw的大小成比例。在電站設計中，當水流慣性時間常數Tw確定後，根據水擊壓力上升允許值可計算出導葉直線關閉時間T′s。當T′s選定後，根據轉速上升允許值可計算出機組慣性時間常數Ta，並按推薦公式求出調節參數。水流慣性時間常數Tw不但集中體現了調節對象特性，而且最佳調節參數也取決水流慣性時間常數Tw，所以，Tw決定了水輪機調節系統的動態過程形態和調節時間的長短。

3、線性與非線性水輪機模型對機組甩負荷結果的影響

採用非線性水輪機的力矩特性M′與流量特性Q′，和線性水輪機。此時，引水系統採用單元引水彈性水擊。可以看出，線性與非線性水輪機甩負荷過程曲線存在一定的差異，主要表現在以下兩方面：二者轉速峯值發生的時間不同。這是因為在線性水輪機的力矩特性在整個甩負荷過程中不變，轉速峯值發生在水輪機力矩等於零時刻，即mt=ey·(y-yk)+ex·X+eh·=0。而非線性水輪機的力矩特性在甩負荷過程中是變化的，轉速峯值也發生在水輪機力矩等於零時刻，即M′=0。其轉速峯值比線性超前，對應的開度大於空載開度，與實際情況比較接近。二者壓力變化曲線不同。同理，線性的流量特性在甩負荷過程中是不變的，而非線性的流量特性則是變化的，從而造成壓力變化曲線不同。特別是在導葉處於全關位置時，非線性的壓力曲線出現了振盪。這是由於在非線性當導葉開度為零時，水輪機流量等於零，引水管道中壓力將產生振盪，振盪週期與彈性水擊模型中的水擊相長tr=2L/a成比例。而線性的流量特性Q′=eqy·(y-yk)+eqx·X+eqh·h在導葉開度為零時，流量Q′並不一定為零，並且還隨轉速X、水頭H變化，相當於導葉開度不為零的情況，水輪機轉輪在整個引水管道中起阻尼作用，吸收管道內的能量，因而不會產生壓力振盪。

水輪機在甩負荷過程中，一般要經歷水輪機工程、制動工況及反水泵工況。目前僅有極少數水輪機有全特性曲線，而綜合特性曲線僅反映水輪機工況。採用水輪機特性預估的方法可以計算出水輪機的力矩特性和流量特性，但其結果僅在高效率區與實驗特性曲線相近，高效率區之外存在缺陷。水輪機的高效率區特性具有一定的變化規律，不同水輪機的非線性在高效率區之外則存在較大差異，不易掌握其規律性，在研究調速器控制性能時，希望排除其他不確定因素。在調速器控制方式、調節參數等條件相同的條件下，非線性水輪機模型在高效率工況(水輪機工況)與線性水輪機曲線變化趨勢基本一致。因此，用線性水輪機模型來研究機組甩負荷過程中的調速器控制性能所得到的結果具有代表性。 ^[3] 

綜合以上分析得出以下結論，甩負荷過程應劃分為大波動和小波動兩個階段分別對待，大波動過程僅取決於調節對象特性，而與調速器的控制特性關係不大，因此甩負荷過程中轉速上升時間(tM)和轉速下降時間(tD)與調速器的控制特性關係不大。小波動過程除了與調節對象有關外，與調速器的控制特性密切相關，因而轉速調整時間(tR)和超調量(1-nmin/nr)與調速器的控制特性密切相關；調節參數對甩負荷過程影響較大，在推薦的最佳調節參數條件下，甩負荷過渡過程較好。但由於在常規控制方式情況下不能解決導葉開啓時刻與開啓速度之間的矛盾，因此很難達到較為滿意的結果；開度給定從調差環節和軟反饋同時輸入的甩負荷過程受調節參數的變化影響較小。由於現場試驗次數有限，很難整定出最佳參數，該控制方式對參數變化具有很好的適應性。採用按開度改變軟反饋係數控制方式，結合常規調節參數整定，很好地解決了由大波動過程到小波動過程的平穩過渡，由於其算法簡單易實現，在實際電站的應用中取得了良好的效果。用線性水輪機模型代替非線性水輪機模型研究甩負荷過程中的調速器控制性能所得到的結果具有代表性。因此現代調速器一般採用線性與非線性相結合的方法，運用與水輪機控制，從而達到最佳調節效果。也是現代調速器的發展方向。