水轮发电机甩负荷定义

1、水轮机甩负荷定义中文名称：甩负荷英文名称：load rejection定义：机组在运行中突然失去负荷。由于导叶来不及迅速关闭，导致机组的转速与蜗壳压力升高，而尾水管的压力则降低或真空度加大。应用学科：电力（一级学科）；水力机械及辅助设备（二级学科）以上内容由全国科学技术名词审定委员会 审定公布甩负荷的英语对应翻译为：load shedding 甩负荷分为两 种，一种是主动甩负荷：当电网提供的有功大大小于系统需要的有功， 主动甩掉部分不重要的负荷，提高电网供电质量。一种是故障甩负荷， 发生这种事故的原因除了电网不正常之外，发电机的主开关跳闸、汽 机主汽门脱扣等都是引起该事故的原因。当电站突然甩去

2、大量负荷 时，二回路蒸汽流量急剧下降，使一回路冷却剂温度及压力迅速上升。 这就是甩负荷事故。在水电站中甩负荷是一种常见的现象。 水轮发电机组发生甩负荷 后，巨大的剩余能量使机组转速上升很快，调速器迅速关闭导叶，并经过一段时间的调整，重新稳定在空载工况下运行。在甩负荷过程中, 除了调节保证计算所关心的最大转速上升值和最大水击压力上升值 外，还要对甩负荷动态过程品质指标的优劣进行考核。1.1、 转速上升时间：机组甩100%额定负荷后，由于剩余能量巨 大，转速上升很快。正常情况下，调速器以最大速度关闭导叶到零开 度，转速上升时间tM=tc+tn，其中：tc为调速器迟滞时间，取决于 调速器的死区大小、

3、机组转速的上升速率以及运行工况等， 调速器在 非限制条件下，tc 一般大约在0.2s0.3s。tn为调保计算中的升速时间，被定义为自导叶开始动作到最大转速所经历的时间。升速时间tn取决于水轮机主动力矩和机组惯性力矩之比，即与机组特性 有关。采用比转速（ns）统计法有：为相对升速时间，t n=0.9-0.00063 ns。可以看出，相对升速时间n随比转速的增加而减 少，即低比转速、高水头水轮机相对升速时间大，高比转速、低水头 水轮机相对升速时间小。Ts为导叶直线关闭时间。由于迟滞时间tc较升速时间tn小得多，一般情况下，可将转速上升时间tm等同于调 保计算中的升速时间tn看待。根据统计资料大多机

4、组的tm=（26）s 。1.2、 转速下降时间（tD）它表示机组甩负荷后，导叶直线关闭到 零并一直保持到零开度（相当于机组紧急停机）情况下，自最高转速下 降到空载转速区域为止的时间，或称为最快转速下降时间。在最高转 速之前，机组处于水轮机工况，之后，进入制动和反水泵工况，转轮区的水起阻力作用，再加上机械摩擦阻力矩及电磁阻力矩等， 机组转速开始下降。转速下降时间tD大小取决于水轮机阻力矩和机组惯性力矩之比。当水轮机力矩特性近似为线性时， 水力降速阻力矩与 升速主动力矩基本对称（如一些可逆式水泵水轮机），并且导叶关闭不 受限制时，tD7M。但由于导叶开度只能关闭到零位，水对转轮的阻 力作用受到限制

5、，转速下降减缓，因此tD>tM。对于低水头、大流量、 高比速的水轮机，空载开度较大，在甩负荷过程中，水力升速主动力 矩作用时间缩短，水力降速阻力矩作用时间延长。同时由于机组尺寸 大、机械摩擦阻力矩亦较大。因而，相对升速时间较小。相反，对于 高水头、小流量、低比速的水轮机，空载开度较小，水力降速阻力矩 作用时间远小于升速主动力矩作用时间，再加上尺寸小、机械摩擦阻 力矩较小，相对升速时间。n较大，此时tD>tM。由于转速进入大波动范围，主配压阀限幅限制了主接力器的关闭与开启速度，主接力器限幅限制了调速器对水轮机的控制能力的发挥等等。可把甩负荷 过程划分为大波动和小波动两个阶段分别对待。

6、大波动过渡过程阶段 （转速上升时间tM和转速下降时间tD时段内）与调节保证计算结果有 关，而与调速器的调节控制性能无关， 这一阶段只要求调速器能正常 关闭和开启。转速从大波动到小波动的过渡阶段、以及进入到小波动 阶段，甩负荷过程的动态品质才取决于调速器的调节控制性能。1.3、 转速调整时间（tR）转速调整时间tR是指转速以最快速率第一 次下降到进入空载区域开始到最终进入空载稳定区域所经历的时间。理想情况是当转速以最快速度下降到空载转速区域时，迅速打开导叶到空载开度，使转速不再超出空载稳定区域，此时 tR=0。但是，导 叶从全关位置打开到空载开度需要一定的时间，在导叶打开的过程 中，转速将继续下

7、降，转速必然存在超调现象，即 nmin/nr<1 ,并随 着打开时间越长，超调量越大。实际上可能达到的最佳情况是当转速 下降到接近空载转速时，提前以设定的最大速度即以最短时间打开导 叶，并在导叶开到空载开度时，转速也正好进入空载转速区域。止匕时, nmin/nr V ,转速调整时间tR最小。如果调速器的调节控制性能不佳， 或调节参数选择不当，导叶过晚打开或打开速度较慢，超调量很大； 导叶过早打开，甚至在机组甩负荷后导叶就根本不能关到零，转速下降速度缓慢，转速调整时间tR势必延长。2、甩负荷过程的分析水轮机调节系统甩负荷过程,一般用r(s)表示调速器功能模块，Gt(s)+Gg(s)为调节对

8、象(水轮发电机组)功 能模块。调速器中的各环节采用非线性模型，其中： bp=6.0%,第一 级液压放大时间常数Tyb=0.01s ,第二级液压放大时间常数Ty=0.1s, 空载开度Ty=30% ,直线关闭时间T's=4.0s。在调节对象功能模块中， 水轮机为混流式线性模型、引水系统为单元引水刚性水击模型、发电机为单机电网模型，其参数分别为：eg=0 , ey=1.0,ex=-1.0 , eh=1.5 , eqy=1.0 , G=EN-US>eqx=-01 , eqh=0.5 , Tw=1.0s , Ta=5.0s。 2.1、调速器特性对甩负荷过渡过程影响机组甩100%额定负荷。辅

9、助接力器型和电子调节器型在对应等效的调节参数情况下，其甩负 荷过程曲线形态接近，说明并联结构与串联结构控制效果相差不大。从调节参数的影响看，随着调节参数 bt、Td增大，机组开度开启时刻提前，且开启速度放慢，调整时间 tR延长，超调量减小。对于转速有超调而未超出空载转速的规定偏差范围，调整时间tR可能缩短。 微分时间Tn减小，机组开度开启时刻推后，且开启速度放慢，导致 超调增大。从控制方式看，开度给定只从调差环节输入与开度给定从 调差环节和软反馈同时输入相比较， 在相同的调节参数情况下，后者 机组开度会关的更小，能使转速更快下降，而且过渡过程受调节参数 的变化影响较小，均存在一定的超调。2.2

10、、 调节对象特性对甩负荷过渡过程影响：采用辅助接力器型调速器。一般取 Tw=1.0s、1.5s、2.0s,相应的取 Ta=5Tw, Ts=4 Tw, bt=3 Tw/Ta, Td=2 Tw,Tn=1 Tw。从结果中可以看出，最大的转速上 升值0.40、最大压力上升值0.36保持不变，最小值也保持不变，各特 征点值发生的时间与Tw的大小成比例。在电站设计中，当水流惯性 时间常数Tw确定后，根据水击压力上升允许值可计算出导叶直线关 闭时间T's。当TS选定后，根据转速上升允许值可计算出机组惯性 时间常数Ta,并按推荐公式求出调节参数。水流惯性时间常数Tw不但集中体现了调节对象特性，而且最佳

11、调节参数也取决水流惯性时 间常数Tw,所以，Tw决定了水轮机调节系统的动态过程形态和调 节时间的长短。2.3、 线性与非线性水轮机模型对机组甩负荷结果的影响 采用非线性 水轮机的力矩特性M'与流量特性Q',和线性水轮机。此时，引水系 统采用单元引水弹性水击。可以看出，线性与非线性水轮机甩负荷过程曲线存在一定的差异，主要表现在以下两方面：二者转速峰值发生 的时间不同。这是因为在线性水轮机的力矩特性在整个甩负荷过程中 不变，转速峰值发生在水轮机力矩等于零时刻，即 mt=ey (y-yk)+ex X+eh =0。而非线性水轮机的力矩特性在甩负荷过 程中是变化的，转速峰值也发生在水轮机

12、力矩等于零时刻，即M =0。其转速峰值比线性超前，对应的开度大于空载开度，与实际情况比较 接近。二者压力变化曲线不同。同理，线性的流量特性在甩负荷过程 中是不变的，而非线性的流量特性则是变化的， 从而造成压力变化曲 线不同。特别是在导叶处于全关位置时，非线性的压力曲线出现了振 荡。这是由于在非线性当导叶开度为零时，水轮机流量等于零，引水 管道中压力将产生振荡，振荡周期与弹性水击模型中的水击相长tr=2L/a成比例。而线性的流量特性 Q =eqy (y-yk)+eqx X+eqh h在导 叶开度为零时，流量 Q'并不一定为零，并且还随转速X、水头H变 化，相当于导叶开度不为零的情况，水轮

13、机转轮在整个引水管道中起 阻尼作用，吸收管道内的能量，因而不会产生压力振荡。水轮机在甩 负荷过程中，一般要经历水轮机工程、制动工况及反水泵工况。目前 仅有极少数水轮机有全特性曲线，而综合特性曲线仅反映水轮机工 况。采用水轮机特性预估的方法可以计算出水轮机的力矩特性和流量 特性，但其结果仅在高效率区与实验特性曲线相近，高效率区之外存在缺陷。水轮机的高效率区特性具有一定的变化规律，不同水轮机的非线性在高效率区之外则存在较大差异， 不易掌握其规律性，在研究 调速器控制性能时，希望排除其他不确定因素。在调速器控制方式、调节参数等条件相同的条件下，非线性水轮机模型在高效率工况（水轮机工况）与线性水轮机曲

14、线变化趋势基本一致。因此，用线性水轮 机模型来研究机组甩负荷过程中的调速器控制性能所得到的结果具 有代表性。3、结束语综合以上分析得出以下结论，甩负荷过程应划分为大波动和 小波动两个阶段分别对待，大波动过程仅取决于调节对象特性， 而与 调速器的控制特性关系不大，因此甩负荷过程中转速上升时间（tM）和转速下降时间（tD）与调速器的控制特性关系不大。小波动过程除了与 调节对象有关外，与调速器的控制特性密切相关，因而转速调整时间 （tR）和超调量（1-nmin/nr）与调速器的控制特性密切相关；调节参数对 甩负荷过程影响较大，在推荐的最佳调节参数条件下，甩负荷过渡过 程较好。但由于在常规控制方式情况下不能解决导叶开启时刻与开启 速度之间的矛盾，因此很难达到较为满意的结果；开度给定从调差环 节和软反馈同时输入的甩负荷过程受调节参数的变化影响较小。由于现场试