水電站調速器主配壓閥線性建模及動態響應分析

周 彬，吳 縉，邵 斌

（南京南瑞集團公司/國網電力科學研究院，南京 210003）

在水電站水輪機的啟動、停止及整個調節過程中，主配壓閥是推動導葉接力器開啟或關閉的執行裝置，在主配壓閥推動接力器的同時需克服水壓并準確地保持相應的調節角度。

調速器電氣信號驅動主配壓閥的過程中，電信號先驅動比例伺服閥，再由比例伺服閥驅動主配壓閥，經過主配壓閥的放大產生滿足流量和方向要求的強大液壓力，推動主接力器動作。所以主配壓閥是水輪機調節系統的關鍵設備，其性能直接影響到水輪發電機組運行狀況和電網的安全、穩定。

在構成水輪機調速器的電氣、機械、液壓系統中，液壓系統的響應速度最慢，其性能限制了調速器的整體響應速度。其中主配壓閥是構成調速器液壓系統的核心部件，為提高調速器的響應速度，需提高主配壓閥的響應速度。

本文以某型水輪發電機組主配壓閥裝置為例，建立其線性化運動方程，對影響主配壓閥裝置動態性能的參數進行理論分析，結合工程實際，提出提高主配壓閥裝置動態性能的方法［1］。

1 工作原理

主配壓閥的動態性能對整個水輪發電機組液壓控制系統的性能影響顯著，本文將從研究主配壓閥的原理（如圖1）入手建立其線性化方程，分析其動態特性，為主配壓閥的設計和實際應用提供依據。

如圖1所示，設比例伺服閥的位移x，主配壓閥閥芯的位移y。當比例伺服閥處于中間位置即x=0時，主配壓閥上腔和下腔的油壓相等，主配壓閥活塞處于靜止狀態；當比例伺服閥向右移動，即x>0時，下腔和壓力油路連接，上腔與回油管路連通，此時液壓油源的壓力油進入主配壓閥下腔，其下腔的低壓油則從回油管路流出，這樣在主配壓閥活塞兩邊壓力差的作用下，使主配壓閥活塞向上運動；當比例伺服閥向左移動即x<0時，根據同樣原理，主配壓閥活塞向下運動［2］。

2 建立線性化方程

在分析主配壓閥裝置的工作原理的基礎上，建立主配壓閥裝置線性化方程。

設比例伺服閥的位移x，主配壓閥閥芯的位移y，建立y和x的線性方程，將主配壓閥分為比例伺服控制閥和主配壓閥活塞腔兩個部分進行分析。

2.1 建立比例伺服閥線性化方程

比例伺服閥的閥芯位移x是輸入量，進入主配壓閥活塞缸的流量qL是輸出量。其中，控制閥的流量qL不僅和閥芯位移x有關，而且和主配壓閥活塞缸的壓力差pL=p1-p2有關，設qL為單位時間內進入主配壓閥活塞缸的油液流量，以某型比例伺服閥為例，在靜態情況下，qL與x和pL之間的關系如圖2、圖3，可建立qL為x和pL的非線性函數，并以用非線性方程 qL=f（x，pL）表示［3-4］。

圖2 位移—流量特性圖

圖3 壓差—流量特性圖

根據位移—壓差—流量特性建立小偏差線性方程，即：

在式（1）略去 △x、△pL的高次項，可以求得控制閥流量的線性化方程：

2.2 建立主配壓閥動態參數方程

進入主配壓閥活塞缸的流量qL是輸入量，活塞運動的位移y是輸出量。當壓力油進入活塞缸，推動活塞產生位移時，有流量和壓力兩種平衡關系。由流量平衡關系建立活塞缸進油量qL與活塞位移y之間的關系方程。

活塞缸工作腔流體流動的連續性方程為：

式中 qL是進入活塞缸腔內的流量；qm是活塞產生位移的油液流量；qt是活塞腔內泄漏的流量；qV是活塞缸可壓縮體積存儲的流量［6］。

若忽略壓縮和泄漏，則進入活塞缸腔內的油液全部用來推動活塞產生位移，于是得：qL=qm，此時建立qL與y之間的微分方程得：

式中 A為活塞缸的面積；dy為活塞缸dt時間內的移動量。

將式（5）帶入式（3），求得：

由壓力關系建立壓力平衡方程：活塞上的作用力F，等于pL與活塞面積A的乘積，即：

而作用力F與負載慣性力和摩擦阻力相平衡，即：

由于主配壓閥活塞缸摩擦系數很小，摩擦阻力忽略不計，由式（7）和式（8）得到運動方程：

3 動態響應參數分析

由式（10）整理得：

由式（11）及x=0時，y=0。解出y的表達式：

按照表1參數值，根據式（11）繪制y-x曲線，如圖4。

由式 （12） 及圖4可知，主配壓閥響應速度與流量壓力成正比，與比例伺服閥的通徑成正比，與主配壓閥活塞控制腔的面積成反比。為更好地提高主配壓閥的動態特性，需選擇合理的比例伺服閥流量增益與活塞腔面積可以改變主配壓閥的動態特性，在負載和油壓一定時，與比值越大時主配壓閥的動態響應速度更快。

表1 主配壓閥設計參數

圖4 三組參數下伺服閥與主配壓閥運動特性

4 結語

（1）在工程實際使用時，需考慮經濟性和性能的平衡，不能一味地追求響應速度的快慢，當主配壓閥相應速度越快時，對電氣系統的響應速度要求也將越高，需綜合考慮后選型、設計。

（2）主配壓閥動態特性與油壓大小、比例伺服閥通徑、控制腔活塞面積、負載質量有關，比例伺服閥通徑與控制腔活塞面積比值越大時主配壓閥的動態響應速度更快。

（3）在工程實際應用中，根據實際的控制需求選擇合適主配壓閥參數，給水電站主配壓閥選型設計時提供一定參考。

［1］吳縉，蘇永亮，張建偉，等.主配壓閥響應速度特性仿真研究［J］.液壓氣動與密封，2013，33（9）：50-52.

［2］李建華，朱軍，許棟，等.DN250 主配壓閥國產化的研究［J］.電力系統，2010（8）：100-102.

［3］高國燊，余文烋.自動控制原理［M］.廣州：華南理工大學出版社，1999.

［4］王春行.液壓控制系統［M］.北京：機械工業出版社，1999.

［5］向虎，韋文術.CFD技術及其在液壓支架用閥設計中的應用探討［J］.煤礦機械，2007，28（1）：13-14.

［6］劉波，吳海，何紅陽，等.基于CFD的錐直噴嘴的過渡圓弧優化分析［J］.液壓氣動與密封，2011（6）：36-38.