摘要：水電站是利用水能進行發電的綜合性設施，不僅清潔環保，而且能產生大量的電能，有效的緩解了我國日益緊張的能源問題。水輪發電機組是供電系統的核心裝置，內置調速器能夠隨時調節發電機組轉速，確保供電穩定性。本文將討論水輪發電機調速器的工作原理，及多項式方程法在其中的具體應用。

中圖分類號：TM312

文獻標識碼：A

1水輪發電機組調速器的作用

水輪發電機組是由水輪機和發電機兩部分組成，水輪機為原動機，利用水的能量運轉，將機械能轉化為電能，驅動發電機發電。水輪發電機組是水電站的核心裝置，決定輸出電能的電壓和頻率，有效控制其轉速，避免由于轉速過快引發電力事故。為了解決這個問題，有些水電站安裝了過速保護系統，當水輪發電機組的轉速超過額定數值時系統會啟動，關閉進水閘門，停止發電機組工作。發電機組停止運轉會終止輸出電能，導致供電中斷影響供電系統穩定性。將過速保護系統用于水輪發電機組是不科學，因為水輪發電機組始終在水中工作，水是一直流動的，水輪發電機組的轉速是隨著流水的速度而不斷變化，當水流速加快時水輪發電機組也會相應提高運轉速度，這樣很容易達到過速保護系統的啟動要求，所以機組經常會發生閘門關閉的現象。想要重新恢復機組運轉，需要手動開啟進水閘門，不僅耗費大量人力物力，而且恢復供電也需要一定的時間，給水電站造成了很大的經濟損失。

為了實現在水輪發電機組工作時能夠對其轉速進行嚴格控制，并且能夠隨時調節轉速以保證機組高效運轉，最有效的方法是在水輪發電機組中安裝調速裝置。調速裝置包括調速器和油壓裝置。調速器的作用是降低水的流速對水輪發電機組的影響，控制發電機組的轉速，使輸出電能的頻率符合實際的供電要求，并且保持設備高效節能運行。所以調速器要有優越的性能：反應靈敏，能夠迅速發現水流速度的變化，隨即進行轉速調節;維修方便，在發生故障時能夠在第一時間找出原因并進行修理;質量可靠，調速器需要不間斷的工作，所以要保證其符合國家質量合格標準且安全耐用。

2水輪機調速器的工作原理

水輪機調速器的工作內容是調節發電機組的轉速，將其控制在額定數值內，以維持供電系統穩定。水輪發電機組的轉速受到水輪機主力矩的影響，而水輪機主力矩由水的密度、水輪機的效率、工作水頭及水流量共同決定，水的密度是不變的，水輪機的效率、工作水頭都與設備性能有關，不是容易改變的因素，而水流量是可以控制的，所以要想調節機組的轉速就要改變進水的流量。

為了響應國家的號召，提高水電站的工作效率，保障工作人員的安全，許多水電站內部實施信息化管理。在水輪發動機上安裝數字監控系統，并與調速器相連接，通過計算機對調速器進行24小時全方位監控，并對其進行遠程操作控制。這種方法不僅可以使機組設備始終保持高效率運轉，還能夠提高供電系統的穩定性。由于調速器對工作狀態的反饋不是直線型的，需要通過其他與之相關的數據進行推測，采用數學建模法對調速器及水輪機工作原理進行分析，得出其工作特點。調速器的工作過程類似于阻尼過程，水輪機導葉開度的增加使得水輪發電機組的靜態增益降低，減少了響應所需要的時間。而且在這個時間內調速器的動態和靜態特性有了明顯的改變。調速器的工作原理就是利用機組的轉速波動，對水輪機導葉的開度進行適當調整，使水輪機的轉速恢復到額定轉速內，維持發電機組的穩定運。

3多項式方程法的應用

3.1多項式方程法的作用

任何物體在運動狀態下都會產生動能，水也不例外。利用水在運動狀態下重量產生的慣性來實現發電具有可行性，但需要對其動能做出計算，結合工作狀態下的運動情況。實現發電功能需要達到一定的轉速，在額定時間內速度不會出現明顯下降。借助物體慣性特征可降低運轉過程中的耗能。因此在設計環節中應引入調速器，對水輪運動速率做出調控。水輪轉動產生的能量并不能完全應用在發電環節中，會有部分能量在維持運轉時被消耗。應用多項方程法可將不同方向的能量損耗清晰計算，結合發電機使用需求對轉速做出調整。

3.2多項式方程法在調速器中的具體應用

首先，利用傳統的PID法模擬水輪發電機組調速器的工作情況，得出控制調速器整個工作過程的相關數據及調節的最終效果，對數據進行處理，得出PD控制法對系統變化的反應規律。

利用該種方法需要對已知量進行整理，假設未知量的存在形式，利用水輪發電特征優化轉動模式。所得出的運算結果可應用在后續系統設計中，科學調節運轉模式將動能損耗降至最小。根據試驗結果表明，多項式方程法會延長調節時間，產生的誤差較大，所以放棄該結果。

再次，將數據代 regress函數，同樣將得到的結果代入系統進行模擬試驗。試驗結果表明，多項式方程法的誤差小，靈敏性較高。而且該函數還能獲得各項系數95%的置信區間和顯著性概率P。對數據進行整合發現方程中至少有一個自變量的系數不為0，說明此方程有意義。

最后，將解析式代入到調速器的模擬運行活動中，可以得到其階躍擾動過程，將該結果與PID控制器的效果進行對比。結果表明：在系統參數發生改變時多項式方程控制器能夠及時做出反應，產生較強的抵抗性，使得調速器在工作過程中不易受到環境帶來的影響，增強調速系統的抗擾動能力。

多項式方程控制器具有與T-S模糊控制器類似的解析描述，但T-S模糊控制器對輸入空間采取了區域劃分的辦法，將非線性特征引入控制系統;而多項式方程控制器則采取鈍化輸入控制器解析函數差異的方法，令控制輸出更加平滑，避免了T-S模糊控制器進行區域切換時發生的抖動現象。在多項式方程法的理論基礎上設計的控制器不僅具備PID控制法的優點還額外添加了獨有的數值分析和輸出處理環節，降低系統參數變化對調速器運行的影響，提高水輪發電機調速器的性能。

結語

數字化的管理方式使水電站的設備能夠安全、穩定的運轉，增加了電能的輸出，為國家的繁榮發展做出巨大的貢獻水電站應引進國內外先進的機械設備，不斷研發新技術，并重視設備的維護和保養，以提高供電質量。

( 殷樹民哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)