一、概述
数字电液控制系统(DEH)是现代计算机技术和传统的液压控制系统结合的产物，它采用计算机以数字的方式对一次信号进行采集和处理，根据预先设定的控制策略输出控制指令，驱动执行机构实施控制。虽然DEH系统的性能要比传统的控制系统高得多，但从控制理论的层面上看，两者的传递函数是基本相同的，最终的控制目标也是一致的，因此用于衡量传统控制系统性能的大部分特性参数同样也适用于DEH系统。但由于DEH系统的机务结构与传统系统有较大的差异，有些特性参数无法通过传统的测试方法获得。本文对DEH系统与传统控制系统的结构特点进行了比较，并给出了测取DEH系统动、静态特性的方法。
二、数字电液控制系统与传统控制系统结构特性的比较
1.系统的结构组成
传统的汽轮机控制系统主要通过机械的手段来实施对汽轮机系统的控制，由于其结构的局限性，因此功能比较单一，只能实现转速和负荷的手动控制，往往被称为调速系统。这类系统比较常见的有径向离心泵液压调速系统、旋转阻尼液压调速系统和高速弹性调速系统等，它们的调节原理基本相同，都是通过连在汽轮机主轴上的一个机械部件来感应主轴转速的变化情况，并将这种变化转换为一次油压，一次油压再通过机械的放大机构被转换放大为二次油压，最终通过错油门来控制调节阀油动机的开度，油动机再通过杠杆或凸轮传动机构启闭相应的调门。在油动机动作的同时，其开度反馈机构(杠杆弹簧机构反馈系统或油口反馈系统)将油动机的开度反馈至放大机构，从而形成对转速或负荷的闭环控制。机组转速或负荷的设定则是通过操作同步器实现的，在纯液调的系统中，这一操作需要操作员就地手动进行
(若同步器系统经过改造、加装矢量电机后，也可以通过增、减按钮远操)，而在功频电液调节系统中既可手操，也可实现转速和负荷的自动(大闭环)控制。
数字电液控制系统的控制原理与传统调节系统相似，但它完全取消了传统调节系统中的机械式转速感应装置、放大机构和阀位反馈机构，取而代之的是转速探头、微控制器、LVDT等电子元件或系统。转速探头将检测到的汽轮机转速以交流电压信号的形式输入转速测量卡，并在转速测量卡内通过A/D转换器转换为数字量信号。同样，LVDT测得的阀门开度信号也被转换为数字量信号。这两个信号被同时输入数字式计算机进行运算处理，得到调门开度指令，该指令经过D/A转换器转换为模拟量后被送至电液转换器去控制油动机的开度，每个阀门均由各自独立的电液转换器控制。机组转速或负荷的设定是通过系统接口计算机或备用硬操盘进行，除了能完成转速和负荷的手动控制，还能实现转速和负荷的完全自动控制。
2.系统的动、静态特性及其影响因素
汽轮机的调速系统在受到外界干扰的作用时(如负荷变化)，就会产生相应的调节作用，经过一段时间后建立起新的平衡，这是一种动态平衡，这种从一个平衡工况过渡到另一个平衡工况的调节过程被称为调节系统的动态特性，而调节过程结束建立起新平衡后系统各参数的相互关系就被称为调节系统的静态特性。
传统调节系统的静态特性可通过下列参数和曲线系列进行衡量：速度变动率、迟缓率、静态特性曲线(四方图)。这些特性参数均可通过机组的空负荷、带负荷试验测得。传统调节系统动态特性的重要指标主要有：稳定性、超调量、过渡时间。这些特性主要取决于转子飞升时间常数、中间容积时间常数、油动机时间常数、速度变动率、迟缓率等系统本身各元件的特性。系统的动态特性通常由机组的甩负荷试验获得。
对于数字电液控制系统，由于其系统结构和控制方式与传统的调节系统有很大的不同，因此其部分动、静态特性与传统系统有着一定的差别，特别是其静态特性基本上是由系统软件的内部设定值决定的，甚至还可以方便地进行改动;系统的动态特性则由于系统中间环节的计算机化而得到了很大程度的改善。另外，在传统调节系统中用于衡量其动、静态特性的某些参数，在数字电液控制系统中的影响已逐渐减小，只是如果要将某个特定的数字电液控制系统与另外的调节系统作性能比较时，这些参数还是有一定的参考价值的。
三、数字电液控制系统的静态特性及其测试
1.静态特性曲线
静态特性曲线是在单机稳定运行工况下，调速器设定值一定时，汽轮机功率和转速间的关系曲线。要使一台机纽运行于一个独立的、没有其它机组存在的电网，具有很大的难度，而且即使有这个条件也未必可行，因为当机组负荷发生大幅度变化时，电网频率也会随之变化，以致超出允许范围。因此，静态特性曲线常常通过综合空负荷试验和带负荷试验来获得。
空负荷试验是在汽轮机未带负荷的条件下，测取调速器特性和传动放人机构特性的试验。调速器特性即汽轮机转速△n与调速器输出信号△i(如径向泵调节系统中的主油泵进出口差压、高速弹性片调节系统的高速弹性片挡油板位置和旋转阻尼调节系统的二次油压)的关系，在数字电液控制系统中，调速器的输出信号为机组转速与额定转速的偏差信号(在DEH中已被转化为电流信号)。传动放大机构特性即调速器输出信号△i与油动机行程△m的关系。在图1第二、三象限中，表示了数字电液控制系统相应的特性曲线，各坐标值白中心向外逐渐增大。
空负荷试验的方法和步骤如下所示
(1)将调速器设定值设置在高限值;
(2)缓慢操作主汽门(通过软件或机械强制)改变机组转速，转速每上升(或下降)10r/min并稳定后，记录一次转速、调速器输出信号和油动机行程，直至转速到达最大(或最小)值：
(3)将调速器设定值设置在中间值，重复上述试验。
带负荷试验是在汽轮发电机组并网的条件下，主蒸汽压力、温度及汽轮机背压不变时，控制调节汽门开度，使汽轮发电机负荷由零逐渐增加到额定负荷，记录各稳定负荷工况下油
动机位移m和功率N，并作出如图1中第三象限曲线所示的调节阀特性曲线△m—△N。具体试验方法和步骤如下：
(1)确定负荷的测点，由空负荷至满负荷，测点一般不少于12个。由于特性曲线在空、满负荷附近较陡，故在此附近的测点相应要多一些;
(2)带负荷试验时汽轮发电机并网运行，因此应选择在电网周波比较稳定的时候进行：
(3)额定负荷下检查初、终参数是否为额定值，若符合要求，即可开始记录第一次数据;
(4)按预先设定的负荷测点，逐步降低负荷，并在各测量点稳定三至五分钟后记录数据，直至空负荷：
(5)再以同样的顺序逐步增加负荷，直至满负荷，并记录相应数据。
利用上述试验所得的数据，在与图1相同的坐标系中绘制调速器特性曲线An—Ai、传动放大机构特性曲线△i—△m和调节阀特性曲线△m--△N，并由此在第一象限中得出调速系统的静态特性曲线△N一△n。
通过上述试验，理论上可以精确地得出一个DEH系统的静态特性曲线，但这一方法对试验条件的要求比较苛刻，要在实际生产中进行该试验仍具有一定难度。因此对于DEH系统，仅进行流量指令与阀门开度对应关系的检查和调速器高、低限复核试验，由此来衡量系统静态特性的情况。
流量指令与阀门开度对应关系的检查在停机状态即可进行，将进汽管路隔离并强制有关信号后复归汽机，然后通过DEH控制软件输入流量指令，记录各调门的开度指令、实际开度和就地油动机的行程，据此即可作出流量指令与阀门开度对应关系曲线。
调速器低限复核试验通常在机组首次冲转达3000r/min后进行，在DEH操作界面上手动逐渐减小调速器指令，在该指令到达最小值后记录汽机转速。调速器高限复核试验因试验过程机组转速将大于额定转速，因此通常需要在机组带25%以上负荷连续运行数小时解列后，方可进行该试验。在DEH操作界面上手动逐渐增大调速器指令，在该指令到达最大值后，记录汽机转速。汽机的高、低限转速应与制造厂提供的数据一致(对于大型汽轮机组通常为2850r/min和3210r/min)。
2.速度变动率
速度变动率6是指在某一同步器位置所对应的静态曲线下，空负荷工况变化到额定负荷工况时的转速差与额定转速的比值：
n max—n min
δ=-------------------
n 0
式中，n(max)、n(min)、n(a)。分别为汽轮发电机组的空负荷转速、额定负荷转速和额定转速(no=3000r/min)。
速度变动率是调速系统的一个重要指标，事实上它就是图1中调速系统的静态特性曲线△N—△n的斜率。如图2所示，它决定了并网运行的机组在用户负荷发生变化后，各台机组的负荷分配情况，速率变动率越大，机组所承担的负荷越小，反之亦然。
从图2的曲线，我们还可以得到如下结论：速度变动率小，机组的一次调频能力就大。在实际应用中，速度变动率的选取是有范围限制的，不能太大，但也不宜过小。太大了，调频的能力就低：但如果速度变动率过小，在电网负荷变动时，该机组负荷变化幅度就过大，相应地汽机内温度压力变化幅度也过大，容易引起机组部件的损坏，降低机组寿命。通常情况下，速度变动率在3%—6%之间选取。
另外，从经济性考虑，我们通常希望大型机组能在额定负荷条件—F运行，为此，这些机组在额定负荷处的速度变动率应较大，这也有助于避免电网频率降低时机组超载。此外，在机组刚并网后也希望速度变动率大一些，这有助于汽轮机暖机，避免机组产生过大的热应力和差胀。由此可见，在实际应用中，机组静态特性曲线在不同的区段有不同的斜率(如图3所示)，也即存在着局部速度变动率6*。
静态特性曲线上某一点“A”的局部速度变动率6*可用如下方法求得：
在“A”点作一切线，切线与N=0及N=N max的交点所对应的转速为nl和n：，则该点的局部速度变动率δ6(*)(A)即为两点转速差与额定转速之比：
* n1-n2
δ = ———————×100%
A n 0
在数字电液控制系统中，速度变动率是在系统软件中没定的，通常只需在软件中改变电子放大器的增益(也即图1第三象限中传动放大机构特性曲线△i—△m的斜率)，就可改变系统的速度变动率。如日本东芝公司与其600MW机组配套的OSMAP控制系统，速度变动率的设定是通过系统主控制器的T3047功能块实现的，该功能块是一个比例运算模块，其输入端FSSPDC008即为速度变动率的设定值。若不通过维护软件要对速度变动率的值进行验证，通常也可以采用模拟转速信号的方式在DEH操作界面上获得，具体的方法依不同的系统而定。
3.迟缓率
在传统的调节系统中，转速信号的感受、传递、放大都是通过机械部件完成的。由于这些中间环节相互间存在着磨擦力、连接间隙等因素，实际上调速器的输出与机组转速之间并不是理想中的单值函数。因此，实际的调速器特性曲线不是一根，而是有上行特性和下行特性两根曲线。同样，由于错油门过封度、连接间隙等因素的影响，油动机行程与调速器输出之间、调节阀开度与油动机行程之间也不是单值函数。这样，按转速上升时的特性可以画出特性线aa、bb、cc，并由此作出转速上升时的静态特性曲线dd;按转速·厂降时的特性可以画出特性线AA、BB、CC，同样可作出转速下降时的静态特性曲线DD。所以，如图4所示，实际的调速系统静态特性曲线也有两根。
为衡量这种因素的严重程度，引入了迟缓率这个概念。简单地说，迟缓率c就是转速上升过程的特性曲线dd和转速—卜降过程的静态特性曲线DD之间相同负荷—卜机组转速差An与额定转速n0之比：
△n
ε= —————×100%
n 0
当凋速系统的静态特性曲线为育线刑带状时，迟缓率引起的机组负荷晃动值为
ε
△N= ——————× N1
δ
式中△N、ε、δ、N1分别为机组负荷晃动值、迟缓率、速度变动率和当前机组负荷。
在DEH系统中，由于转速信号的感受、传递、放大都是计算机及相应的电子器件完成的，其处理精度很高，响应速度很快，基本不存在迟缓现象，而且每个油动机的动作都是由各自独立配置的响应速度极快、迟缓极小的电液伺服阀控制的。另外，DEH系统的每个调节阀均由各自独立的油动机通过靠背轮直接驱动，因而也没有配汽机构存在摩擦力或连接间隙的问题。因此，对DEH系统迟缓率有较大影响的因素只有调节阀和油动机本身的摩擦力一项，止是由于这个原因，DEH系统的迟缓率要比传统调节系统小得多。传统液压式调速系统的迟缓率一般在0.2—0.5%之间，而数字电液控制系统的迟缓率通常要小于0.1%。
四、数字电液控制系统的动态特性及其测试
对于汽轮发电机组而言，其动态特性主要是指汽轮机转速n与时间t之间的关系， 由于甩全负荷是汽轮发电机组最剧烈的动态变化过程，因此下面的讨论均以甩负荷工况为例。
1.稳定性
调节系统的稳定性是指在机组运行时，受到扰动而离开平衡状态后，经过调节系统的作用，过渡到新的平衡状态的能力。动态稳定性是衡量汽轮机调节系统动态品质最基本的指标。从理论上讲，调节系统的稳定性主要有种可能，如图5中曲线a、b、c、d、e、f所示。前二种的结果是收敛的，因而系统是动态稳定的：第四种的情况是等幅振荡，而第五、六种则是发散的，这后三种系统是动态不稳定的。显然，在实际应用中，只有前面三种系统才能被采用，而且当调节过程如曲线c那样衰减振荡时，其明显的振荡次数不应超过5次。
2.超调量
调节系统在动态过渡过程中，系统参数超过稳定参数的最大偏差值被称作超调量。在DEH系统中转速的超调量是最重要、也是比较直观的一个动态特性参数。一个调节系统，即使其具备稳定性，但如果它的超调量过大，也是无法使用的，因为过大的超调量将引起严重的超速，危及汽轮机的安全。在实际应用中，为保证汽轮机的安全，要求汽轮机在甩去负荷后，其转速的飞升不超过超速保安器的动作转速，且存有一定的余量。一般情况’F，超速保安器的动作转速为额定转速的110%-112%，如果要求有3%的余量，那么最高转速就不应超过107%-109%。超调量的计算可按下式进行：
△n(max)-△n(d)
△=-----------------------×100%
n0
式中，△为超调量，△n(max)为甩负荷后最大飞升转速与甩负荷前稳定转速的差值(如图5中曲线b所示)。△nδ为甩负荷后机组的稳定转速与甩负荷前稳定转速的差值(如图5中曲线b所示)，n0为甩负荷前机组的稳定转速。
3.过渡时间
机组受到扰动后，从原来的平衡状态过渡到新的平衡状态所需要的时间称为过渡时间。通常情况—F，这个值越小越好，在汽轮机组甩全负荷后，这个过渡时间应小于50秒。
调节系统的平衡是一个动态的平衡，不可能达到绝对的稳定，因此当调节系统的参数与最后稳定值的偏差小于一定的数值后，即可认为已达到稳定。一般情况下，允许的最大偏差取静态偏差的1/5-1/20，对转速而言，这个偏差就是(0.05-0.067)6no·
4.影响动态特性的主要因素
(1)速度变动率δ
速度变动率δ对系统动态特性的影响十分明显，δ越大，甩负荷后转速飞升得越高： δ6越小，飞升转速的绝对值也越小，但超调量将增人，且出现的波动次数也有所增加，这将降低系统的稳定性。
(2)油动机时间常数Tm
油动机时间常数Tm用于表征调节阀关闭所需的时间长短，在DEH系统中其定义为：当电液伺服阀的负向激励电流最大时，在阀门开度(LVDT信号)对控制回路没有反馈作用的情况不，油动机活塞在最大差压作用下，从满负荷开度移动到空负荷开度所需的时间。油动机时间常数的计算可按下式进行：
A×△ Mmax
Tm= -----------------
Qmax
式中，Tm为油动机时间常数;A为油动机活塞面积;△Mmax为油动机活塞从空负荷开度到满负荷开度的行程;Qmax为电液伺服阀的激励电流最大时进入油动机的油流量。
Tm一般为0.1-0.3秒。该值大，说明油动机活塞移动的速度较慢，甩负荷时最高飞升转速较高，转速过渡曲线摆动的幅度也较大，使过渡时间增加，调节品质恶化。减小Tm，可使调节阀迅速关闭，降低动态超调量，提高调节品质，但当Tm过小时，也可能导致调节系统摆动。
(3)转子飞升时间常数Ta
转子飞升时间常数Ta是指转子在额定负荷时蒸汽主力矩Mt的作用下，转速由零升高到额定值所需要的时间。转子飞升时间常数的计算可按下式进行：
I×ω0
Ta= ——————
Mt
式中，Ta 为转子时间常数;I为转动惯量;ω0为额角速度(ω0=2n0π/60);Mt为额定负荷时的蒸气主力矩。
自上式可见，转子的转动惯量越小、蒸汽的额定主力矩越大，转子就越容易加速。随着汽轮机容量的增加，Mt成倍地增加，但I却增加不多，因而T，越来越小。一般中压小功率机组的Ta约为11-14秒，高压机组为7-10秒，而中间再热机组仅5-8秒，所以机组功率越大，发生超速的可能性也越大。
(4)容积时间常数Tv
汽轮机运行时，其通流部分，以及调节汽门到调节级喷嘴前的汽室和联络管、回热抽汽逆止门前抽汽管、中间再热器与汽轮机间的联络管等管道内都充满着蒸汽，这些中间容积的存在，将使调节过程变长，降低调节的质量。
容积时间常数TV是指蒸汽在额定流量Go下，以多变过程充满中间容积V，并达到密度po所需要的时间。容积时间常数的计算可按下式进行：
g×v×ρ0
Tv= ———————
K×G0
式中，Tv为容积时间常数;g为重力加速度;V为额定工况下的中间容积;ρ0为额定工况下中间容积中的蒸气密度;K为多变指数;G0为额定工况下单位时间内流入中间容积的蒸汽流量。
显然，中间容积越大、在额定上况卜中间容积中蒸汽压力越高，容积时间常数Tv就越大。甩负荷后，即使调节阀已关闭，中间容积内蒸汽的继续膨胀作功还能使转速进一步上升，Tv越大说明这种作功的能力越大，使汽轮机转速额外上升也越大。
(5)迟缓率ε
调节系统的迟缓也会影响系统的动态特性。由于迟滞的存在，将使调节阀关闭迟缓，超调量增加。对于原来非周期性的过程，将使该过程延长，动态偏差增大，但仍是非周期性过程;对于原来的周期性过程，则将使振荡加剧，甚至发散。
(6)防超速控制功能
由于大型汽轮机系统的结构特点很容易导致机组超速，因此在其DEH系统中通常加入了一些防止或抑制机组超速的功能，如汽轮机——发电机功率负荷不平衡控制(PLU)、汽轮机超速保护控制(OPC)、甩负荷预测控制等。
PLU功能投入后，系统将不断监视汽轮机功率(一般取汽轮机调节级后压力)和发电机实发功率(有功)的差值，当该值超过系统的设定值，如40%，DEH将发出调节阀快关指令，使调节阀快速关闭，并经一定延时后再开启。OPC则是对转速及其变化率进行监视，当机组转速超过103%额定转速或转速的上升速率大于DEH设定值时，快关调节阀，并经一定延时后再开启。甩负荷预测控制主要用来抑制机组在甩负荷厂况F的转速飞升，机组并网后，当发电机出口断路器52G断开时，DEH将根据这个断开信号发出调节阀快关指令，快速关闭调节阀，并经一定延时后再开启，也有的系统在收到52G断开的信号后除发出调节阀快关指令外，还同时将系统转速控制回路的转速设定值降至no甚至no以下，使转速稳定于更低的水平。上述几种控制功能的应用，提高了系统调节的响应速度，有效地减少了进入汽轮机的蒸汽量，降低了飞升转速，缩短了过渡时间。在这些控制功能正常投用的情况下，机组甩负
荷时的最大飞升转速实际上已不受速度变动率6的影响。
5.甩负荷试验
甩负荷试验是测取调节系统动态特性的主要手段，通过该试验可以得到转速、调节阀行程随时间变化的曲线，并据此求出转子时间常数T：、容积时间常数Tv速度变动率s等动、静态特性参数。甩全负荷试验的方法和步骤如下所示：
(1)在DEH系统相应的AO/DO端子引出转速、调节阀开度、机组负荷、发电机出口断路器状态等测量信号，经隔离器后接入高速信号采集设备(要求采样频率高于1000次/秒);
(2)在机组保持满负荷稳定运行四小时后，将发电机出口断路器断开，在断开前5秒时开始启动数据采集器记录数据;
(3)当机组转速稳定后，停止数据采集，并将数据输出至GRAPH、EXCEL等作图软件，画出转速、调节阀开度、机组负荷、发电机出口断路器状态等信号对时间的X—Y坐标图：若采用光线录波器等图形数据采集设备，则可直接使用所得到的曲线图：
(4)根据所得的曲线图，求出机组转子时间常数Ta和转子的转动惯量I。汽轮机刚甩负荷的瞬间，负荷己失去，但调节阀尚未动作，进入汽轮机汽缸内的蒸汽量仍为额定流量，相当于额定功率下的蒸汽作用力矩使转子加速，故可根据甩负荷最初的加速度值来计算出时间常数和Ta和汽轮发电机组转子的转动惯量。甩负荷时转子的初始加速度即为转速飞升曲线上升段初始点的斜率，如图6所示，该初始加速度a可通过式a=△n/t求得。
由转子飞升时间常数T，的定义可知：
I×ω0 n0
Ta=————— = ——
Mt a
由于在甩负荷前机组是稳定运行的，汽轮机的蒸汽主力矩Mt与发电机的反力矩Me是相等的，而在额定负荷下Me是己知的，因此还可按下式求出转子的转动惯量I：
Me×Ta I= —————
ω0
式中，Tv为转子时间常数：I为转动惯量：ω0为额定角速度(ωo=2noπ/60);Mt和Me为额定负荷时的蒸汽主力矩和发电机反力矩;n0为甩负荷前机组转速;a为初始加速度。
(5)根据所得的曲线图，求出机组容积时间常数Tvo由于中间容积的存在，当调门全关后，仍有一定量的蒸汽膨胀作功，使机组转子转速继续飞升。容积时间常数Tv是指蒸汽在额定流量G0下，以多变过程充满中间容积V，并达到密度p。所需要的时间。将此定义作功能关系换算后，即可根据动态特性曲线计算T，值(若系统投用了PLU、OPC、甩负荷预测等控制功能，则无法根据所得的曲线图求出机组容积时间常数)：
I×ω0×△ω
Tv= ——————
N 0
式中，Tv 为容积时间常数;I为转动惯量;ω0为额角速度(ω0=2noπ/60)：△ω为油动机关闭后角速度的上升量;N0为额定负荷值。
(6)根据所得的数据，求出机组的速度变动率6。在额定参数下甩全负荷后的稳定转速与原先转速的差值和额定转速之比，就是系统实际的速度变动率(若系统投用了甩负荷预测控制或OPC功能，则无法根据所得的数据求出机组的速度变动率)：
n2-n1
δ=-------------
n0
式中，n1、n2 、n0分别为汽轮发电机组甩负荷前的稳定转速、甩负荷后的稳定转速和额定转速。
五、小结
随着计算机技术的进一步发展，DEH系统的功能将日臻完善，性能更加稳定，调节品质也越来越好，部分静态特性参数(例如速度变动率)将只与系统软件内的设定值相关，在控制系统正常运行的情况下，基本上已没必要通过试验来测取。系统的部分动态特性，也由于某些非常规调节(控制)手段的采用而失去了其原来的意义。不过，诸如甩负荷后机组的最高飞升转速、动态过程的过渡时间、转子时间常数等特性参数还是需要通过试验获得，而且这些参数在很大程度上反映了DEH控制系统的调节品质。
参考文献
曹祖庆，汽轮机调节动态特性，水利电力出版社，1991.5
A.R.卡斯丘克、B.B.福罗洛夫，夏同棠等译，汽轮机和燃气轮机(中译本)
帅志明，汽轮机调节系统，东南大学出版社，1995.11
东芝600MW汽轮机DEH系统维护手册，东芝公司，1997.7
阿尔斯通汽轮机DEH系统维护手册，阿尔斯通公司，1996.5
