汽輪機調(diào)節(jié)閥的升程流量特性無例外的是非線性的，而信號與調(diào)節(jié)閥的升程關(guān)系是線性的，這樣必然導致機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性是非線性的。非線性靜態(tài)特性不能保證機組良好的調(diào)節(jié)特性，在某些情況下將導致系統(tǒng)不能正常工作。因此，在汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計時，往往通過非線性補償?shù)姆绞綄⒄{(diào)節(jié)閥特性線性化。然而，非線性補償后，對系統(tǒng)的響應(yīng)特性有哪些影響，其影響的程度如何，到目前為止還沒有進行研究，有些機組由于補償特性不合理，導致系統(tǒng)擺動，機組的正常運行受到很大的影響。另外，電力系統(tǒng)正在進行機組一次調(diào)頻特性的實驗研究和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)測試，這種非線性補償對于一次調(diào)頻特性和參數(shù)測試結(jié)果的影響也需要進行系統(tǒng)的分析。因此有必要對非線性補償特性進行研究，提供機組設(shè)計和調(diào)整的依據(jù)，特別是對DEH控制系統(tǒng)的補償特性提供調(diào)整的參考，同時，為機組參數(shù)測試提供正確的模型，具有重要的工程實用價值。
1 非線性補償?shù)男问?BR> 常規(guī)液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，閥門特性的線性化通過兩個途徑來實現(xiàn)：調(diào)節(jié)閥開啟的重疊度和配汽凸輪型線的調(diào)整。通過改變閥門的重疊度實現(xiàn)特性的線性化，必然導致節(jié)流損失的增加，在采用提板配汽的中小機組中比較常見，當采用凸輪配汽時，凸輪的轉(zhuǎn)角與油動機升程滿足線性關(guān)系，而閥門升程則取決于凸輪轉(zhuǎn)角與凸輪升程的關(guān)系，通過改變凸輪轉(zhuǎn)角與升程的關(guān)系就可以在同樣轉(zhuǎn)角條件下增加或者減小閥門開度的變化量，從而實現(xiàn)閥門特性的線性化，在凸輪型線應(yīng)保證不會發(fā)生自鎖，并盡量減小凸輪的受力以減小磨損。采用凸輪配汽方式實現(xiàn)靜態(tài)特性線性化時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學模型如圖1所示。
目前，電調(diào)系統(tǒng)，也就是常說的DEH控制系統(tǒng)得到普及，在電調(diào)系統(tǒng)中，為了使得閥門特性線性化，通過所謂的電子凸輪來實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥特性非線性的線性化，其實質(zhì)是通過控制信號的非線性補償使得流量特性線性化。使用最為廣泛的是在計算機內(nèi)部進行信號的補償，其數(shù)學模型如圖2所示，將輸出到電液轉(zhuǎn)換器之前的信號進行補償。相對于同樣信號變化，當流量變化小時，將信號放大，增加閥門開度的變化量，也就是增加閥門流量的變化量，當流量變化大時，將信號縮小，使得對應(yīng)于同樣的信號變化，具有相同的流量變化量，以達到機組靜態(tài)特性的線性化。
在圖1和圖2中，R為轉(zhuǎn)速給定；ΔPL（s）為負荷擾動；Δφ（s）為轉(zhuǎn)速變化；Td為電液轉(zhuǎn)換器時間常數(shù)；Tk為滑閥時間常數(shù)；Ts為油動機時間常數(shù)；Tv為容積時間常數(shù)；Ts為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)；δ為調(diào)速不等率。
2 常規(guī)液壓系統(tǒng)
對于圖1所示的常規(guī)液壓系統(tǒng)，通過凸輪型線的變化來實現(xiàn)閥門特性非線性的補償，此時抽動機的行程沒有變化，發(fā)生變化的只是閥門的升程，從理論上來說，非線性補償不會影響機組的動態(tài)響應(yīng)特性。當油動機滑閥的輸出發(fā)生限幅時，情況也是相同的。
圖3為10%負荷擾動后的動態(tài)響應(yīng)曲線。按照單機運行方式進行仿真，沒有考慮電網(wǎng)對于系統(tǒng)穩(wěn)定的影響。機組并列運行時，考慮到電網(wǎng)的作用，系統(tǒng)的穩(wěn)定性將得到改善。
由于非線性補償在油動機之后，小擾動條件下，油動機滑閥不會出現(xiàn)限幅，因此，系統(tǒng)實際上是一個線性系統(tǒng)。在閥門特性變化比較陡的地方，升程流量的變化率小于1，為1/K值，則閥門特性非線性補償環(huán)節(jié)，即油動機升程與閥門升程之間的變化率必然大于1，為K值，這樣油動機升程與流量之間的關(guān)系即為線性關(guān)系，也就是說信號變化與流量變化之間為線性關(guān)系。由于兩個環(huán)節(jié)串聯(lián)，一個環(huán)節(jié)為K，隨后一個環(huán)節(jié)為1/K，環(huán)節(jié)簡化的結(jié)果是等效于一個放大系數(shù)為1的環(huán)節(jié)，也就是說系統(tǒng)線性化了。大量的仿真結(jié)果表明，在常規(guī)的液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，通過配汽凸輪型線的非線性補償，不會引起系統(tǒng)動態(tài)特性的惡化，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性和一次調(diào)頻特性完全取決于調(diào)節(jié)系統(tǒng)，與補償環(huán)節(jié)沒有關(guān)系。
3 數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)
3.1 油動機滑閥不限幅時的特性
對于數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH系統(tǒng)）來說，非線性補償在電液轉(zhuǎn)換器之前，通過非線性函數(shù)來實現(xiàn)，如圖2所示，非線性補償環(huán)節(jié)的輸出信號與油動機的閥位反饋信號進行比較之后，其誤差信號經(jīng)過PI控制器，驅(qū)動電液轉(zhuǎn)換器，使油動機滑閥運動，控制油動機。對于不同的閥門開度，同樣的閥門升程對應(yīng)的流量變化是不同的，在閥門剛開啟的時候，同樣升程對應(yīng)的流量變化近似為線性，因為此時閥門處于臨界流動狀態(tài)，但隨著閥門開度的增加，閥后壓力增加，閥門的流動轉(zhuǎn)向非臨界，流量變化量減小，若在考察的點上，閥門升程流量關(guān)系曲線的斜率為1/K（K＞1），為了保證流量特性線性，對于同樣的信號變化，則必須增加閥門開度，相當于增加油動機行程的變化量，因此，非線性補償環(huán)節(jié)輸入與輸出信號之間的斜率必須等于K值，這樣就可以保證在靜態(tài)條件下，信號變化量與流量變化量之間滿足線性規(guī)律。補償環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K分別為0.1、1、10、100時的仿真試驗結(jié)果表明，當油動機滑閥沒有限幅時，擾動作用后，補償環(huán)節(jié)的存在對系統(tǒng)的響應(yīng)特性沒有任何影響，對應(yīng)于不同的K值，系統(tǒng)的過渡過程特性相同。
這是因為油動機滑閥沒有限幅，在進行系統(tǒng)傳遞函數(shù)簡化時，非線性補償環(huán)節(jié)與閥門特性非線性環(huán)節(jié)互為倒數(shù)，相互抵消，滑閥和油動機的運動沒有限制，在閥門升程流量特性斜率小于1時，同樣信號變化要求更大的油動機位移，由于滑閥的運動沒有受到輸出閥值的限制，補償環(huán)節(jié)增加了油動機滑閥的輸入信號，使油動機的動作速度加快，以保證達到更大的位移所需要的時間不隨工況點的變化而變化，因此，非線性補償不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和一次調(diào)頻特性，系統(tǒng)的動態(tài)性能取決于除補償環(huán)節(jié)以外的各個組成環(huán)節(jié)的特性。
3.2 油動機滑閥限幅時的特性
然而，油動機滑閥的行程是有限的，取決于其控制油口的高度。當滑閥的行程超過此高度后，輸出不再變化，也就是說滑閥輸出到油動機的有用信號受到了限幅。當限幅值為±1.0，負荷擾動值為10%，補償環(huán)節(jié)放大系數(shù)K值變化時的動帶響應(yīng)特性如圖4所示。
從圖4的動態(tài)相應(yīng)特性可見，隨著補償環(huán)節(jié)放大系數(shù)（對應(yīng)斜率）的增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性逐漸降低，達到穩(wěn)態(tài)和最大值的時間延長，相當于系統(tǒng)的反應(yīng)速度降低，當限幅值為±1.0時，10%負荷擾動可以維持系統(tǒng)穩(wěn)定的最大補償放大倍數(shù)為19.3，當放大系數(shù)大于19.3時，系統(tǒng)不穩(wěn)定，當放大倍數(shù)為6.7時，滑閥開始限幅。在滑閥的運動發(fā)生限幅之后，油動機的運動速度和達到最大值與穩(wěn)態(tài)值的時間發(fā)生變化。因此，為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，當油動機滑閥的限幅值為±1.0，補償環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)不能夠大于19.3。
由此可見，油動機滑閥運動的限幅，隨著補償環(huán)節(jié)放大倍數(shù)的變化，將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過仿真試驗對油動機滑閥不同限幅時的特性進行了研究，滑閥限幅分別為：±1.05、±1.10、±1.15和±1.30時，補償環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K分別在：7.05、7.41、7.76和8.86時抽動機滑閥開始限幅，對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性發(fā)生影響，當K值分別達到：20.28、21.25、22.22和25.11時系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定，K值繼續(xù)增加時系統(tǒng)不穩(wěn)定。不同限幅和補償環(huán)節(jié)放大倍數(shù)時的動態(tài)響應(yīng)特性曲線與圖4相似。
隨著限幅值的增加，補償環(huán)節(jié)的最大放大倍數(shù)增加，對應(yīng)于每一個限幅值，有一個極限放大倍數(shù)，當補償環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)大于該極限值之后，系統(tǒng)不穩(wěn)定。當滑閥限幅開始起作用后，油動機的運動速度受到限制，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的時間延長。不同限幅值所對應(yīng)的極限放大倍數(shù)和油動機滑閥開始限幅的放大倍數(shù)如表1所示。
表1 滑閥限幅值與補償環(huán)節(jié)放大倍數(shù)的關(guān)系（10%擾動）
| 限幅值 |
限幅開始K值 |
臨界K值 |
| ±1.0 |
6.7 |
19.3 |
| ±1.05 |
7.05 |
20.28 |
| ±1.10 |
7.41 |
21.25 |
| ±1.15 |
7.76 |
22.22 |
| ±1.30 |
8.86 |
25.11 |
實際上，對于確定的系統(tǒng)，其滑閥限幅值和非線性補償環(huán)節(jié)的最大放大系數(shù)K值是確定的，因此，要保證系統(tǒng)穩(wěn)定，對于不同的限幅值和放大倍數(shù)K，就有不同的允許最大擾動負荷。仿真試驗確定的不同限幅和放大系數(shù)時的最大擾動負荷如表2所示。當擾動負荷小于對應(yīng)的數(shù)值時，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，當擾動負荷大于對應(yīng)的數(shù)值時，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。這樣，對于確定的系統(tǒng)，其限幅值和補償環(huán)節(jié)放大倍數(shù)是已知的，可以通過限制負荷擾動的大小來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
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