陳天宇

（福建閩興水電有限公司，福建 南平 353000）

貫流式水輪機雙微機調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)改造

陳天宇

（福建閩興水電有限公司，福建 南平 353000）

以福建峽陽水電站水輪機調(diào)速器為例，針對原貫流式水輪機調(diào)速系統(tǒng)存在的問題，提出了可行的技術(shù)改造方案，并進行了現(xiàn)場安裝、調(diào)試試驗，投運后該系統(tǒng)運行情況得到改善,取得了明顯的效果,極大地提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

水電設(shè)備；貫流式機組；調(diào)速系統(tǒng)；穩(wěn)定運行；技術(shù)改造

1 概述

福建峽陽水電站共有三臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量為4.38M W。電站原調(diào)速器設(shè)備已運行十多年時間，電氣控制部分元件老化,故障頻發(fā)，電液轉(zhuǎn)換器工作不可靠，機械部分存在漏油，調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)性較差，機組甩滿負荷動作時,會發(fā)生低頻并引起勵磁系統(tǒng)滅磁等問題,不能達到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，嚴(yán)重影響到設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。2010年峽陽水電站引進了可編程微機調(diào)速器技術(shù)，先后在機組檢修期間對調(diào)速器進行改造，即對原調(diào)速器存在主要問題的電氣控制系統(tǒng)部分及液壓控制部分進行改造。改造后的調(diào)速器運行穩(wěn)定，各項性能指標(biāo)均達到規(guī)范要求。

2 貫流式機組調(diào)節(jié)特性分析

由于貫流式機組轉(zhuǎn)動慣量較小，相應(yīng)的飛輪力矩G D2很小，當(dāng)發(fā)電機從電網(wǎng)脫離時其阻力矩在很短的時間內(nèi)降到零，故轉(zhuǎn)速迅速增高。此時，導(dǎo)葉以最快速度開始關(guān)閉，而槳葉部分的關(guān)閉時間一般為導(dǎo)葉關(guān)閉時間的3～6倍，那么協(xié)聯(lián)關(guān)系就會被破壞。由于貫流式機組有防浪涌要求，這時要求槳葉延時關(guān)閉或按與導(dǎo)葉相反方向開啟，因此，這時必須選擇適當(dāng)?shù)娜~片轉(zhuǎn)動角度，來避免或降低在甩負荷初期由于轉(zhuǎn)速上升帶來的流量增值所引起的負水擊效應(yīng)，以及甩負荷后期有可能出現(xiàn)機組過低的轉(zhuǎn)速，使勵磁系統(tǒng)滅磁而停機的現(xiàn)象。

3 調(diào)速器的改造方案

為了解決以上問題，我們選擇采用WS T-PLC-100型交流伺服電機式雙可編程微機調(diào)速器方案，該調(diào)速器具有自適應(yīng)變參數(shù)變結(jié)構(gòu)的控制策略。這種控制策略可自動分辨水輪機不同的過渡過程和工況，根據(jù)分辨出的不同的過渡過程和工況，調(diào)速器相應(yīng)地改變控制參數(shù)和控制結(jié)構(gòu)，從而使水輪發(fā)電機組穩(wěn)定地運行在各種工況。

3.1 調(diào)節(jié)器的配置

WS T-PLC-100型交流伺服電機式雙可編程微機調(diào)速器由調(diào)節(jié)控制器及機械液壓控制部分組成，如圖1中虛線框部分。

圖1 雙可編程微機調(diào)速器系統(tǒng)方框圖

調(diào)節(jié)器部分采用雙微機控制。雙微機控制系統(tǒng)采用兩套完全相同的PLC控制單元（每套PLC控制單元包括C P U模塊、I/O模塊、A/D采樣模塊、測頻模塊、電源模塊、通訊模塊）。兩個PLC控制單元同時運行相同的程序，是并列運行方式，一主用一備用，并互為備用。兩臺PLC之間始終保持著實時數(shù)據(jù)交換，當(dāng)一個控制單元發(fā)生故障，切換單元自動將系統(tǒng)切換到另一個控制單元運行，切換過程無擾動且維持同一控制方式。PLC控制單元完成調(diào)節(jié)器內(nèi)部的PID控制、模糊控制和邏輯控制。

3.2 調(diào)節(jié)器PID的控制過程分析

在水輪機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中，PID控制器根據(jù)PID控制原理對機組控制系統(tǒng)進行偏差調(diào)節(jié)，即：由PID運算輸出值與開度限制值比較后，獲得水輪機導(dǎo)葉的控制輸出值，從而控制水輪機導(dǎo)葉的開度。因此，必須合理選擇相應(yīng)的控制規(guī)律，使PID控制器達到預(yù)期的控制效果。貫流式機組的調(diào)節(jié)控制可采用離散算法來模擬PID運算過程：

其中：△Pi，△fi分別為當(dāng)前周期的PID和頻率改變量；P為PID計算輸出；Bp，Bt分別為永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)和暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)；Td，Tn分別為緩沖時間常數(shù)和加速時間常數(shù)；Kp，Ki，Kd分別為比例、積分、微分時間常數(shù)。

從以上運算關(guān)系可以看出：當(dāng)Bt增大時Kp，Ki，Kd，將同時減少，其△Pi在同等條件下也將減少，其控制函數(shù)階躍響應(yīng)曲線將整體下移，這樣將減少超調(diào)量。在Bt增大的同時，適當(dāng)增加Td，增大微分量，又將加快到穩(wěn)定點的速度。因此，機組在甩負荷（發(fā)電機出口開關(guān)斷開）時，導(dǎo)葉應(yīng)投入空載PID控制，這時槳葉保持當(dāng)前開度。當(dāng)轉(zhuǎn)速開始下降時，PID投入?yún)f(xié)聯(lián)控制，槳葉往回關(guān)，為了使機組轉(zhuǎn)速下降不至太低，確保不發(fā)生滅磁而停機，可適當(dāng)提高PID控制輸出的下限值。

在峽陽水電站調(diào)節(jié)器技術(shù)改造中，采用的PID控制器是一種基本型邏輯控制器，它具有適應(yīng)式變參數(shù)變結(jié)構(gòu)非線性控制的特點。如空載頻率調(diào)節(jié)：采用基本型邏輯控制器，調(diào)速器具有閉環(huán)開機規(guī)律，使水輪機轉(zhuǎn)速按給定的轉(zhuǎn)速曲線上升，從而快速平穩(wěn)地達到空載狀態(tài)。使機組頻率更快的穩(wěn)定于額定頻率，并能使機組的頻率擺動更小,獲得良好的控制效果。控制效果見圖2。采用這種控制方案能滿足對調(diào)速器運行高可靠性、高安全性的要求。

圖2 基本型邏輯控制器的控制效果曲線

3.3 機械液壓控制系統(tǒng)的配置

調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)采用無油伺服電機式機械液壓系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)原理見圖3。其動作原理為：電液轉(zhuǎn)換部件帶動引導(dǎo)閥上下動作，通過引導(dǎo)閥帶動主配壓閥上下運動，控制接力器。當(dāng)控制信號為零時，在上下彈簧的作用下，使絲桿軸承副回到中間位置，調(diào)速器的引導(dǎo)閥及主配壓閥保持固定位置不變，機組運行負荷穩(wěn)定。當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出開方向信號時，伺服電機帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，使絲桿軸承副帶著滑套一起向下運動，通過調(diào)速器的引導(dǎo)閥及主配壓閥動作，帶動機組增大負荷運行。當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出關(guān)方向信號時，伺服電機帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，使絲桿軸承副帶著滑套向上運動，通過調(diào)速器的引導(dǎo)閥及主配壓閥動作，帶動機組減少負荷運行。該系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換機構(gòu)特點是：不用油、能自動復(fù)中，整個系統(tǒng)無機械反饋機構(gòu)，從引導(dǎo)閥到主配壓閥全部在一條軸線上，無桿杠結(jié)構(gòu)，操作靈活死區(qū)小，保證了整個調(diào)速器的動、靜態(tài)品質(zhì)。

圖3 機械液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

4 系統(tǒng)安裝、調(diào)試和試驗

機械液壓部分、調(diào)速器電柜在現(xiàn)場按廠家提供的圖紙進行安裝。安裝完成后，按國標(biāo)GB T 9652[1].2-2007《水輪機控制系統(tǒng)試驗》要求對調(diào)速器進行現(xiàn)場各項試驗，檢查調(diào)速器動靜態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)，選擇調(diào)速對調(diào)速器主要性能進行試測。內(nèi)容為：①用常規(guī)法作靜特性。②開機動態(tài)過程記錄。③空載頻率擾動試驗。④空載頻率擺動試驗⑤甩負荷試驗（25%、50%、100%），并提供試驗報告。各項結(jié)果滿足要求后，進行72h試運行。試驗情況如下：

（1）靜特性試驗（用仿真測試儀做試驗）

目的：測調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)和非線性度。

條件：調(diào)速器處于“自動“工況，并網(wǎng)狀態(tài)，開限為100%，頻給=50Hz，調(diào)節(jié)方式為開度調(diào)節(jié)。小網(wǎng)死區(qū) =2.00Hz。大網(wǎng)負載參數(shù)為：b p=6，bt=5，Td=1，Tn=0，E=0。

試驗結(jié)果：符合技術(shù)設(shè)計要求。

（2）動態(tài)試驗

1）空載頻率擾動試驗

目的：尋找調(diào)速器最優(yōu)運行參數(shù)。

條件：A機主用，調(diào)速器處于自動，空載工況，Bp=0，E=0，Kp=1，Ki=1，Kd=1，開限 =100%，跟蹤頻給。

試驗結(jié)果:符合設(shè)計要求，數(shù)據(jù)見表1。

表1 空載頻率擾動試驗數(shù)據(jù)

2）空載頻率擺動試驗

目的：檢驗調(diào)速器在空載運行情況下的頻率擺動。

條件：A機主用，Bp、Bt、Td、Tn、E置空載運行參數(shù)，頻給=50Hz，機組在自動空載工況下運行。

① 手動頻率擺動試驗：

② A機主用試驗

③ B機主用試驗

試驗結(jié)果：符合技術(shù)設(shè)計要求。

（3）帶負荷試驗

目的：檢查調(diào)速器帶負荷時機組運行情況。

條件：調(diào)速器處于自動狀態(tài)，并網(wǎng)，置大網(wǎng)負載參數(shù)，功率調(diào)節(jié)參數(shù)初始值，功率反饋正常。在負荷調(diào)整過程中，機組運行應(yīng)穩(wěn)定，接力器應(yīng)無來回擺動現(xiàn)象。

試驗結(jié)果：帶負荷符合設(shè)計要求。

（4）甩50%、75%、100%負荷試驗

目的：檢查調(diào)速器動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)。

條件：A/B機主用，自動，并網(wǎng)，跟蹤頻給，開度調(diào)節(jié)方式。

試驗結(jié)果：甩50%、75%、100%負荷試驗結(jié)果見表2。

表2 甩50%、75%、100%負荷試驗數(shù)據(jù)

試驗結(jié)論：甩50%、75%、100%負荷后，在轉(zhuǎn)速變化過程中超過額定轉(zhuǎn)速值3%以上波峰為1次，不超過2次，接力器從第一次向開啟方向移動到機組轉(zhuǎn)速擺動值不超過±0.5%為止所經(jīng)歷時間32s，所有指標(biāo)均符合設(shè)計要求。

5 改造后系統(tǒng)運行情況

（1）改造后的調(diào)速器能實現(xiàn)機組的自動、機手動和電手動開機和停機，遠方手動調(diào)節(jié)等功能。當(dāng)機組空載運行，機頻測量故障時，導(dǎo)葉開度保持不變，不進行頻率調(diào)節(jié)，但可接受停機令而停機。當(dāng)網(wǎng)頻故障時，自動切除跟蹤網(wǎng)頻功能，轉(zhuǎn)為跟蹤頻給，并可接受停機令而停機。當(dāng)機組負載運行，機頻測量故障時，則自動取網(wǎng)頻作為機頻，穩(wěn)定運行。如網(wǎng)頻也同時故障時，則發(fā)出報警信號，并保持故障前開度不變，仍可增減負荷。

（2）整個機械液壓系統(tǒng)采用主配壓閥活塞上腔排油的方式實現(xiàn)緊急停機，這樣即使引導(dǎo)閥活塞卡死依然能實現(xiàn)緊急停機。同時，緊急停機動作時，設(shè)有閥芯位置接點信號引出，滿足了機組的安全運行要求。若伺服電機斷電后，可自動復(fù)中，保持接力器當(dāng)前開度不變，克服了電液伺服閥因溫度變化零位飄移，零位難調(diào)整及因發(fā)卡或堵塞時引起的主配壓閥全開、全關(guān)引發(fā)安全事故的缺陷。

（3）空載電網(wǎng)頻率自動跟蹤，以及特有的適應(yīng)式變參數(shù)變結(jié)構(gòu)PID調(diào)節(jié)規(guī)律，能使機組頻率迅速達到同期要求，其與電網(wǎng)頻率偏差不大于0.075Hz。另外調(diào)速器設(shè)有頻率滑差參數(shù)，當(dāng)機組頻率跟蹤電網(wǎng)頻率太近時，可設(shè)置此參數(shù)，使機組頻率與電網(wǎng)頻率存在一定的差值并保持一定的超調(diào)量（0.1Hz），即可迅速并網(wǎng)。

（4）機組在甩滿負荷動作時,不會發(fā)生低頻，勵磁系統(tǒng)也就不會滅磁,保住了廠用電的運行，調(diào)速品質(zhì)均能達到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，確保機組的安全穩(wěn)定運行。

6 結(jié)語

峽陽水電站水輪機調(diào)速器改造后，經(jīng)過現(xiàn)場試驗和運行實踐證明，采用交流伺服電機式WS T-PLC-100型雙可編程微機調(diào)速器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)先進、功能完善，具有可靠性高、調(diào)試方便、抗干擾性強等優(yōu)點，提高了調(diào)速系統(tǒng)的速動性和穩(wěn)定性。

[1]GB/T 9652.2-2007水輪機控制系統(tǒng)試驗[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2]周泰經(jīng).水輪機調(diào)速器實用技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

[3]沈祖詒.水輪機調(diào)節(jié)[M].北京：中國水利水電出版社,1998.

[4]田樹棠.貫流式水輪發(fā)電機組實用技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

T V 734.4

B

1672-5387（2013）01-0059-04

2012-09-17

陳天宇（1962-）,男,高級工程師，從事水電廠生產(chǎn)運行、檢修、技術(shù)管理工作。