乐滩电站调速器系统介绍

林 成 海

（广西桂冠开投电力有限责任公司，广西 忻城 546205）

1 前言

乐滩水电站位于广西忻城县，是红水河十梯级开发的第八级，电站装机4×150 MW。4台机组调速器采用的是武汉事达电气股份有限公司设计制造的PFWST-200-6.3-STARS型调速器。机械结构为进口GE卧式主配压阀＋单比例阀；电气结构为双PLC电气冗余＋工控机。

2004年12月第一台机组投入商业运行后，由于比例阀对油质要求较高，发生过比例阀卡阻现象。且原调速器没有纯机械手操机构，无法进行纯机械操作，调试时需要有电气配合，增加了调试难度。此外，调速器还存在不明原因的溜负荷现象，控制液压油路的窜油也比较突出，导致机组的压油泵启动频繁、压力油系统温度较高(最高温度达58℃)，严重影响了设备安全稳定运行。

鉴于调速器运行中的上述问题，武汉事达电气股份有限公司研制了带自复中功能的比例阀控制系统，对原有调速器进行了改造，解决了原调速器溜负荷和窜油现象。同时，增强了电气部分的智能控制功能。下面对改造后调速器的带自复中功能的比例阀控制系统及电气智能控制功能做简要介绍。

2 机械液压系统工作原理

原调速器采用比例阀单独控制方式。比例阀虽然其动态品质较优，但对系统的油质要求较高，需要高精度的过滤装置，在现场还须经常性维护和定期检测油质。减少由于现场油质不洁而出现卡阻的现象，这是目前调速器现场运行中存在的难点之一。

经过经济、技术和性能比较后，采用比例阀加自复中手动操作机构冗余方式，机械手操机构上方增加了一个伺服控制系统，使自复中控制系统具备了电动功能，完全替代比例阀控制系统进行日常运行控制，是真正的双套控制冗余系统。当比例阀因故不能正常使用时可以切换至自复中控制回路，由伺服电机来控制机组运行。改造后的调速器总体结构如图1。

图1 改造后调速器机械液压原理框图

2.1 比例阀控制回路

比例阀是一种按输入电气信号连续控制液流方向和流量的电液控制阀，由其控制主配压阀来操纵接力器。工作原理为：手自动切换阀（303EV）处于自动位，或给切换阀通电，A1与A3油路相通，这时切除了液压反馈机构（自复中控制回路）的油路。比例阀（301PV）的控制腔A1通过紧急停机电磁阀（301EV）与主配压阀（301DV）的控制腔 A4相连，接力器的运动由比例阀控制。当比例阀输出压力油时，主配压阀控制腔的油压上升，主活塞向下运动，接力器开启。当比例阀与回油相连时，主配压阀的控制腔的压力下降，在下部恒压腔的油压作用下，将主配压阀的主活塞抬起，接力器关机。

2.2 自复中控制回路

手动操作机构设置有把手，操作把手旋转，即可驱动主配压阀的活塞上下运动，从而输出压力控制接力器的开启和关闭。其工作原理为：手自动切换阀（303EV）处于手动位，A2与A3相通，液压反馈机构的控制腔A2通过紧急停机电磁阀与主配压阀的控制腔A4相连，接力器的运动由手动操作机构（303ET）控制。

当手动操作机构中把手顺时针旋转时，输出轴向下运动，输出向下的位移，与它刚性连接的液压反馈机构的阀芯一起向下运动，压力油由油路 A2、A3、A4进入主活塞的控制腔，主活塞的控制腔压力上升，主活塞向下运动，接力器朝开启方向运动；松开手轮，输出轴在复中弹簧作用下回到零位，液压反馈机构的阀芯跟随回到零位，衬套与阀芯的相对位置打开了窗口，使A2接通回油，主配压阀的控制腔压力下降，主活塞向上运动，直至衬套与阀芯封闭窗口，主活塞停止运动，回到零位，这时接力器开启至在某一个开度。当手动操作机构把手逆时针旋转时，上述动作相反。电动控制工作原理与机械手操相同，不同的是电机轴旋转由定位模块+驱动器控制。

2.3 自复中功能

当调速器交、直流电源发生故障时，液压系统中的自复中功能使主配压阀自复中，维持水轮机导叶在故障前的位置，并可手动进行停机。电源消失时手自动切换阀（303EV）自动切换到手动位，由于手动操作机构在没有驱动力状态下始终处于零位，故主配压阀的主活塞复中至零位，因此，无论接力器在开启过程还是关闭过程中，均能使接力器停止在断电前的位置。

3 电气智能控制功能

3.1 自适应控制

PZWST型微机调速器具有较强的自适应能力，提高了在不同运行环境下的调节品质。可根据导叶开度、有效水头和机组出力所反映的运行工况（如空载、并网运行）自行调整调节参数（Kp、Ki、Kd）和控制结构，以实现在多数工况下均能以相应的最优参数和最佳控制结构参与机组的动态调控，并实现不同结构和参数下的平滑过渡。

并网前：机组处于空载状态，此时调速器处于频率调节模式，控制机组跟踪电网频率或频率给定。采用 P+I+D调节规律及适合于空载运行的一组 PID参数，选用该调节规律可控制机组快速跟踪电网频率、使频率偏差小，便于机组并网。

并网后：调速器主要任务是控制机组稳定地发电，此时处于功率（开度）调节模式。采用P+I调节规律及适当的一组PID参数，可使机组减少不必要的调节过程并保证运行稳定不会造成负荷的波动，同时可降低设备的油耗，减少油泵电机的工作次数。

并网后：当机组频率波动较大或超过给定频率死区时。调速器自动转入孤网调节，采用P+I+D调节规律及适合于调频运行的一组PID参数，控制机组频率稳定在给定频率。同时，采用该调节方式，可保证线路跳开关时，调速器能进行快速调节而不至于造成机组过速。

功率（开度）开环增量调节：调速器在功率（开度）调节模式时，接收到增加/减少命令，将增加/减少功率（开度）给定。控制系统在P+I调节的同时加入了实际开度与给定开度的偏差，使机组能单调、快速地跟踪给定值。

3.2 功率自适应式变参数PI调节

为了实现机组功率Pg对AGC系统下达的功率给定Pc的快速、单调跟踪，必须采用有开环增量ΔP的功率调节模式。由于机组功率Pg是机组水头H和导叶开度Y的函数，在编程时使ΔP为H和Y的函数，即ΔP对H和Y自适应式变参数。否则，在低水头工况整定的 ΔP值，将使在高水头下的功率调节出现大的超调和振荡。

为了适应机组运行水头、水轮机导叶开度/机组功率和功率偏差值的不同情况，采用自适应式变参数机组功率的PI调节，如图2所示。

（1）功率通过不同的积分速度进行调节。当给定功率和实际值偏差较大时，快速积分(斜率K1)，使出力尽快逼近给定值；当功率的偏差值进入一定区间（区间Ⅰ）后，减慢积分速度(斜率K2)；在更小的区间（区间Ⅱ）中，使积分速度逐渐减至零(指数规律)。这样，使功率的调节讯速而稳定，避免超调。

（2）机组水头分段且有部分搭叠区，运行水头位于高水头段时，K1，K2取较小值；运行水头位于低水头段时，K1，K2取较大值。从而保证在不同运行水头时，机组功率控制。

具有近似相同的速率，以保证功率控制的快速性和单调性。

（3）当机组导叶开度大于 70%时，适当加大当时运行水头下的K1，K2值，以适应水轮发电机组导叶开度与机组功率的非线性特性。

这种机组功率自适应式变参数 PI的控制方式已在二滩水电站2号机和5号机调速器上成功运用，解决了二滩水电站原调速器功率调节时的大幅度波动问题[1]。

图2 机组功率变参数PI调节曲线

3.3 电气开度限制L的自适应式变参数

（1）为了保证水轮发电机组合理安全运行，必须根据水轮机特性，适应机组运行水头，设定与之对应的导叶最大开度值。为此，可在微机调节器内写入Lmax（H）的节点表，由运行水头插值求得相应最大电气开度限制Lmax。

（2）水头插值计算

节点表：根据提供的水头—空载开限和水头—开限曲线，将其数表转化为15个水头下的节点表。计算方法如下：

1）确定当前水头区间（H(i+1)＞H＞H(i))

2）查表水头H(i+1)下对应的开限L0(i+1)、Lmax(i+1)；H(i)下对应的开限L0(i)、Lmax(i)

3）计算水头H下的开限L0(i+1)、Lmax(i+1)值

4）计算公式：

3.4 自适应式开机特性

（1）两段开机特性（适应运行水头）

如图3所示的两段开机曲线（H1＞H2）。调速器接到开机指令后，即通过电气开度限制L0将导叶开启至第一开机开度YKJ1（图中A点）经过一段时间tA−B开始测量机组转速（频率），设在 C点机组频率已连续2s大于45Hz，则通过电气开限L将导叶压至第二开机开度YKJ2，调速器转入空载运行工况，由PID调节导叶至空载开度Y0。

（2）加速度闭环开机

调速器接到开机指令后，即将导叶开启至电气开限预开度L0，此后即按照机组转速0～0.8nr，0.8～0.9nr和 0.9～1.0nr（均可调整）的三个区间，通过电气开度限制L控制导叶开度，使机组加速度相应为4%nr/s、2%nr/s、 1%nr/s（均可调整）实现机组快速，近似单调的开启过程，当机组转速达到0.98nr时，调速器转入空载运行工况。

图3 两段式开机曲线

4 结语

乐滩电站调速器机械系统的改造解决了原调速器运行中出现的比例阀卡阻、溜负荷和窜油等现象。对电气控制功能的升级改造，使调速器更具智能性。从现场运行效果看，自适应式变参数控制方式消除了原调速器功率调节时的大幅度波动。改造后的调速系统静特性、动特性、稳定性等特性参数也均满足国标要求，可靠性有很大提高。

[1]谭中美, 刘小改. 二滩水电站调速器控制系统改造[J]. 水电站机电技术. 2005, (2): 64-65.