贯流式水轮机双微机调速系统的技术改造

陈天宇

（福建闽兴水电有限公司，福建 南平 353000）

贯流式水轮机双微机调速系统的技术改造

陈天宇

（福建闽兴水电有限公司，福建 南平 353000）

以福建峡阳水电站水轮机调速器为例，针对原贯流式水轮机调速系统存在的问题，提出了可行的技术改造方案，并进行了现场安装、调试试验，投运后该系统运行情况得到改善,取得了明显的效果,极大地提高了系统的安全稳定性。

水电设备；贯流式机组；调速系统；稳定运行；技术改造

1 概述

福建峡阳水电站共有三台灯泡贯流式水轮发电机组，总装机容量为4.38M W。电站原调速器设备已运行十多年时间，电气控制部分元件老化,故障频发，电液转换器工作不可靠，机械部分存在漏油，调速系统的稳定性和动态响应性较差，机组甩满负荷动作时,会发生低频并引起励磁系统灭磁等问题,不能达到规范标准要求，严重影响到设备的安全稳定运行。2010年峡阳水电站引进了可编程微机调速器技术，先后在机组检修期间对调速器进行改造，即对原调速器存在主要问题的电气控制系统部分及液压控制部分进行改造。改造后的调速器运行稳定，各项性能指标均达到规范要求。

2 贯流式机组调节特性分析

由于贯流式机组转动惯量较小，相应的飞轮力矩G D2很小，当发电机从电网脱离时其阻力矩在很短的时间内降到零，故转速迅速增高。此时，导叶以最快速度开始关闭，而桨叶部分的关闭时间一般为导叶关闭时间的3～6倍，那么协联关系就会被破坏。由于贯流式机组有防浪涌要求，这时要求桨叶延时关闭或按与导叶相反方向开启，因此，这时必须选择适当的叶片转动角度，来避免或降低在甩负荷初期由于转速上升带来的流量增值所引起的负水击效应，以及甩负荷后期有可能出现机组过低的转速，使励磁系统灭磁而停机的现象。

3 调速器的改造方案

为了解决以上问题，我们选择采用WS T-PLC-100型交流伺服电机式双可编程微机调速器方案，该调速器具有自适应变参数变结构的控制策略。这种控制策略可自动分辨水轮机不同的过渡过程和工况，根据分辨出的不同的过渡过程和工况，调速器相应地改变控制参数和控制结构，从而使水轮发电机组稳定地运行在各种工况。

3.1 调节器的配置

WS T-PLC-100型交流伺服电机式双可编程微机调速器由调节控制器及机械液压控制部分组成，如图1中虚线框部分。

图1 双可编程微机调速器系统方框图

调节器部分采用双微机控制。双微机控制系统采用两套完全相同的PLC控制单元（每套PLC控制单元包括C P U模块、I/O模块、A/D采样模块、测频模块、电源模块、通讯模块）。两个PLC控制单元同时运行相同的程序，是并列运行方式，一主用一备用，并互为备用。两台PLC之间始终保持着实时数据交换，当一个控制单元发生故障，切换单元自动将系统切换到另一个控制单元运行，切换过程无扰动且维持同一控制方式。PLC控制单元完成调节器内部的PID控制、模糊控制和逻辑控制。

3.2 调节器PID的控制过程分析

在水轮机的转速调节中，PID控制器根据PID控制原理对机组控制系统进行偏差调节，即：由PID运算输出值与开度限制值比较后，获得水轮机导叶的控制输出值，从而控制水轮机导叶的开度。因此，必须合理选择相应的控制规律，使PID控制器达到预期的控制效果。贯流式机组的调节控制可采用离散算法来模拟PID运算过程：

其中：△Pi，△fi分别为当前周期的PID和频率改变量；P为PID计算输出；Bp，Bt分别为永态转差系数和暂态转差系数；Td，Tn分别为缓冲时间常数和加速时间常数；Kp，Ki，Kd分别为比例、积分、微分时间常数。

从以上运算关系可以看出：当Bt增大时Kp，Ki，Kd，将同时减少，其△Pi在同等条件下也将减少，其控制函数阶跃响应曲线将整体下移，这样将减少超调量。在Bt增大的同时，适当增加Td，增大微分量，又将加快到稳定点的速度。因此，机组在甩负荷（发电机出口开关断开）时，导叶应投入空载PID控制，这时桨叶保持当前开度。当转速开始下降时，PID投入协联控制，桨叶往回关，为了使机组转速下降不至太低，确保不发生灭磁而停机，可适当提高PID控制输出的下限值。

在峡阳水电站调节器技术改造中，采用的PID控制器是一种基本型逻辑控制器，它具有适应式变参数变结构非线性控制的特点。如空载频率调节：采用基本型逻辑控制器，调速器具有闭环开机规律，使水轮机转速按给定的转速曲线上升，从而快速平稳地达到空载状态。使机组频率更快的稳定于额定频率，并能使机组的频率摆动更小,获得良好的控制效果。控制效果见图2。采用这种控制方案能满足对调速器运行高可靠性、高安全性的要求。

图2 基本型逻辑控制器的控制效果曲线

3.3 机械液压控制系统的配置

调速器机械液压系统采用无油伺服电机式机械液压系统，结构原理见图3。其动作原理为：电液转换部件带动引导阀上下动作，通过引导阀带动主配压阀上下运动，控制接力器。当控制信号为零时，在上下弹簧的作用下，使丝杆轴承副回到中间位置，调速器的引导阀及主配压阀保持固定位置不变，机组运行负荷稳定。当调节器输出开方向信号时，伺服电机带动滚珠丝杆转动，使丝杆轴承副带着滑套一起向下运动，通过调速器的引导阀及主配压阀动作，带动机组增大负荷运行。当调节器输出关方向信号时，伺服电机带动滚珠丝杆转动，使丝杆轴承副带着滑套向上运动，通过调速器的引导阀及主配压阀动作，带动机组减少负荷运行。该系统的电液转换机构特点是：不用油、能自动复中，整个系统无机械反馈机构，从引导阀到主配压阀全部在一条轴线上，无杆杠结构，操作灵活死区小，保证了整个调速器的动、静态品质。

图3 机械液压系统结构原理图

4 系统安装、调试和试验

机械液压部分、调速器电柜在现场按厂家提供的图纸进行安装。安装完成后，按国标GB T 9652[1].2-2007《水轮机控制系统试验》要求对调速器进行现场各项试验，检查调速器动静态调节品质，选择调速对调速器主要性能进行试测。内容为：①用常规法作静特性。②开机动态过程记录。③空载频率扰动试验。④空载频率摆动试验⑤甩负荷试验（25%、50%、100%），并提供试验报告。各项结果满足要求后，进行72h试运行。试验情况如下：

（1）静特性试验（用仿真测试仪做试验）

目的：测调速器转速死区和非线性度。

条件：调速器处于“自动“工况，并网状态，开限为100%，频给=50Hz，调节方式为开度调节。小网死区 =2.00Hz。大网负载参数为：b p=6，bt=5，Td=1，Tn=0，E=0。

试验结果：符合技术设计要求。

（2）动态试验

1）空载频率扰动试验

目的：寻找调速器最优运行参数。

条件：A机主用，调速器处于自动，空载工况，Bp=0，E=0，Kp=1，Ki=1，Kd=1，开限 =100%，跟踪频给。

试验结果:符合设计要求，数据见表1。

表1 空载频率扰动试验数据

2）空载频率摆动试验

目的：检验调速器在空载运行情况下的频率摆动。

条件：A机主用，Bp、Bt、Td、Tn、E置空载运行参数，频给=50Hz，机组在自动空载工况下运行。

① 手动频率摆动试验：

② A机主用试验

③ B机主用试验

试验结果：符合技术设计要求。

（3）带负荷试验

目的：检查调速器带负荷时机组运行情况。

条件：调速器处于自动状态，并网，置大网负载参数，功率调节参数初始值，功率反馈正常。在负荷调整过程中，机组运行应稳定，接力器应无来回摆动现象。

试验结果：带负荷符合设计要求。

（4）甩50%、75%、100%负荷试验

目的：检查调速器动态调节品质。

条件：A/B机主用，自动，并网，跟踪频给，开度调节方式。

试验结果：甩50%、75%、100%负荷试验结果见表2。

表2 甩50%、75%、100%负荷试验数据

试验结论：甩50%、75%、100%负荷后，在转速变化过程中超过额定转速值3%以上波峰为1次，不超过2次，接力器从第一次向开启方向移动到机组转速摆动值不超过±0.5%为止所经历时间32s，所有指标均符合设计要求。

5 改造后系统运行情况

（1）改造后的调速器能实现机组的自动、机手动和电手动开机和停机，远方手动调节等功能。当机组空载运行，机频测量故障时，导叶开度保持不变，不进行频率调节，但可接受停机令而停机。当网频故障时，自动切除跟踪网频功能，转为跟踪频给，并可接受停机令而停机。当机组负载运行，机频测量故障时，则自动取网频作为机频，稳定运行。如网频也同时故障时，则发出报警信号，并保持故障前开度不变，仍可增减负荷。

（2）整个机械液压系统采用主配压阀活塞上腔排油的方式实现紧急停机，这样即使引导阀活塞卡死依然能实现紧急停机。同时，紧急停机动作时，设有阀芯位置接点信号引出，满足了机组的安全运行要求。若伺服电机断电后，可自动复中，保持接力器当前开度不变，克服了电液伺服阀因温度变化零位飘移，零位难调整及因发卡或堵塞时引起的主配压阀全开、全关引发安全事故的缺陷。

（3）空载电网频率自动跟踪，以及特有的适应式变参数变结构PID调节规律，能使机组频率迅速达到同期要求，其与电网频率偏差不大于0.075Hz。另外调速器设有频率滑差参数，当机组频率跟踪电网频率太近时，可设置此参数，使机组频率与电网频率存在一定的差值并保持一定的超调量（0.1Hz），即可迅速并网。

（4）机组在甩满负荷动作时,不会发生低频，励磁系统也就不会灭磁,保住了厂用电的运行，调速品质均能达到规范标准要求，确保机组的安全稳定运行。

6 结语

峡阳水电站水轮机调速器改造后，经过现场试验和运行实践证明，采用交流伺服电机式WS T-PLC-100型双可编程微机调速器的控制系统结构合理、技术先进、功能完善，具有可靠性高、调试方便、抗干扰性强等优点，提高了调速系统的速动性和稳定性。

[1]GB/T 9652.2-2007水轮机控制系统试验[S].北京：中国标准出版社，2008.

[2]周泰经.水轮机调速器实用技术[M].北京：中国水利水电出版社,2010.

[3]沈祖诒.水轮机调节[M].北京：中国水利水电出版社,1998.

[4]田树棠.贯流式水轮发电机组实用技术[M].北京：中国水利水电出版社,2010.

T V 734.4

B

1672-5387（2013）01-0059-04

2012-09-17

陈天宇（1962-）,男,高级工程师，从事水电厂生产运行、检修、技术管理工作。