一控N型水轮机调节系统

吕在生，赵 红，张 强，肖 鹏

(武汉四创自动控制技术有限责任公司，湖北 武汉 430070)



一控N型水轮机调节系统

吕在生，赵 红，张 强，肖 鹏

(武汉四创自动控制技术有限责任公司，湖北 武汉 430070)

一控N型调节系统可同时控制多台机组，共同采用1套油压装置和1套PLC，每台机组测频、信号输入、控制输出等回路采用独立测量和控制单元，每台机组测量和控制单元互不干扰。图5幅。

水轮机调速系统；一控N；油压装置；PLC

0 引 言

随着农村增效扩容改造全面实施， 1995年之前建成的农村水电站可得到政府配套改造资金；这些农村水电站装机容量都不大，设备比较陈旧，技术比较落后，自动化程度较低，而且有些电站设计有十几台机组，单机容量几百千瓦，厂房较紧凑。原调速器都是电机带动接力器，无法满足自动化要求，需改造成微机调速器，但微机调速器改造需增加油压装置和控制系统；如果每台机组增加1套微机调速系统，厂房内无法布置。针对该情况，笔者所在公司研制出1种新型调速系统：1台调节系统同时控制几台机组(可选择2台机组共用1套调节系统，也可选择3台机组共用1套调节系统)，可根据现场情况选择控制方式；这样即满足自动化接口要求，又满足厂房布置要求。

1 系统总体结构设计

该型调节系统有多种组合方式，可采用一控二、一控三、一控四等多种控制方式，根据现场情况可选择其中一种组合控制方式，以下结构设计围绕一控三的控制方式进行介绍。

一控三型调节系统主要由电气控制系统、机械液压控制系统、油压装置等几大部分组成，整个结构采用机电合柜形式，即机械液压系统和电气控制系统采用机电合一柜，电气系统柜下布置机械液压系统，整个安装在油压装置上，这三大部分组合成一体(见图1)。

图1 一控三调速系统整体结构示意

1.1 电气结构设计

一控三型调节系统电气控制核心采用可编程控制器，整套可编程控制器采用模块式结构，1套可编程控制器控制3台水轮机组，所有模块均直接安装在标准的总线上。各模块均有自己的微处理器，完成各自特定的功能，CPU模块仅完成逻辑判断与PID运算；3台水轮机组信号采集、控制输出等由各自单独模块完成，各处理器并行工作，速度快，扩展、升级容易。

1.1.1 调节器控制原理

一控三型调节系统采用新型PID控制规律，每台机组控制采用独立的PID控制，3台机组PID控制互不干扰。由于每台机组控制原理相同，下面以单台机组控制原理介绍(见图2)。

图2 调节器控制原理框图

一控三型调节器每台机组都具有频率调节、开度调节和功率调节3种控制模式，根据需要可选择不同的控制模式。这种切换，一是通过操作终端上的触摸键或二次回路接点来完成，二是通过数字通信接口来完成。

采用频率调节模式时，又分为跟踪频给和跟踪网频方式。跟踪网频方式运行时可实现机组频率跟踪电网频率，这样可以保证机组频率与电网频率相一致，便于并网。

当采用功率调节模式时，PI环节按功率偏差进行调节，实现机组有功功率恒定。这种方式运行可以很容易实现全厂AGC(自动发电控制)。

对于功率给定，它一方面作用于PI环节，另一方面通过开环控制直接作用于输出，提高了功率增减速度。功率给定为数字量，适用于监控系统有功给定。

电气开限环节是针对PID运算结果进行限制，限制输出不超过一定值。

通过数字放大器可将PLC输出与接力器反馈采集量进行比较放大后输出，实现对接力器的闭环控制。

1.1.2 调节器结构设计

调节器结构框图如下所示(见图3)：

整个调节器采用四层结构，即采集层、处理层、交换层、输出层，每层之间通过总线进行状态采集和数据交换，该方式结构简单，传输速度快，抗干扰能力强。

(1)采集层。每台机组设计有独立的采集单元，采集层主要完成各机组状态、控制命令和数据采集工作(包含监控系统和其他设备控制命令、机组频率和机组有功等信号)。

(2)处理层相当于3台机组控制大脑，主要完成以下功能：

图3 调节器结构框图

(3)交换层。通过通讯模块完成调节系统与触摸屏和监控系统数据交换，触摸屏进行参数设置和状态数据显示，上送监控系统数据、状态和故障信息，也可接收监控系统有功给定值。

(4)输出层。执行处理层命令，控制机械液压系统电磁阀，使导叶按调节规律要求动作，同时输出层执行故障判断输出。

1.2 机械结构设计

调速器机械液压系统采用数字式机械液压系统，该系统全部由开关电磁阀、叠加式单向阀、叠加式节流阀等标准液压元件构成，体积小、性能高(见图4)。

图4 机械液压原理示意

1.2.1 机械液压系统的工作原理

(1)调节器无控制信号时，开关机电磁阀处于中间位置，切断压力油，接力器两腔油均被闭锁，接力器不动作。

(2)调节器有动作关信号时，开关机电磁阀关侧得电，接力器向关机方向动作。

(3)调节器有动作开信号时，开关机电磁阀开侧得电，接力器向开机方向动作。

(4)调节器有紧急停机信号时，紧机停机电磁阀动作，切断通往开关机电磁阀的压力油，压力油通过防飘移装置和时间调整装置向接力器关腔配压力油，实现紧急停机。

(5)手动运行时，操作人员只需操作电磁阀上的开关按钮，就能方便稳定地增减负荷和手动开停机。

(6)通过时间调整装置可调整导叶开启和关闭时间，满足机组调保计算时间要求。

1.2.2 机械液压系统结构设计

该型调速器将导叶控制单元和紧急停机控制单元都设计成标准模块，可相互叠加，构成一控N型调速器(见图5)。

图5是用于一控三型水轮机调速系统的机械液压系统的布置图，不同数量的机组只需增减机械液压单元数而已，该结构大大节约了安装空间，采用同一标准单元有利于电站备件采购。

图5 叠加式结构示意

这种叠加方式采取的是垂直叠加，也可以水平叠加，压力表也可装在其他位置。

1.3 油压装置

油压装置由压力油罐、回油箱、油泵、油泵附件和自动化元器件等组成。其基本技术要求符合GB/T 9562.1—2007、GB150的相关规定并满足电站安全运行的需要，该油压装置满足3台机同时运行各种工况要求，并配有相应自动化元器件，满足机组自动化控制要求。

油压装置上配有安全阀和溢流阀，保证压力油罐安全，并配有油位和油压监测装置，油压和油位信号通过开关量和模拟量上送给监控系统。

2 系统主要特点

(1)整套电气系统采用全数字式结构，所有信号采集采用总线传输，输出采用开关量控制，整个系统结构简单，抗干扰能力强。

(2)3台机组具有独立的采集、输出控制单元，具有一控一型调节器所有功能，操作维护极其方便。

(3)每台机组具有独立控制程序，执行各自程序，互不干扰，控制灵活方便，可靠性极高。

(4)机械液压系统取消了常规调速器的电液转换器、引导阀、辅助接力器、主配压阀及所有杆件等中间结构，环节少、可靠性高；并直接控制接力器，速动性好、灵敏度高、死区小。

(5)机械液压系统采用开关电磁阀、叠加式单向阀、叠加式节流阀的通径大，抗油污好、无机械元件发卡、对油质要求低。

(6)机械液压系统设有防漂移装置，整个液压系统无油耗、接力器无飘移。

(7)无机械零位安装，调试便捷、免维护。

(8)机械液压系统采用集成式结构，体积小。

(9)3台机组共采用1套PLC控制、1套集成液压系统和1套油压装置，节省了整个调节系统改造成本，减少了投资成本，同时解决了厂房空间不足的问题。

3 结 语

一控N型调节系统在增效扩容改造中成功投运了多座电站，各项性能指标优于国标要求，满足了电站自动化改造要求，大大节约了电站业主设备投资，并得到电站业主一致好评。

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责任编辑 吴 昊

2015-07-01

吕在生(1981-)，男，主要从事水轮机微机调速器的开发和设计工作。 E_mail：technical@strongn.com