唐宏亮

摘 要：根據(jù)保流機(jī)組現(xiàn)場存在的問題，通過改造工程集中解決調(diào)速器的穩(wěn)定問題。該文首先從電氣與機(jī)械結(jié)構(gòu)、調(diào)速系統(tǒng)工作原理入手了解YWT-1000/16型微機(jī)調(diào)速器，進(jìn)而逐步研究其性能及穩(wěn)定性。隨后深入分析該調(diào)速器的開停機(jī)規(guī)律及其調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)，依據(jù)九點(diǎn)控制原理優(yōu)化調(diào)節(jié)品質(zhì)，并通過開機(jī)曲線技術(shù)使得機(jī)組空載無須考慮水頭問題。

關(guān)鍵詞：調(diào)速器；調(diào)節(jié)系統(tǒng)；開機(jī)規(guī)律

中圖分類號：TK414.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

調(diào)速器被稱為水電機(jī)組的心臟，由于調(diào)速器是調(diào)節(jié)頻率的裝置，優(yōu)秀的調(diào)節(jié)品質(zhì)決定了生產(chǎn)的電能的質(zhì)量。該文中提到的保流機(jī)組位于黑龍江省牡丹江干流上，保流機(jī)組于1996年投產(chǎn)發(fā)電，目前調(diào)速系統(tǒng)陳舊老化嚴(yán)重，性能指標(biāo)已達(dá)不到原設(shè)計(jì)要求，有些設(shè)備存在安全隱患，機(jī)械和電氣故障頻發(fā)。由于原調(diào)速器電液系統(tǒng)老化，導(dǎo)致調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)品質(zhì)明顯下降。在2017年6月份蓮花電廠1#、2#保流機(jī)組增效擴(kuò)容改造工程中，對2臺保流機(jī)調(diào)速器進(jìn)行全面的調(diào)試和分析。由于現(xiàn)在電網(wǎng)對發(fā)電機(jī)組的可靠性和穩(wěn)定性要求越來越高，原調(diào)速器的主要缺陷急需解決，主要包括滑閥系統(tǒng)對油質(zhì)要求高，油混水現(xiàn)象導(dǎo)致隨動系統(tǒng)故障，嚴(yán)重則導(dǎo)致機(jī)組過速。開機(jī)規(guī)律采用開環(huán)控制，由于水頭不同導(dǎo)致開機(jī)過程不平穩(wěn)、并網(wǎng)時(shí)間較長。共用大廠高、低壓氣系統(tǒng)，氣系統(tǒng)管路冗長煩瑣導(dǎo)致維護(hù)困難，且不美觀。

1 YWT-1000/16型微機(jī)調(diào)速器的結(jié)構(gòu)與配置

調(diào)速器系統(tǒng)由電氣和機(jī)械2個(gè)部分組成，電氣系統(tǒng)配置包括三菱FX3U系列PLC，電液轉(zhuǎn)換器采用數(shù)字閥，電氣反饋為直線位移傳感器，硬件配置包括電源系統(tǒng)、供繼電器、電磁閥及人機(jī)界面、測頻裝置、導(dǎo)葉反饋。機(jī)械液壓系統(tǒng)主要包括數(shù)字式電磁換向閥、緊急停機(jī)電磁閥、節(jié)流閥、減壓電磁閥、制動電磁閥、壓力管路過濾器、主接力器、導(dǎo)葉接力器反饋裝置。油壓裝置為組合式，如圖1所示。油壓等級為高油壓，包括回油箱、高壓齒輪油泵、氣囊式儲能器、溢流閥等組成，接力器為外置形式。

2 調(diào)速系統(tǒng)工作原理

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)本質(zhì)非線性、參數(shù)時(shí)變的非最小相位系統(tǒng)，其控制性能、指標(biāo)與穩(wěn)定性是關(guān)鍵問題。由于水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變且存在隨機(jī)擾動而又相對快速的控制系統(tǒng)，采用PID控制規(guī)律。結(jié)構(gòu)上采用“積木”式模塊結(jié)構(gòu)，具有限時(shí)多任務(wù)功能，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度及可靠性。如圖2所示，導(dǎo)葉反饋裝置將導(dǎo)葉位置電信號傳送給A/D模塊轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，獲取導(dǎo)葉位置信號及有功信號。由開關(guān)量輸入模塊采集二次的開機(jī)、停機(jī)、功率增加、功率減少等命令。CPU按調(diào)節(jié)規(guī)律分析計(jì)算出相應(yīng)的導(dǎo)葉控制信號及狀態(tài)信號（包括故障），送入輸出模塊完成控制輸出和狀態(tài)輸出。通信單元負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，發(fā)送或接受上位機(jī)的命令。

3 YWT-1000/16型調(diào)速器性能調(diào)試及穩(wěn)定性分析

3.1 調(diào)速器抗擾動能力測試

測試設(shè)備斷線擾動和導(dǎo)葉變化值；在空載工況下人為斷開機(jī)頻，觀察故障報(bào)警和接力器變化情況。導(dǎo)葉接力器保持空載開度不變，若在開機(jī)過程中斷機(jī)頻，導(dǎo)葉接力器應(yīng)關(guān)至安全空載開度；在負(fù)載工況下，斷開機(jī)頻、網(wǎng)頻，檢查測頻故障燈是否亮，并觀察接力器行程變化情況。導(dǎo)葉接力器行程應(yīng)不變；斷開導(dǎo)葉接力器反饋、記錄接力器行程變化情況，導(dǎo)葉接力器行程應(yīng)不變。試驗(yàn)參數(shù)：機(jī)頻：Fj=50.00 Hz，網(wǎng)頻：Fw=50.00 Hz，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)：bp=0，暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)：bt=60，緩沖時(shí)間常數(shù)：Td=12，微分時(shí)間常數(shù)：Tn=0.2。

試驗(yàn)結(jié)論：見表1，調(diào)速器對各種擾動的處理過程表現(xiàn)良好，符合要求。

3.2 調(diào)速器穩(wěn)定性測試

機(jī)組沖水后，將柜體面板上的導(dǎo)葉切換把手切至“手動”，此時(shí)觸摸屏監(jiān)視畫面顯示“導(dǎo)葉手動”，PLC開始跟蹤導(dǎo)葉開度；將導(dǎo)葉開至安全空載開度的1.3～1.5倍開度，機(jī)組轉(zhuǎn)動，機(jī)頻上升至40 Hz左右將導(dǎo)葉關(guān)回至安全空載開度，然后，微調(diào)導(dǎo)葉開度，使機(jī)組頻率逐漸穩(wěn)定在50 Hz，完成開機(jī)過程。頻率穩(wěn)定后，檢測機(jī)組3 min內(nèi)的頻率擺動。手動停機(jī)：將導(dǎo)葉開度關(guān)至0 %，機(jī)頻逐漸將至0 Hz，停機(jī)完成。

Fmin=49.85 Hz

Fmax=49.96 Hz

（Fmin-50）/50=-0.30 %

（Fmax-50）/50=-0.08 %

-0.30%≤△f≤-0.08 %

（Fmin：最小頻率，F(xiàn)max：最小頻率，△f：頻差）

3.3 調(diào)速器在空載運(yùn)行情況下的頻率擺動值

永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp、暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt、緩沖時(shí)間常數(shù)Td、微分時(shí)間常數(shù)Tn、置空載運(yùn)行參數(shù)，頻給=50 Hz，機(jī)組在自動空載工況下運(yùn)行。在機(jī)組處于自動空載工況時(shí)，測量機(jī)頻在3 min內(nèi)的頻率擺動，即最高頻率和最低頻率，機(jī)頻擺動對于大型機(jī)組應(yīng)不超過±0.15 %，對于中小型機(jī)組應(yīng)不超過±0.25 %，如果頻率擺動超出范圍，可調(diào)節(jié)PID優(yōu)化參數(shù)比例增益Kp、微分增益KI、積分增益Kd

Bp=0，BT=60，TD=12，TN=0.2，E=0，Kp=1.2，Ki=1.3，Kd=1.0，F(xiàn)max=50.05 Hz Fmin=49.94 Hz

（Fmin-50）/50=-0.10 %≤△f≤（Fmax-50）/50=0.15 %

4 新老調(diào)速器的開機(jī)、停機(jī)規(guī)律分析

4.1 YWT-1000/16型調(diào)速器開機(jī)規(guī)律

4.1.1 基本開機(jī)特性：模型參考閉環(huán)開機(jī)規(guī)律

在開機(jī)過程中，調(diào)速器始終處于閉環(huán)控制。其頻率給定值由參考模型給定，它是一條機(jī)組轉(zhuǎn)速上升的理想過程線，實(shí)際的機(jī)組轉(zhuǎn)速跟蹤這一期望特性逐步升高；與開環(huán)開機(jī)規(guī)律相比，此種開機(jī)規(guī)律啟動快速，又不會過速。此開機(jī)規(guī)律無須設(shè)置開機(jī)頂點(diǎn)，任何有效水頭都可快速開機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，fe：額定頻率，f：開機(jī)頻率，Y：導(dǎo)葉開度，t：開機(jī)時(shí)間。如圖3所示。

4.1.2 模型參考閉環(huán)開機(jī)與開環(huán)開機(jī)規(guī)律的比較

開環(huán)開機(jī)規(guī)律實(shí)質(zhì)上是對機(jī)組頻率進(jìn)行開環(huán)控制，因此需要具有空載開度的資料，而該資料往往不夠精確，這也使得開機(jī)規(guī)律不夠理想。開環(huán)開機(jī)規(guī)律的開機(jī)頂點(diǎn)難以確定，其受控于水頭變化，需要知道不同水頭下的空載開度。模型參考閉環(huán)開機(jī)規(guī)律有效地克服了上述開環(huán)開機(jī)的不足。在模型參考閉環(huán)開機(jī)規(guī)律中，機(jī)組轉(zhuǎn)速始終處于控制之下，按期望的轉(zhuǎn)速上升，接力器行程只是一個(gè)受轉(zhuǎn)速控制的被動因素；在開環(huán)開機(jī)規(guī)律中，接力器行程是一個(gè)主動因素，因此存在一些不定因素。

4.2 YWT-1000/16型調(diào)速器停機(jī)規(guī)律

（1）接到停機(jī)指令后，導(dǎo)葉即由此時(shí)的開度，以第一停機(jī)速度將導(dǎo)葉關(guān)閉。

（2）導(dǎo)葉關(guān)閉至20 %（可以調(diào)整）開度時(shí)，即以第二停機(jī)速度將導(dǎo)葉關(guān)閉至全關(guān)位置，如圖4所示Y：導(dǎo)葉開度，t：時(shí)間，a點(diǎn)空載，b點(diǎn)關(guān)20 %，c點(diǎn)停機(jī)。

5 YWT系列調(diào)速器的調(diào)節(jié)與控制

數(shù)字閥的優(yōu)點(diǎn)是對油液的污染不敏感，工作可靠。主接力器在電磁閥控制下往返運(yùn)動，帶動導(dǎo)葉開關(guān)。導(dǎo)葉接力器反饋裝置對應(yīng)的輸出為直流0 V～10 V。該調(diào)速器采用了一種新型PID控制器——九點(diǎn)控制器（基本型邏輯控制器），根據(jù)偏差與偏差變化率實(shí)際運(yùn)行狀況抽象成9個(gè)工況點(diǎn)（增強(qiáng)、稍加、弱加、微加、保持、微減、弱減、稍減、強(qiáng)減9種工況），從而給出相應(yīng)的控制策略并進(jìn)行有效控制。由于控制作用取決于被控對象的工況，因此相對被控對象具有適應(yīng)性。

該型調(diào)速器具有頻率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)3種控制模式。采用頻率調(diào)節(jié)模式時(shí)，分為跟蹤頻給和跟蹤網(wǎng)頻的方式。跟蹤網(wǎng)頻方式運(yùn)行時(shí)可實(shí)現(xiàn)機(jī)組頻率跟蹤電網(wǎng)頻率，保證機(jī)組頻率與電網(wǎng)頻率一致，便于并網(wǎng)。

6 結(jié)語

通過對YWT-1000/16型水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器進(jìn)行抗擾動能力、穩(wěn)定性和控制能力的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。經(jīng)過實(shí)踐和對比，新型調(diào)速器性能指標(biāo)表現(xiàn)良好。我廠保流機(jī)組位于地下廠房，工作環(huán)境潮濕，調(diào)速器油質(zhì)無法得到保證這一問題，采用數(shù)字閥可以解決這一問題。避免了由于油質(zhì)乳化導(dǎo)致隨動系統(tǒng)故障，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組過速。采用模型參考閉環(huán)開機(jī)規(guī)律使開機(jī)規(guī)律更合理，與我廠其他型號調(diào)速器不同，無須設(shè)置開機(jī)頂點(diǎn)即開機(jī)開度，因此新型調(diào)速器不受水頭變化的制約。因此YWT-1000/16型水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器完全滿足現(xiàn)在水電站調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求，可以穩(wěn)定、可靠、長期保證機(jī)組安全運(yùn)行。

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