潘熙和，黃業(yè)華，聶 偉，方斌臣，嚴(yán)國強(qiáng)，程遠(yuǎn)楚

(1.長江科學(xué)院 長江控制設(shè)備研究所，武漢 430010； 2.武漢大學(xué) 動力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072)

1 研究背景

水電機(jī)組控制設(shè)備包括以水輪機(jī)為控制對象的調(diào)節(jié)機(jī)組頻率與有功功率的水輪機(jī)調(diào)速器、以同步電機(jī)為控制對象的調(diào)節(jié)機(jī)組機(jī)端電壓與無功功率的同步電機(jī)勵磁裝置以及包含在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的現(xiàn)地控制單元等。

近十多年來，我國水電機(jī)組控制設(shè)備的技術(shù)與制造水平取得了長足的進(jìn)步，長江科學(xué)院的機(jī)電專業(yè)，重點(diǎn)研究水電機(jī)組的2個(gè)主要控制設(shè)備——水輪機(jī)調(diào)速器和同步電機(jī)勵磁的調(diào)節(jié)與控制技術(shù)。作為國家級東湖高新技術(shù)企業(yè),武漢長江控制設(shè)備研究所有限公司(簡稱長控公司)將其技術(shù)產(chǎn)品化與產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷并技術(shù)服務(wù)于全國25個(gè)省市和海外10多個(gè)國家。近十年是長控公司在推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和為長江經(jīng)濟(jì)帶、一帶一路建設(shè)提供基礎(chǔ)設(shè)備等方面做出突出貢獻(xiàn)的10年。

2 水輪機(jī)調(diào)速器的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

在水輪機(jī)調(diào)速器行業(yè)中，運(yùn)用微計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)和現(xiàn)代液壓技術(shù)的新成果，融入信息化技術(shù)，并吸納其他工業(yè)領(lǐng)域先進(jìn)的技術(shù)成就，借鑒其成熟的技術(shù)成果，逐步地將它們移植到水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)中來[1]。當(dāng)前中國的調(diào)速器行業(yè)技術(shù)水平在世界已處于前列[2]。下面將水輪機(jī)調(diào)速器的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展分5個(gè)方面進(jìn)行闡述。

2.1 水輪機(jī)調(diào)節(jié)與控制理論研究

在水輪機(jī)調(diào)速器行業(yè)，PID控制是水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)比較常見和理想的一種控制方式，絕大部分微機(jī)類、智能型調(diào)速器都在采用。研究人員根據(jù)控制對象——水輪機(jī)機(jī)型(如混流式機(jī)組、貫流式機(jī)組、沖擊式機(jī)組等)的不同，工況(如空載、大網(wǎng)帶負(fù)荷、小網(wǎng)運(yùn)行、甩負(fù)荷、遠(yuǎn)方跳油開關(guān)等)的差別，采用變參數(shù)、變結(jié)構(gòu)的PID控制策略，以改善水輪機(jī)的靜態(tài)與動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)[3]。

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)具有時(shí)變與不確定特性的非線性系統(tǒng)，傳遞函數(shù)中的參數(shù)等會隨機(jī)組運(yùn)行工況的變化而變化，例如發(fā)電機(jī)負(fù)荷自調(diào)整系數(shù)。由于調(diào)速器內(nèi)部的電液傳動機(jī)構(gòu)存在間隙與死區(qū)等情況，采用尋優(yōu)法確定的比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI、微分系數(shù)KD，水輪機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)品質(zhì)和調(diào)節(jié)效果一般難以令人滿意。研究人員將整個(gè)運(yùn)行工況劃分為若干子區(qū)域，對每個(gè)子區(qū)域確定一組最佳調(diào)節(jié)參數(shù)并保存。運(yùn)行時(shí)先判斷工況點(diǎn)所處的子區(qū)域，然后調(diào)用該子區(qū)域的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速器的參數(shù)隨運(yùn)行工況變化而變化，保證系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性[4]。所以，對于比例積分微分(PID)控制的參數(shù)選擇，在系統(tǒng)傳遞函數(shù)確定時(shí)，可以采用參數(shù)空間尋優(yōu)法和正交法相結(jié)合的方式來整定參數(shù)KP、KI、KD。

結(jié)合相關(guān)工程實(shí)踐，變參數(shù)PID調(diào)節(jié)模式主要表現(xiàn)如下。

2.1.1 孤網(wǎng)控制研究與其前饋控制

水輪機(jī)調(diào)速器中一般設(shè)置有3套PID參數(shù)：并網(wǎng)參數(shù)、孤網(wǎng)參數(shù)、空載參數(shù)。調(diào)節(jié)器中帶有并網(wǎng)(大網(wǎng))與孤網(wǎng)參數(shù)切換邏輯，當(dāng)調(diào)節(jié)器檢測到電網(wǎng)頻率偏離50 Hz大于某一數(shù)值 (如0.5 Hz)或頻率變化率過大(微分項(xiàng)感知)，可認(rèn)為局部電網(wǎng)解列處于孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，自動切換至孤網(wǎng)PID參數(shù)進(jìn)行控制。

對于電網(wǎng)，過大的沖擊負(fù)荷會造成較大的頻率波動。針對電站的具體情況，采用“預(yù)估控制”的策略可以控制過大的頻率波動，加快調(diào)節(jié)過程[5]。

預(yù)估控制是測量電網(wǎng)頻率偏離50 Hz的頻率變化量和變化速度，據(jù)此預(yù)估沖擊負(fù)荷量的大小，并送出增加或減少負(fù)荷的指令，該指令通過前饋控制很快能使系統(tǒng)負(fù)荷達(dá)到平衡。根據(jù)過去大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 25%負(fù)荷擾動造成孤網(wǎng)或單機(jī)系統(tǒng)頻率波動為3～5 Hz，采用預(yù)估控制波動可減少1/5，能承受50%的沖擊負(fù)荷，頻率波動<8 Hz，并能保證系統(tǒng)不會解列。

2.1.2 過渡過程的變積分控制

水輪機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定后，PID之和與調(diào)節(jié)目標(biāo)值同步。由于積分時(shí)間常數(shù)會影響整個(gè)系統(tǒng)的速動性，故調(diào)節(jié)過渡過程偏長。調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組的過渡過程，在出現(xiàn)大幅波動時(shí)，直接變化積分項(xiàng)，如采用上次穩(wěn)定態(tài)下的積分項(xiàng)，會加快系統(tǒng)穩(wěn)定[6]。湖北省電力試驗(yàn)研究院在丹江口水電站的試驗(yàn)錄波圖(見圖1)能說明此變積分控制的功效。

圖1 混流式機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)波形Fig.1 Waveform of shedding load test for francisturbine unit

2.1.3 雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的模糊控制

對于雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的隨動控制，研究人員采用模糊的隨動控制閉環(huán)，以期達(dá)到隨動系統(tǒng)的精確控制與系統(tǒng)穩(wěn)定油耗的平衡，具體來說，是通過采用槳葉積分累加的控制方式[7]實(shí)現(xiàn)。在正常的調(diào)節(jié)過程中，槳葉機(jī)械隨動系統(tǒng)在小偏差時(shí)，若隨動系統(tǒng)密封性差(槳葉受油器存在漏油)，槳葉主配動作油壓會被受油器消耗掉，造成油耗量大，油壓裝置打油頻繁。槳葉在小偏差時(shí)，可設(shè)置為不調(diào)節(jié)，采用積分累加，當(dāng)小偏差維持一定時(shí)間后，會累加產(chǎn)生較大偏差，此時(shí)，調(diào)節(jié)槳葉隨動系統(tǒng)，使之達(dá)到開度平衡。當(dāng)槳葉隨動系統(tǒng)穩(wěn)定后，可以將放大環(huán)參數(shù)弱化，減小調(diào)節(jié)量。這樣，既能維持隨動系統(tǒng)穩(wěn)定，又能弱化調(diào)節(jié)量，減小油壓系統(tǒng)油耗。

2.2 特種機(jī)型和產(chǎn)品的研究與行業(yè)貢獻(xiàn)

長控公司對特低水頭機(jī)組和特高水頭機(jī)組有專門的探索與研究，除2.1節(jié)中闡述的控制調(diào)節(jié)理論研究外，下面是貫流式機(jī)組和多噴嘴沖擊式機(jī)組的其他研究成果。

2.2.1 貫流式機(jī)組

燈泡貫流式機(jī)組由于水頭低，流量大，轉(zhuǎn)動慣量小，導(dǎo)葉、槳葉開關(guān)速度不同，帶來正、負(fù)調(diào)整超調(diào)量的不對稱及超調(diào)和滯后等問題，在甩負(fù)荷過程中機(jī)組穩(wěn)定性較差。在貫流式機(jī)組的工程實(shí)踐中，進(jìn)行了甩負(fù)荷低頻和系統(tǒng)油耗等研究，例如考慮貫流式機(jī)組的特殊性，研究人員采用個(gè)性化的調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)貫流式機(jī)組甩負(fù)荷的過渡過程控制[8]。甩負(fù)荷過程采用3段調(diào)節(jié)模式：甩負(fù)荷時(shí)，前期采用常規(guī)PID控制的快關(guān)模式；一旦達(dá)到頻率最高點(diǎn)，立即采用非PID控制的慢關(guān)模式，比例項(xiàng)與微分項(xiàng)不參與調(diào)節(jié)，此時(shí)由于輪葉關(guān)閉，破壞效率嚴(yán)重，機(jī)組轉(zhuǎn)速也會迅速下降；當(dāng)頻率接近目標(biāo)后，采用變PID調(diào)節(jié)模式，迅速調(diào)節(jié)頻率，使機(jī)組快速穩(wěn)定。調(diào)節(jié)過程如圖2所示,圖中導(dǎo)葉及槳葉開度為100%。

圖2 貫流式機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)波形Fig.2 Waveform of shedding load test for bulbtubular unit

另外，對貫流式機(jī)組的一次調(diào)頻采用增強(qiáng)型一次調(diào)頻，如圖3所示,圖中bp為永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)，即調(diào)差率。

圖3 增強(qiáng)型一次調(diào)頻原理框圖Fig.3 Block diagram of enhanced primary frequencymodulation

增強(qiáng)型一次調(diào)頻處理辦法為：當(dāng)偏差超過設(shè)定的“一次調(diào)頻頻率死區(qū)”后，頻差不減去頻率死區(qū)，而是直接進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。此時(shí)要處理好頻率回復(fù)的時(shí)間差，防止功率出現(xiàn)震蕩[9]。增強(qiáng)型一次調(diào)頻頻差計(jì)算方法是針對電廠采用開度調(diào)節(jié)模式時(shí)由于開度與功率的非線性關(guān)系導(dǎo)致的一次調(diào)頻功率積分電量不夠而進(jìn)行的改進(jìn)。

增強(qiáng)型算法與普通型算法相比，增大了一次調(diào)頻動作后調(diào)節(jié)變化的幅度，也即增加了一次調(diào)頻動作期間有功功率的變化量。

2.2.2 多噴嘴沖擊式機(jī)組

空載啟動：選取設(shè)定的噴針作為主噴嘴，將其對應(yīng)的折向器打開，然后將主噴嘴開啟，調(diào)速器跟蹤頻率給定或系統(tǒng)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

并網(wǎng)運(yùn)行：調(diào)速器根據(jù)系統(tǒng)給定負(fù)荷的變化，自動改變投入工作的噴嘴數(shù)，確保機(jī)組高效運(yùn)行。

孤網(wǎng)處理：沖擊式機(jī)組由于噴嘴開關(guān)時(shí)間長，調(diào)整負(fù)荷較慢，僅依靠噴針很難穩(wěn)定小網(wǎng)突變負(fù)荷。采取將調(diào)速器的每個(gè)折向器關(guān)閉的頻率設(shè)置為不同的頻率值，根據(jù)負(fù)荷變化的要求，依次切除，以實(shí)現(xiàn)突然甩部分負(fù)荷的工況，滿足現(xiàn)場孤網(wǎng)負(fù)荷運(yùn)行的要求[10]。

為避免折向器擋水運(yùn)行而引起機(jī)組的事故，折向器與噴針通常同步聯(lián)動，一般采取采集折向器全開、全關(guān)的位置或折向器的開度來判斷。

2.2.3 行業(yè)貢獻(xiàn)與影響

長控公司的幾個(gè)特色產(chǎn)品，在行業(yè)中處于領(lǐng)先水平：作為高油壓調(diào)速器的發(fā)明單位，引領(lǐng)機(jī)組控制設(shè)備行業(yè)高油壓調(diào)速器技術(shù)的發(fā)展。在行業(yè)中牽頭編寫了標(biāo)準(zhǔn)《小水電機(jī)組高油壓調(diào)速器基本技術(shù)條件》(NB/T 42095—2016)；貫流式機(jī)組水輪機(jī)調(diào)速器系列產(chǎn)品，幾度通過省部級鑒定，長江科學(xué)院市場占有率穩(wěn)居全國第一，在四川岷江犍為、湖北漢江孤山、新集、雅口、江西贛江新干、石虎塘等航電樞紐工程的應(yīng)用為打造長江經(jīng)濟(jì)帶黃金水道，奉獻(xiàn)清潔能源作出了重要貢獻(xiàn)；沖擊式調(diào)速器的國產(chǎn)化產(chǎn)品，機(jī)組容量最大(單機(jī)13萬kW)的是長江科學(xué)院2018年投運(yùn)于四川達(dá)阿果水電站的兩臺套設(shè)備；軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組單機(jī)容量世界之最(單機(jī)23萬kW)的福建水口電站為長江科學(xué)院2020年提供的7臺套設(shè)備。

在“十三五”與“十四五”期間，長江科學(xué)院的機(jī)電專業(yè)先后有數(shù)個(gè)科研成果榮獲湖北省及長江委科技進(jìn)步獎，水輪機(jī)調(diào)速器行業(yè)的科研獎項(xiàng)，在全行業(yè)中遙遙領(lǐng)先。另外，在能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，牽頭編寫了標(biāo)準(zhǔn)《水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)條件》(NB/T 10819—2021)與《水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行及檢修規(guī)程》(NB/T 10820—2021)。長控公司目前水輪機(jī)調(diào)速器國內(nèi)外投運(yùn)2 000余臺套，勵磁產(chǎn)品國內(nèi)外投運(yùn)近500臺套。作為水輪機(jī)調(diào)速與同步電機(jī)勵磁設(shè)備的生產(chǎn)制造商，長控公司2020年出版了專著《水電機(jī)組調(diào)速與同步電機(jī)勵磁》，它是對長控公司近10多年來調(diào)速與勵磁科研、技術(shù)與產(chǎn)品的總結(jié)，是行業(yè)內(nèi)制造廠自行編寫出版的唯一的設(shè)備專著。希望它對業(yè)內(nèi)同仁的科研、設(shè)計(jì)、調(diào)試、試驗(yàn)驗(yàn)收、選型等起到一定的指導(dǎo)作用。

2.3 電液轉(zhuǎn)換元件

電液轉(zhuǎn)換元件在水輪機(jī)調(diào)速器中包括電機(jī)轉(zhuǎn)換器和電液轉(zhuǎn)換器兩種，它們由電位移轉(zhuǎn)換器和液壓放大(或機(jī)械傳動)兩部分組成。

電機(jī)轉(zhuǎn)換器是21世紀(jì)初比較流行的產(chǎn)品，長控公司是行業(yè)內(nèi)唯一3種控制電機(jī)(直流電機(jī)、交流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī))均有成功應(yīng)用的企業(yè)。在當(dāng)時(shí)，控制電機(jī)為調(diào)速器行業(yè)的發(fā)展作出了一定的貢獻(xiàn)[12]。

隨著液壓系統(tǒng)油環(huán)境的改善和抗油污問題的逐步解決，以電液比例閥、比例伺服閥和高速開關(guān)數(shù)字閥等標(biāo)準(zhǔn)液壓閥為主要代表的電液轉(zhuǎn)換器在行業(yè)內(nèi)得到成功應(yīng)用，并引領(lǐng)著調(diào)速器行業(yè)電液轉(zhuǎn)換元件的發(fā)展(例如，國外就沒有采用過電機(jī)轉(zhuǎn)換器)[13]，標(biāo)準(zhǔn)液壓閥代表著電液轉(zhuǎn)換的發(fā)展方向。

2.4 主配壓閥

2.4.1 滑閥式主配壓閥

目前水輪機(jī)調(diào)節(jié)行業(yè)中使用的主流主配壓閥是一種起著控制液流方向和大小的滑閥，主配壓閥的前置放大級根據(jù)電液轉(zhuǎn)換元件不同的輸出方式分為兩類：一類是當(dāng)電液轉(zhuǎn)換元件采用機(jī)械位移輸出形式時(shí)，前置放大級的輸入信號是機(jī)械位移，稱之為位移輸入型主配壓閥；另一類是當(dāng)電液轉(zhuǎn)換元件采用具有一定壓力的流量輸出形式時(shí)，前置放大級為流量，稱之為流量輸入型主配壓閥。

長控公司自主研制的流量內(nèi)反饋型主配壓閥是一種流量輸入型主配壓閥，其突出特點(diǎn)是：當(dāng)電液轉(zhuǎn)換元件的控制流量為0或電液轉(zhuǎn)換元件的控制電源消失時(shí)，主配壓閥在流量內(nèi)反饋的作用下具有自動回復(fù)到中位(自復(fù)中)的功能。無需外置電氣反饋或液壓復(fù)中等輔助裝置，易于與各類流量輸出型電液比例控制元件實(shí)現(xiàn)比例控制，中國水利水電科學(xué)研究院專家對該產(chǎn)品的科技成果鑒定結(jié)論是“實(shí)現(xiàn)了流量輸入和流量負(fù)反饋控制方式，保障了在反饋斷線及其他故障時(shí)主配壓閥能自動復(fù)中回到中間位置，具有創(chuàng)新性”。

在素有“貫流式機(jī)組三峽工程”之稱的廣西長洲水利樞紐電站，15臺機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)于電站建設(shè)之初選擇了8臺長控公司流量內(nèi)反饋主配壓閥和7臺國外進(jìn)口主配壓閥進(jìn)行同臺比拼。經(jīng)過了10 a運(yùn)行考驗(yàn)，長洲電站于2017年啟動了對7臺進(jìn)口主配壓閥調(diào)速器的技改項(xiàng)目，放棄了原來的進(jìn)口主配壓閥方案。長控公司的國產(chǎn)主配壓閥性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，檢修維護(hù)方便，更適合中國的國情，得到了用戶充分認(rèn)可，一直使用至今。

2.4.2 插裝閥式主配壓閥

隨著水輪機(jī)控制系統(tǒng)工作油壓不斷往高壓化發(fā)展的趨勢，常規(guī)工作油壓(工作油壓≤6.3 MPa)的主配壓閥已不能滿足使用需求，在現(xiàn)有水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)的基礎(chǔ)上衍生出了一種以多個(gè)插裝閥組合為主要結(jié)構(gòu)的主配壓閥，長控公司新近開發(fā)的插裝閥式主配壓閥中，先導(dǎo)控制閥采用了壓力-流量的正、負(fù)反饋相互作用的工作方式，可僅用一套先導(dǎo)閥實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)大小波動的控制。原理簡潔，可靠性高，具有獨(dú)創(chuàng)性。

相較滑閥式主配壓閥而言，插裝閥式主配壓閥不需要依賴接力器對活塞的中位進(jìn)行校準(zhǔn)，能有效減少因接力器內(nèi)部竄油引起的壓力油消耗，從而延長油壓裝置油泵間隔啟動時(shí)間。因此，近年來插裝閥式主配壓閥常被應(yīng)用于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的控制。

2.5 油源系統(tǒng)

自1994年長控公司研制出國內(nèi)第一臺高油壓調(diào)速器起，高油壓調(diào)速器因結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、具有優(yōu)良的速動性和穩(wěn)定性，以及液壓件標(biāo)準(zhǔn)化、國際化程度高，在水輪機(jī)調(diào)節(jié)行業(yè)中得到了快速推廣和廣泛應(yīng)用。目前，高油壓調(diào)速器也從最初的小型化發(fā)展到大型化的需求，與此同時(shí)也要求調(diào)速器的油源系統(tǒng)具備高壓化、大型化的條件。

長控公司作為國內(nèi)首臺高油壓調(diào)速器的研制單位，將其擴(kuò)展至了雙調(diào)節(jié)機(jī)組控制領(lǐng)域，并首次將活塞式蓄能器應(yīng)用到了高油壓水輪機(jī)調(diào)速器的油源系統(tǒng)中。

活塞式蓄能器類儲能容器是由活塞式蓄能器與多個(gè)氣瓶組合，以管路和閥門與活塞式蓄能器和氣瓶聯(lián)通組成的。這類儲能容器的特點(diǎn)是：油腔和氣腔通過活塞隔離，可監(jiān)測活塞的實(shí)時(shí)位置；可根據(jù)油源系統(tǒng)的需求配置活塞蓄能器的數(shù)量，且可增加氣瓶與活塞式蓄能器的氣腔連接來擴(kuò)展整體容積；價(jià)格相對昂貴?；钊叫钅芷骺蓪?shí)時(shí)監(jiān)視工作狀態(tài)，并且能輸出活塞位置和行程信號，從系統(tǒng)安全的角度來說，它比囊式蓄能器更加適用于作為應(yīng)急保護(hù)裝置的儲能容器。

長控公司作為國內(nèi)第一家承接高油壓活塞式蓄能器調(diào)速系統(tǒng)制造的專業(yè)廠家，在活塞式蓄能器的應(yīng)用方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，完成了諸如老撾TH3電站、NG電站、印尼POSO2電站改造及擴(kuò)建工程等項(xiàng)目的供貨，調(diào)速系統(tǒng)操作功最大達(dá)到81 000 kg·m，水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量最大達(dá)到220 MW。

3 同步電機(jī)勵磁的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

隨著長江三峽水利樞紐工程建設(shè)的完成，我國一大批巨型水輪發(fā)電機(jī)及其附屬設(shè)備從引進(jìn)、消化、吸收到再創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了巨型水輪發(fā)電機(jī)及其附屬設(shè)備的國產(chǎn)化，并形成和提高了大型晶閘管自并勵勵磁系統(tǒng)諸多關(guān)鍵技術(shù)。先進(jìn)的勵磁設(shè)計(jì)理念和關(guān)鍵技術(shù)表現(xiàn)在11個(gè)方面：高性能微處理器調(diào)節(jié)器的應(yīng)用、光纖網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子ω計(jì)算方法、限制器的配置和配合原則、監(jiān)測和保護(hù)功能可靠性技術(shù)、晶閘管選型和結(jié)溫計(jì)算技術(shù)、大型熱管整流柜的應(yīng)用技術(shù)、整流柜過電壓抑制和吸收技術(shù)、磁場斷路器和滅磁電阻技術(shù)、交直流雙冗余滅磁技術(shù)、晶閘管脈沖與起勵技術(shù)。國電南瑞和廣州擎天是其兩大代表研究與制造商。長江科學(xué)院的機(jī)電專業(yè)，于2000年后才真正開始同步電機(jī)勵磁方面的研究，起步較晚，涉獵中小型機(jī)組的勵磁開發(fā)，主要是與主機(jī)配套，特別是同調(diào)速器一起配套供貨。長控公司近10來年的勵磁技術(shù)研究與發(fā)展情況如下。

3.1 PCC勵磁調(diào)節(jié)器

長控公司自主開發(fā)勵磁產(chǎn)品是從PCC勵磁開始。采用PCC作為同步電機(jī)勵磁裝置的控制器，具有開發(fā)周期短、可靠性高、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。PCC勵磁成功研發(fā)后立即投放到市場，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。PCC勵磁調(diào)節(jié)器由貝加萊的X20系列控制器、功能模塊、操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件組成。它主要包含調(diào)差環(huán)節(jié)、測量比較環(huán)節(jié)、綜合放大環(huán)節(jié)、移相觸發(fā)環(huán)節(jié)等[14]。通過軟件來實(shí)現(xiàn)欠勵磁限制、過勵磁限制、以及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器等功能。該科研成果于2013年通過了湖北省科技廳主持的產(chǎn)品鑒定。

3.2 雙核勵磁調(diào)節(jié)器

3.2.1 雙核勵磁調(diào)節(jié)器硬件

雙核(DSP核心(Digital Singnal Processor)和ARM(Advaced RISC Machine)核心)F28M35芯片，主頻達(dá)到150 MHz。它采用了目前數(shù)字控制領(lǐng)域先進(jìn)的研究成果和工藝，集合了DSP的數(shù)據(jù)處理能力和ARM的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。長控公司采用該芯片開發(fā)勵磁調(diào)節(jié)器，充分利用和實(shí)現(xiàn)了如DSP數(shù)字信號處理技術(shù)、高頻脈沖列觸發(fā)技術(shù)、低殘壓快速起勵技術(shù)以及完善的通訊功能和智能化的調(diào)試手段等[15]。DSP核心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)多路中斷測量、交流采樣、故障判斷、PID運(yùn)算等；ARM核心負(fù)責(zé)脈沖觸發(fā)和通訊數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)可控硅脈沖輸出、附帶雙串口和以太網(wǎng)通訊功能等。采用該芯片作為勵磁調(diào)節(jié)器，同時(shí)解決了勵磁交流采樣及雙窄脈沖觸發(fā)的瓶頸問題，調(diào)節(jié)器系統(tǒng)內(nèi)無數(shù)據(jù)總線或地址總線，抗干擾性能好。該成果因產(chǎn)品性能指標(biāo)優(yōu)良，其多項(xiàng)技術(shù)為行業(yè)內(nèi)首創(chuàng)，技術(shù)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

雙核勵磁調(diào)節(jié)器原理框圖如圖4所示。

圖4 雙核勵磁調(diào)節(jié)器原理框圖Fig.4 Block diagram of the principle of dual-coreexcitation regulator

3.2.2 雙核勵磁調(diào)節(jié)器軟件

雙核勵磁調(diào)節(jié)器軟件在CCS平臺上編寫、編譯、下載、在線監(jiān)測，使用C語言進(jìn)行編程。

3.2.3 雙核勵磁調(diào)節(jié)器成果評價(jià)

雙核勵磁調(diào)節(jié)器是長控公司總結(jié)單片機(jī)勵磁、IPC勵磁、PCC勵磁等以前的科研成果，在長江科學(xué)院研轉(zhuǎn)基金的支持下，研發(fā)的一代高檔勵磁調(diào)節(jié)器，在同步發(fā)電機(jī)和同步電動機(jī)都有成功應(yīng)用，深受用戶和同行專家的一致好評。該勵磁設(shè)備在客戶端全面完成了建模、發(fā)電機(jī)電壓擾動與PSS功能試驗(yàn)以及國家標(biāo)準(zhǔn)要求的其他型式試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)論為：階躍響應(yīng)快，無超調(diào)，PSS功能正確正常，其他各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足國標(biāo)要求。其科研成果“多核同步電機(jī)勵磁控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)”于2018年獲水利部長江水利委員會科技進(jìn)步獎，“DSP雙核勵磁裝置”上榜“水利部2018年度水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄”。

3.3 模塊化(PLC)勵磁裝置

PLC的各種開關(guān)輸入量和輸出量實(shí)現(xiàn)了與微機(jī)系統(tǒng)完全的電隔離，有效避免了外部干擾串入微機(jī)系統(tǒng)，其控制邏輯可以靈活方便地修改，在產(chǎn)品開發(fā)階段和裝置運(yùn)行階段都具有很大的靈活性，可以方便地改變一些控制邏輯和運(yùn)行方式。如果勵磁系統(tǒng)的各個(gè)部分能實(shí)現(xiàn)檢測、顯示、控制、信息傳輸和帶測試燈，會極大提高勵磁裝置的可靠性和工藝水平。模塊化(PLC)勵磁裝置就是基于這樣的思想，由長控公司研發(fā)的最新一代勵磁調(diào)節(jié)裝置。主要特點(diǎn)如下：

(1)采用PLC模塊式控制器(工業(yè)化設(shè)計(jì)與定制)搭建勵磁調(diào)節(jié)器。

(2)采用高級語言或梯形圖編程，研發(fā)過程輕松簡便，用戶也方便掌握。

(3)勵磁采集、脈沖輸出都采用PLC模式處理。

(4)功率單元采用模塊化設(shè)計(jì)(模塊化功率單元是將功率橋集成化為箱體結(jié)構(gòu))，所有勵磁功率組件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，現(xiàn)場可靈活高效地開展檢修維護(hù)工作。

(5)模塊化結(jié)構(gòu)處理，穩(wěn)定性好，擴(kuò)展功能強(qiáng)，更換維護(hù)方便。

4 前景展望

4.1 調(diào)速與勵磁試驗(yàn)研究基地建設(shè)

2018年，長江科學(xué)院利用財(cái)政部和科技部共同設(shè)立的“中央級科學(xué)事業(yè)單位修繕購置專項(xiàng)資金”對長控公司試驗(yàn)室進(jìn)行了更新改造，建成了具有國內(nèi)領(lǐng)先水平的國家級大型水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)綜合仿真試驗(yàn)室(全國唯一)。通過引入豐富全面的仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ停嵘碎L江科學(xué)院在大型機(jī)組水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的物理仿真試驗(yàn)水平。該試驗(yàn)臺上可同時(shí)進(jìn)行2臺套大型水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)與靜態(tài)試驗(yàn)，能進(jìn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)試驗(yàn)》(GB/T 9652.2—2019 )規(guī)定的全部試驗(yàn)項(xiàng)目，可模擬電站現(xiàn)場進(jìn)行開機(jī)、停機(jī)、空載擾動和甩負(fù)荷等試驗(yàn)，為產(chǎn)品出廠驗(yàn)收和用戶技術(shù)培訓(xùn)提供了《水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)試驗(yàn)》極大方便。

作為調(diào)速與勵磁雙專業(yè)同步研發(fā)與生產(chǎn)的長江科學(xué)院企業(yè)，興建同步電機(jī)勵磁動模試驗(yàn)室是機(jī)電專業(yè)的近期規(guī)劃。希望能借助兩個(gè)試驗(yàn)室，為水電機(jī)組控制設(shè)備的科研、生產(chǎn)與制造提供便利、有效、實(shí)時(shí)的科研開發(fā)平臺，為開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的水輪機(jī)調(diào)速器和同步電機(jī)勵磁新產(chǎn)品、新品種，滿足迅速發(fā)展的水利水電建設(shè)事業(yè)需求做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

4.2 水輪機(jī)調(diào)速器和同步電機(jī)勵磁標(biāo)準(zhǔn)的制定與修訂

我國的水輪機(jī)調(diào)速器和同步電機(jī)勵磁國家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)目前有近50項(xiàng)，這是一項(xiàng)非常值得稱道的成績。隨著時(shí)代的發(fā)展與技術(shù)的進(jìn)步，水電控制設(shè)備專業(yè)應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，進(jìn)行必要的修訂和按實(shí)際要求制定新的標(biāo)準(zhǔn)。各產(chǎn)品研制單位為產(chǎn)品技術(shù)的提高和提升行業(yè)影響力，也要制定產(chǎn)品的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這點(diǎn)應(yīng)引起同行們的高度重視。

4.3 一次調(diào)頻、PSS以及PMU功能等涉網(wǎng)試驗(yàn)

為保證電網(wǎng)及水電機(jī)組的安全運(yùn)行，近階段國家電網(wǎng)管理機(jī)構(gòu)對水電機(jī)組一次調(diào)頻、電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定器(PSS)功能以及電力系統(tǒng)同步向量測量(PMU)功能等涉網(wǎng)試驗(yàn)提出了明確的要求。

并網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)組能需要隨時(shí)適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷和頻率的變化，水輪機(jī)調(diào)速器的一次調(diào)頻功能與能力在此體現(xiàn)；為抑制低頻振蕩，提高電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，PSS功能必須加入到機(jī)組勵磁系統(tǒng)中；近期電網(wǎng)逐步要求調(diào)速和勵磁產(chǎn)品都要具備PMU功能。

在中國，一次調(diào)頻和PSS功能與能力試驗(yàn)，剛開始只針對特大型、大型機(jī)組上進(jìn)行并提出技術(shù)要求，后來逐步延伸到單機(jī)5萬kW以上的機(jī)組。當(dāng)下，但凡成規(guī)模的電網(wǎng)，都對一次調(diào)頻與PSS功能試驗(yàn)有明確要求，未來，作為水輪機(jī)調(diào)速器和同步電機(jī)勵磁的基本功能，一次調(diào)頻與PSS功能都必須具備，條件允許都必須進(jìn)行考核涉網(wǎng)過關(guān)試驗(yàn)。

4.4 與主機(jī)廠協(xié)調(diào)研發(fā)，設(shè)計(jì)調(diào)速與勵磁新品種

沖擊式機(jī)組調(diào)速器與水輪機(jī)聯(lián)系比較多，調(diào)速器專業(yè)廠與水輪機(jī)廠聯(lián)合，可以設(shè)計(jì)出更好的沖擊式專用水輪機(jī)調(diào)速器。高油壓調(diào)速器常將接力器外置，降低了水輪機(jī)調(diào)速器和主機(jī)的造價(jià)，提高了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，建議行業(yè)協(xié)會組織主機(jī)廠與調(diào)速器專業(yè)廠商進(jìn)行主輔機(jī)技術(shù)研討，規(guī)劃聯(lián)合設(shè)計(jì)，制定相互連接的標(biāo)準(zhǔn)。勵磁研發(fā)單位與專業(yè)廠家，也可與同步電機(jī)廠商聯(lián)合，共同設(shè)計(jì)出更新更好的同步電機(jī)勵磁裝置。

4.5 智慧電網(wǎng)需求下的機(jī)組控制設(shè)備應(yīng)用

4.5.1 水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維云平臺研究

以機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程控制為研究對象，結(jié)合智慧電網(wǎng)要求，解決水電機(jī)組控制設(shè)備的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控與實(shí)時(shí)智能決策預(yù)警預(yù)報(bào)。

4.5.2 研究數(shù)據(jù)庫專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的故障診斷

進(jìn)行水電機(jī)組控制設(shè)備模型研究，并建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備特征進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，解決多種設(shè)備、多個(gè)地域、多個(gè)專家互聯(lián)互通。研究分布式數(shù)據(jù)庫的安全共享管理，解決機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷[16]。

4.5.3 研究水電機(jī)組控制設(shè)備的遠(yuǎn)程運(yùn)營與維護(hù)

機(jī)電控制設(shè)備是水利水電工程的關(guān)鍵設(shè)備，運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響水利水電工程的安全運(yùn)行，并與電網(wǎng)穩(wěn)定性直接相關(guān)。在大數(shù)據(jù)、云平臺、互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)及人工智能等技術(shù)廣泛應(yīng)用的新時(shí)代，水電廠已朝著信息化、智能化的方向發(fā)展，對水輪機(jī)調(diào)速和同步電機(jī)勵磁設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程在線運(yùn)營維護(hù)是掌控水電機(jī)組安全運(yùn)行的必由之路。

長控公司利用長江科學(xué)院研轉(zhuǎn)基金，開發(fā)了水電機(jī)組控制設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)。以水電機(jī)組控制設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)測為基礎(chǔ)，結(jié)合水電機(jī)組控制設(shè)備的相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過研究設(shè)備遠(yuǎn)端與最終客戶端的互動平臺，實(shí)現(xiàn)機(jī)組設(shè)備調(diào)試、維護(hù)乃至培訓(xùn)都可遠(yuǎn)程進(jìn)行，提高服務(wù)的實(shí)時(shí)性和高效性[17]。利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、安全、可靠的延伸至網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端進(jìn)行監(jiān)視；利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及故障的遠(yuǎn)程智能診斷，為智慧電站、智慧電網(wǎng)建設(shè)提供必要的技術(shù)支撐。

5 結(jié) 語

近年來，我國水電機(jī)組控制設(shè)備的技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，包括水輪機(jī)調(diào)速器和同步電機(jī)勵磁在內(nèi)，技術(shù)性能處于國際先進(jìn)水平，設(shè)備的可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量與國際水平接近，滿足了水利水電工程建設(shè)的需求，這是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代液壓技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、自動控制技術(shù)以及信息化技術(shù)在水電機(jī)組控制設(shè)備廣泛應(yīng)用的結(jié)果[18]。當(dāng)前，民營企業(yè)也如火如荼地參與市場競爭，加速了新產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)程，也促進(jìn)了水電機(jī)組控制設(shè)備行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。水輪機(jī)調(diào)速器和同步電機(jī)勵磁等行業(yè)必將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上跟隨時(shí)代的步伐，并汲取國外先進(jìn)的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，使產(chǎn)品更好地滿足國內(nèi)外主機(jī)配套的要求，并積極走向海外市場。

為應(yīng)對氣候變化，中國政府提出了“碳達(dá)峰”和“碳中和”等莊嚴(yán)的目標(biāo)承諾，清潔能源的發(fā)展在未來將占據(jù)更加重要的位置。隨著一批大型、巨型水電站的興建與投運(yùn)，中小型水電站的穩(wěn)步發(fā)展，老電站設(shè)備更新改造的逐年開展，需要有更多、更好的各類型調(diào)速器和同步電機(jī)勵磁產(chǎn)品。研究人員必須提高調(diào)速系統(tǒng)與勵磁系統(tǒng)的可靠性和智能性，滿足電網(wǎng)智能化發(fā)展的要求，并做到自主可控，使產(chǎn)品技術(shù)與質(zhì)量全面達(dá)到國際先進(jìn)水平，配套出口到國外，參與國際市場競爭。