樂(lè)灘電站調(diào)速器系統(tǒng)介紹

林 成 海

（廣西桂冠開(kāi)投電力有限責(zé)任公司，廣西 忻城 546205）

1 前言

樂(lè)灘水電站位于廣西忻城縣，是紅水河十梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第八級(jí)，電站裝機(jī)4×150 MW。4臺(tái)機(jī)組調(diào)速器采用的是武漢事達(dá)電氣股份有限公司設(shè)計(jì)制造的PFWST-200-6.3-STARS型調(diào)速器。機(jī)械結(jié)構(gòu)為進(jìn)口GE臥式主配壓閥＋單比例閥；電氣結(jié)構(gòu)為雙PLC電氣冗余＋工控機(jī)。

2004年12月第一臺(tái)機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行后，由于比例閥對(duì)油質(zhì)要求較高，發(fā)生過(guò)比例閥卡阻現(xiàn)象。且原調(diào)速器沒(méi)有純機(jī)械手操機(jī)構(gòu)，無(wú)法進(jìn)行純機(jī)械操作，調(diào)試時(shí)需要有電氣配合，增加了調(diào)試難度。此外，調(diào)速器還存在不明原因的溜負(fù)荷現(xiàn)象，控制液壓油路的竄油也比較突出，導(dǎo)致機(jī)組的壓油泵啟動(dòng)頻繁、壓力油系統(tǒng)溫度較高(最高溫度達(dá)58℃)，嚴(yán)重影響了設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

鑒于調(diào)速器運(yùn)行中的上述問(wèn)題，武漢事達(dá)電氣股份有限公司研制了帶自復(fù)中功能的比例閥控制系統(tǒng)，對(duì)原有調(diào)速器進(jìn)行了改造，解決了原調(diào)速器溜負(fù)荷和竄油現(xiàn)象。同時(shí)，增強(qiáng)了電氣部分的智能控制功能。下面對(duì)改造后調(diào)速器的帶自復(fù)中功能的比例閥控制系統(tǒng)及電氣智能控制功能做簡(jiǎn)要介紹。

2 機(jī)械液壓系統(tǒng)工作原理

原調(diào)速器采用比例閥單獨(dú)控制方式。比例閥雖然其動(dòng)態(tài)品質(zhì)較優(yōu)，但對(duì)系統(tǒng)的油質(zhì)要求較高，需要高精度的過(guò)濾裝置，在現(xiàn)場(chǎng)還須經(jīng)常性維護(hù)和定期檢測(cè)油質(zhì)。減少由于現(xiàn)場(chǎng)油質(zhì)不潔而出現(xiàn)卡阻的現(xiàn)象，這是目前調(diào)速器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中存在的難點(diǎn)之一。

經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和性能比較后，采用比例閥加自復(fù)中手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)冗余方式，機(jī)械手操機(jī)構(gòu)上方增加了一個(gè)伺服控制系統(tǒng)，使自復(fù)中控制系統(tǒng)具備了電動(dòng)功能，完全替代比例閥控制系統(tǒng)進(jìn)行日常運(yùn)行控制，是真正的雙套控制冗余系統(tǒng)。當(dāng)比例閥因故不能正常使用時(shí)可以切換至自復(fù)中控制回路，由伺服電機(jī)來(lái)控制機(jī)組運(yùn)行。改造后的調(diào)速器總體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 改造后調(diào)速器機(jī)械液壓原理框圖

2.1 比例閥控制回路

比例閥是一種按輸入電氣信號(hào)連續(xù)控制液流方向和流量的電液控制閥，由其控制主配壓閥來(lái)操縱接力器。工作原理為：手自動(dòng)切換閥（303EV）處于自動(dòng)位，或給切換閥通電，A1與A3油路相通，這時(shí)切除了液壓反饋機(jī)構(gòu)（自復(fù)中控制回路）的油路。比例閥（301PV）的控制腔A1通過(guò)緊急停機(jī)電磁閥（301EV）與主配壓閥（301DV）的控制腔 A4相連，接力器的運(yùn)動(dòng)由比例閥控制。當(dāng)比例閥輸出壓力油時(shí)，主配壓閥控制腔的油壓上升，主活塞向下運(yùn)動(dòng)，接力器開(kāi)啟。當(dāng)比例閥與回油相連時(shí)，主配壓閥的控制腔的壓力下降，在下部恒壓腔的油壓作用下，將主配壓閥的主活塞抬起，接力器關(guān)機(jī)。

2.2 自復(fù)中控制回路

手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)設(shè)置有把手，操作把手旋轉(zhuǎn)，即可驅(qū)動(dòng)主配壓閥的活塞上下運(yùn)動(dòng)，從而輸出壓力控制接力器的開(kāi)啟和關(guān)閉。其工作原理為：手自動(dòng)切換閥（303EV）處于手動(dòng)位，A2與A3相通，液壓反饋機(jī)構(gòu)的控制腔A2通過(guò)緊急停機(jī)電磁閥與主配壓閥的控制腔A4相連，接力器的運(yùn)動(dòng)由手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)（303ET）控制。

當(dāng)手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)中把手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出軸向下運(yùn)動(dòng)，輸出向下的位移，與它剛性連接的液壓反饋機(jī)構(gòu)的閥芯一起向下運(yùn)動(dòng)，壓力油由油路 A2、A3、A4進(jìn)入主活塞的控制腔，主活塞的控制腔壓力上升，主活塞向下運(yùn)動(dòng)，接力器朝開(kāi)啟方向運(yùn)動(dòng)；松開(kāi)手輪，輸出軸在復(fù)中彈簧作用下回到零位，液壓反饋機(jī)構(gòu)的閥芯跟隨回到零位，襯套與閥芯的相對(duì)位置打開(kāi)了窗口，使A2接通回油，主配壓閥的控制腔壓力下降，主活塞向上運(yùn)動(dòng)，直至襯套與閥芯封閉窗口，主活塞停止運(yùn)動(dòng)，回到零位，這時(shí)接力器開(kāi)啟至在某一個(gè)開(kāi)度。當(dāng)手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)把手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，上述動(dòng)作相反。電動(dòng)控制工作原理與機(jī)械手操相同，不同的是電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)由定位模塊+驅(qū)動(dòng)器控制。

2.3 自復(fù)中功能

當(dāng)調(diào)速器交、直流電源發(fā)生故障時(shí)，液壓系統(tǒng)中的自復(fù)中功能使主配壓閥自復(fù)中，維持水輪機(jī)導(dǎo)葉在故障前的位置，并可手動(dòng)進(jìn)行停機(jī)。電源消失時(shí)手自動(dòng)切換閥（303EV）自動(dòng)切換到手動(dòng)位，由于手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)在沒(méi)有驅(qū)動(dòng)力狀態(tài)下始終處于零位，故主配壓閥的主活塞復(fù)中至零位，因此，無(wú)論接力器在開(kāi)啟過(guò)程還是關(guān)閉過(guò)程中，均能使接力器停止在斷電前的位置。

3 電氣智能控制功能

3.1 自適應(yīng)控制

PZWST型微機(jī)調(diào)速器具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，提高了在不同運(yùn)行環(huán)境下的調(diào)節(jié)品質(zhì)?？筛鶕?jù)導(dǎo)葉開(kāi)度、有效水頭和機(jī)組出力所反映的運(yùn)行工況（如空載、并網(wǎng)運(yùn)行）自行調(diào)整調(diào)節(jié)參數(shù)（Kp、Ki、Kd）和控制結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)在多數(shù)工況下均能以相應(yīng)的最優(yōu)參數(shù)和最佳控制結(jié)構(gòu)參與機(jī)組的動(dòng)態(tài)調(diào)控，并實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)下的平滑過(guò)渡。

并網(wǎng)前：機(jī)組處于空載狀態(tài)，此時(shí)調(diào)速器處于頻率調(diào)節(jié)模式，控制機(jī)組跟蹤電網(wǎng)頻率或頻率給定。采用 P+I+D調(diào)節(jié)規(guī)律及適合于空載運(yùn)行的一組 PID參數(shù)，選用該調(diào)節(jié)規(guī)律可控制機(jī)組快速跟蹤電網(wǎng)頻率、使頻率偏差小，便于機(jī)組并網(wǎng)。

并網(wǎng)后：調(diào)速器主要任務(wù)是控制機(jī)組穩(wěn)定地發(fā)電，此時(shí)處于功率（開(kāi)度）調(diào)節(jié)模式。采用P+I調(diào)節(jié)規(guī)律及適當(dāng)?shù)囊唤MPID參數(shù)，可使機(jī)組減少不必要的調(diào)節(jié)過(guò)程并保證運(yùn)行穩(wěn)定不會(huì)造成負(fù)荷的波動(dòng)，同時(shí)可降低設(shè)備的油耗，減少油泵電機(jī)的工作次數(shù)。

并網(wǎng)后：當(dāng)機(jī)組頻率波動(dòng)較大或超過(guò)給定頻率死區(qū)時(shí)。調(diào)速器自動(dòng)轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)調(diào)節(jié)，采用P+I+D調(diào)節(jié)規(guī)律及適合于調(diào)頻運(yùn)行的一組PID參數(shù)，控制機(jī)組頻率穩(wěn)定在給定頻率。同時(shí)，采用該調(diào)節(jié)方式，可保證線路跳開(kāi)關(guān)時(shí)，調(diào)速器能進(jìn)行快速調(diào)節(jié)而不至于造成機(jī)組過(guò)速。

功率（開(kāi)度）開(kāi)環(huán)增量調(diào)節(jié)：調(diào)速器在功率（開(kāi)度）調(diào)節(jié)模式時(shí)，接收到增加/減少命令，將增加/減少功率（開(kāi)度）給定?？刂葡到y(tǒng)在P+I調(diào)節(jié)的同時(shí)加入了實(shí)際開(kāi)度與給定開(kāi)度的偏差，使機(jī)組能單調(diào)、快速地跟蹤給定值。

3.2 功率自適應(yīng)式變參數(shù)PI調(diào)節(jié)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)組功率Pg對(duì)AGC系統(tǒng)下達(dá)的功率給定Pc的快速、單調(diào)跟蹤，必須采用有開(kāi)環(huán)增量ΔP的功率調(diào)節(jié)模式。由于機(jī)組功率Pg是機(jī)組水頭H和導(dǎo)葉開(kāi)度Y的函數(shù)，在編程時(shí)使ΔP為H和Y的函數(shù)，即ΔP對(duì)H和Y自適應(yīng)式變參數(shù)。否則，在低水頭工況整定的 ΔP值，將使在高水頭下的功率調(diào)節(jié)出現(xiàn)大的超調(diào)和振蕩。

為了適應(yīng)機(jī)組運(yùn)行水頭、水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度/機(jī)組功率和功率偏差值的不同情況，采用自適應(yīng)式變參數(shù)機(jī)組功率的PI調(diào)節(jié)，如圖2所示。

（1）功率通過(guò)不同的積分速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)給定功率和實(shí)際值偏差較大時(shí)，快速積分(斜率K1)，使出力盡快逼近給定值；當(dāng)功率的偏差值進(jìn)入一定區(qū)間（區(qū)間Ⅰ）后，減慢積分速度(斜率K2)；在更小的區(qū)間（區(qū)間Ⅱ）中，使積分速度逐漸減至零(指數(shù)規(guī)律)。這樣，使功率的調(diào)節(jié)訊速而穩(wěn)定，避免超調(diào)。

（2）機(jī)組水頭分段且有部分搭疊區(qū)，運(yùn)行水頭位于高水頭段時(shí)，K1，K2取較小值；運(yùn)行水頭位于低水頭段時(shí)，K1，K2取較大值。從而保證在不同運(yùn)行水頭時(shí)，機(jī)組功率控制。

具有近似相同的速率，以保證功率控制的快速性和單調(diào)性。

（3）當(dāng)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度大于 70%時(shí)，適當(dāng)加大當(dāng)時(shí)運(yùn)行水頭下的K1，K2值，以適應(yīng)水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度與機(jī)組功率的非線性特性。

這種機(jī)組功率自適應(yīng)式變參數(shù) PI的控制方式已在二灘水電站2號(hào)機(jī)和5號(hào)機(jī)調(diào)速器上成功運(yùn)用，解決了二灘水電站原調(diào)速器功率調(diào)節(jié)時(shí)的大幅度波動(dòng)問(wèn)題[1]。

圖2 機(jī)組功率變參數(shù)PI調(diào)節(jié)曲線

3.3 電氣開(kāi)度限制L的自適應(yīng)式變參數(shù)

（1）為了保證水輪發(fā)電機(jī)組合理安全運(yùn)行，必須根據(jù)水輪機(jī)特性，適應(yīng)機(jī)組運(yùn)行水頭，設(shè)定與之對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉最大開(kāi)度值。為此，可在微機(jī)調(diào)節(jié)器內(nèi)寫(xiě)入Lmax（H）的節(jié)點(diǎn)表，由運(yùn)行水頭插值求得相應(yīng)最大電氣開(kāi)度限制Lmax。

（2）水頭插值計(jì)算

節(jié)點(diǎn)表：根據(jù)提供的水頭—空載開(kāi)限和水頭—開(kāi)限曲線，將其數(shù)表轉(zhuǎn)化為15個(gè)水頭下的節(jié)點(diǎn)表。計(jì)算方法如下：

1）確定當(dāng)前水頭區(qū)間（H(i+1)＞H＞H(i))

2）查表水頭H(i+1)下對(duì)應(yīng)的開(kāi)限L0(i+1)、Lmax(i+1)；H(i)下對(duì)應(yīng)的開(kāi)限L0(i)、Lmax(i)

3）計(jì)算水頭H下的開(kāi)限L0(i+1)、Lmax(i+1)值

4）計(jì)算公式：

3.4 自適應(yīng)式開(kāi)機(jī)特性

（1）兩段開(kāi)機(jī)特性（適應(yīng)運(yùn)行水頭）

如圖3所示的兩段開(kāi)機(jī)曲線（H1＞H2）。調(diào)速器接到開(kāi)機(jī)指令后，即通過(guò)電氣開(kāi)度限制L0將導(dǎo)葉開(kāi)啟至第一開(kāi)機(jī)開(kāi)度YKJ1（圖中A點(diǎn)）經(jīng)過(guò)一段時(shí)間tA?B開(kāi)始測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速（頻率），設(shè)在 C點(diǎn)機(jī)組頻率已連續(xù)2s大于45Hz，則通過(guò)電氣開(kāi)限L將導(dǎo)葉壓至第二開(kāi)機(jī)開(kāi)度YKJ2，調(diào)速器轉(zhuǎn)入空載運(yùn)行工況，由PID調(diào)節(jié)導(dǎo)葉至空載開(kāi)度Y0。

（2）加速度閉環(huán)開(kāi)機(jī)

調(diào)速器接到開(kāi)機(jī)指令后，即將導(dǎo)葉開(kāi)啟至電氣開(kāi)限預(yù)開(kāi)度L0，此后即按照機(jī)組轉(zhuǎn)速0～0.8nr，0.8～0.9nr和 0.9～1.0nr（均可調(diào)整）的三個(gè)區(qū)間，通過(guò)電氣開(kāi)度限制L控制導(dǎo)葉開(kāi)度，使機(jī)組加速度相應(yīng)為4%nr/s、2%nr/s、 1%nr/s（均可調(diào)整）實(shí)現(xiàn)機(jī)組快速，近似單調(diào)的開(kāi)啟過(guò)程，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到0.98nr時(shí)，調(diào)速器轉(zhuǎn)入空載運(yùn)行工況。

圖3 兩段式開(kāi)機(jī)曲線

4 結(jié)語(yǔ)

樂(lè)灘電站調(diào)速器機(jī)械系統(tǒng)的改造解決了原調(diào)速器運(yùn)行中出現(xiàn)的比例閥卡阻、溜負(fù)荷和竄油等現(xiàn)象。對(duì)電氣控制功能的升級(jí)改造，使調(diào)速器更具智能性。從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果看，自適應(yīng)式變參數(shù)控制方式消除了原調(diào)速器功率調(diào)節(jié)時(shí)的大幅度波動(dòng)。改造后的調(diào)速系統(tǒng)靜特性、動(dòng)特性、穩(wěn)定性等特性參數(shù)也均滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求，可靠性有很大提高。

[1]譚中美, 劉小改. 二灘水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)改造[J]. 水電站機(jī)電技術(shù). 2005, (2): 64-65.