林 成 海

（廣西桂冠開投電力有限責任公司，廣西 忻城 546205）

1 前言

樂灘水電站位于廣西忻城縣，是紅水河十梯級開發(fā)的第八級，電站裝機4×150 MW。4臺機組調(diào)速器采用的是武漢事達電氣股份有限公司設計制造的PFWST-200-6.3-STARS型調(diào)速器。機械結(jié)構(gòu)為進口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。

2004年12月第一臺機組投入商業(yè)運行后，由于比例閥對油質(zhì)要求較高，發(fā)生過比例閥卡阻現(xiàn)象。且原調(diào)速器沒有純機械手操機構(gòu)，無法進行純機械操作，調(diào)試時需要有電氣配合，增加了調(diào)試難度。此外，調(diào)速器還存在不明原因的溜負荷現(xiàn)象，控制液壓油路的竄油也比較突出，導致機組的壓油泵啟動頻繁、壓力油系統(tǒng)溫度較高(最高溫度達58℃)，嚴重影響了設備安全穩(wěn)定運行。

鑒于調(diào)速器運行中的上述問題，武漢事達電氣股份有限公司研制了帶自復中功能的比例閥控制系統(tǒng)，對原有調(diào)速器進行了改造，解決了原調(diào)速器溜負荷和竄油現(xiàn)象。同時，增強了電氣部分的智能控制功能。下面對改造后調(diào)速器的帶自復中功能的比例閥控制系統(tǒng)及電氣智能控制功能做簡要介紹。

2 機械液壓系統(tǒng)工作原理

原調(diào)速器采用比例閥單獨控制方式。比例閥雖然其動態(tài)品質(zhì)較優(yōu)，但對系統(tǒng)的油質(zhì)要求較高，需要高精度的過濾裝置，在現(xiàn)場還須經(jīng)常性維護和定期檢測油質(zhì)。減少由于現(xiàn)場油質(zhì)不潔而出現(xiàn)卡阻的現(xiàn)象，這是目前調(diào)速器現(xiàn)場運行中存在的難點之一。

經(jīng)過經(jīng)濟、技術(shù)和性能比較后，采用比例閥加自復中手動操作機構(gòu)冗余方式，機械手操機構(gòu)上方增加了一個伺服控制系統(tǒng)，使自復中控制系統(tǒng)具備了電動功能，完全替代比例閥控制系統(tǒng)進行日常運行控制，是真正的雙套控制冗余系統(tǒng)。當比例閥因故不能正常使用時可以切換至自復中控制回路，由伺服電機來控制機組運行。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操縱接力器。工作原理為：手自動切換閥（303EV）處于自動位，或給切換閥通電，A1與A3油路相通，這時切除了液壓反饋機構(gòu)（自復中控制回路）的油路。比例閥（301PV）的控制腔A1通過緊急停機電磁閥（301EV）與主配壓閥（301DV）的控制腔 A4相連，接力器的運動由比例閥控制。當比例閥輸出壓力油時，主配壓閥控制腔的油壓上升，主活塞向下運動，接力器開啟。當比例閥與回油相連時，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。

2.2 自復中控制回路

手動操作機構(gòu)設置有把手，操作把手旋轉(zhuǎn)，即可驅(qū)動主配壓閥的活塞上下運動，從而輸出壓力控制接力器的開啟和關(guān)閉。其工作原理為：手自動切換閥（303EV）處于手動位，A2與A3相通，液壓反饋機構(gòu)的控制腔A2通過緊急停機電磁閥與主配壓閥的控制腔A4相連，接力器的運動由手動操作機構(gòu)（303ET）控制。

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

2.3 自復中功能

當調(diào)速器交、直流電源發(fā)生故障時，液壓系統(tǒng)中的自復中功能使主配壓閥自復中，維持水輪機導葉在故障前的位置，并可手動進行停機。電源消失時手自動切換閥（303EV）自動切換到手動位，由于手動操作機構(gòu)在沒有驅(qū)動力狀態(tài)下始終處于零位，故主配壓閥的主活塞復中至零位，因此，無論接力器在開啟過程還是關(guān)閉過程中，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 自適應控制

PZWST型微機調(diào)速器具有較強的自適應能力，提高了在不同運行環(huán)境下的調(diào)節(jié)品質(zhì)?？筛鶕?jù)導葉開度、有效水頭和機組出力所反映的運行工況（如空載、并網(wǎng)運行）自行調(diào)整調(diào)節(jié)參數(shù)（Kp、Ki、Kd）和控制結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)在多數(shù)工況下均能以相應的最優(yōu)參數(shù)和最佳控制結(jié)構(gòu)參與機組的動態(tài)調(diào)控，并實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)下的平滑過渡。

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

并網(wǎng)后：調(diào)速器主要任務是控制機組穩(wěn)定地發(fā)電，此時處于功率（開度）調(diào)節(jié)模式。采用P+I調(diào)節(jié)規(guī)律及適當?shù)囊唤MPID參數(shù)，可使機組減少不必要的調(diào)節(jié)過程并保證運行穩(wěn)定不會造成負荷的波動，同時可降低設備的油耗，減少油泵電機的工作次數(shù)。

并網(wǎng)后：當機組頻率波動較大或超過給定頻率死區(qū)時。調(diào)速器自動轉(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)頻運行的一組PID參數(shù)，控制機組頻率穩(wěn)定在給定頻率。同時，采用該調(diào)節(jié)方式，可保證線路跳開關(guān)時，調(diào)速器能進行快速調(diào)節(jié)而不至于造成機組過速。

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

3.2 功率自適應式變參數(shù)PI調(diào)節(jié)

為了實現(xiàn)機組功率Pg對AGC系統(tǒng)下達的功率給定Pc的快速、單調(diào)跟蹤，必須采用有開環(huán)增量ΔP的功率調(diào)節(jié)模式。由于機組功率Pg是機組水頭H和導葉開度Y的函數(shù)，在編程時使ΔP為H和Y的函數(shù)，即ΔP對H和Y自適應式變參數(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。

為了適應機組運行水頭、水輪機導葉開度/機組功率和功率偏差值的不同情況，采用自適應式變參數(shù)機組功率的PI調(diào)節(jié)，如圖2所示。

（1）功率通過不同的積分速度進行調(diào)節(jié)。當給定功率和實際值偏差較大時，快速積分(斜率K1)，使出力盡快逼近給定值；當功率的偏差值進入一定區(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）機組水頭分段且有部分搭疊區(qū)，運行水頭位于高水頭段時，K1，K2取較小值；運行水頭位于低水頭段時，K1，K2取較大值。從而保證在不同運行水頭時，機組功率控制。

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）當機組導葉開度大于 70%時，適當加大當時運行水頭下的K1，K2值，以適應水輪發(fā)電機組導葉開度與機組功率的非線性特性。

這種機組功率自適應式變參數(shù) PI的控制方式已在二灘水電站2號機和5號機調(diào)速器上成功運用，解決了二灘水電站原調(diào)速器功率調(diào)節(jié)時的大幅度波動問題[1]。

圖2 機組功率變參數(shù)PI調(diào)節(jié)曲線

3.3 電氣開度限制L的自適應式變參數(shù)

（1）為了保證水輪發(fā)電機組合理安全運行，必須根據(jù)水輪機特性，適應機組運行水頭，設定與之對應的導葉最大開度值。為此，可在微機調(diào)節(jié)器內(nèi)寫入Lmax（H）的節(jié)點表，由運行水頭插值求得相應最大電氣開度限制Lmax。

（2）水頭插值計算

節(jié)點表：根據(jù)提供的水頭—空載開限和水頭—開限曲線，將其數(shù)表轉(zhuǎn)化為15個水頭下的節(jié)點表。計算方法如下：

1）確定當前水頭區(qū)間（H(i+1)＞H＞H(i))

2）查表水頭H(i+1)下對應的開限L0(i+1)、Lmax(i+1)；H(i)下對應的開限L0(i)、Lmax(i)

3）計算水頭H下的開限L0(i+1)、Lmax(i+1)值

4）計算公式：

3.4 自適應式開機特性

（1）兩段開機特性（適應運行水頭）

如圖3所示的兩段開機曲線（H1＞H2）。調(diào)速器接到開機指令后，即通過電氣開度限制L0將導葉開啟至第一開機開度YKJ1（圖中A點）經(jīng)過一段時間tA?B開始測量機組轉(zhuǎn)速（頻率），設在 C點機組頻率已連續(xù)2s大于45Hz，則通過電氣開限L將導葉壓至第二開機開度YKJ2，調(diào)速器轉(zhuǎn)入空載運行工況，由PID調(diào)節(jié)導葉至空載開度Y0。

（2）加速度閉環(huán)開機

調(diào)速器接到開機指令后，即將導葉開啟至電氣開限預開度L0，此后即按照機組轉(zhuǎn)速0～0.8nr，0.8～0.9nr和 0.9～1.0nr（均可調(diào)整）的三個區(qū)間，通過電氣開度限制L控制導葉開度，使機組加速度相應為4%nr/s、2%nr/s、 1%nr/s（均可調(diào)整）實現(xiàn)機組快速，近似單調(diào)的開啟過程，當機組轉(zhuǎn)速達到0.98nr時，調(diào)速器轉(zhuǎn)入空載運行工況。

圖3 兩段式開機曲線

4 結(jié)語

樂灘電站調(diào)速器機械系統(tǒng)的改造解決了原調(diào)速器運行中出現(xiàn)的比例閥卡阻、溜負荷和竄油等現(xiàn)象。對電氣控制功能的升級改造，使調(diào)速器更具智能性。從現(xiàn)場運行效果看，自適應式變參數(shù)控制方式消除了原調(diào)速器功率調(diào)節(jié)時的大幅度波動。改造后的調(diào)速系統(tǒng)靜特性、動特性、穩(wěn)定性等特性參數(shù)也均滿足國標要求，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]. 水電站機電技術(shù). 2005, (2): 64-65.