小議微機(jī)調(diào)速器的工作原理及在水電站的應(yīng)用

【摘 要】微機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)的應(yīng)用能使電站發(fā)供電更加安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)，而且操作維護(hù)簡(jiǎn)單。本文介紹了微機(jī)調(diào)速器主要特點(diǎn)功能、結(jié)構(gòu)原理、調(diào)試運(yùn)行、運(yùn)行性能及在水電站的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】微機(jī)調(diào)速器；水電站；運(yùn)行；工作原理；應(yīng)用

1、微機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)特點(diǎn)和功能

微機(jī)調(diào)速器，是基于頻率PID、功率PI調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)字式微機(jī)控制、殘壓測(cè)頻的電液調(diào)速器。采用可靠性高的可編程控制器為核心控制及自動(dòng)補(bǔ)氣方式的調(diào)速器。調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)采用組合式油壓裝置、機(jī)械、電氣合柜方式，同時(shí)采用雙電機(jī)雙油泵供油，互為熱備用，并配有一組儲(chǔ)能器，作為調(diào)速器的油源系統(tǒng)。采用PLC作為主控制器，觸摸屏作為人機(jī)界面，操作直觀方便，控制精確穩(wěn)定，調(diào)速器能遠(yuǎn)方自動(dòng)遙控和現(xiàn)地手動(dòng)控制，與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有良好的接口，接受控制并向監(jiān)控系統(tǒng)輸出有關(guān)信息。微機(jī)調(diào)速器具有調(diào)節(jié)規(guī)律（具有比例、積分、微分PID的調(diào)節(jié)規(guī)律，功率可采用PI調(diào)節(jié)，速度采用PID調(diào)節(jié)）、變參數(shù)調(diào)節(jié)功能、開機(jī)過(guò)程控制、無(wú)擾動(dòng)切換、導(dǎo)葉開導(dǎo)限制、電手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、人工頻率失靈區(qū)、頻率跟蹤、與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的接口、在線故障自診斷及故障處理功能、離線診斷功能、故障保護(hù)等功能。

2、工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微機(jī)調(diào)速器與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相配合，完成水輪發(fā)電機(jī)的開機(jī)，停機(jī)，增減負(fù)荷，緊急停機(jī)任務(wù)。并與其它裝置一起完成自動(dòng)發(fā)電控制，成套控制，按水位調(diào)節(jié)等任務(wù)。采用了現(xiàn)代液壓技術(shù)，由高速開關(guān)閥（數(shù)字閥）組件實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)級(jí)的液壓控制，由邏輯控制閥組件+功率集成閥直接驅(qū)動(dòng)接力器，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，可靠性更高。同時(shí)進(jìn)行元件—組件—回路的多層次組合與優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)速器的所有功能。微機(jī)調(diào)速器包括電氣控制部分、機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng)、油壓裝置等其它附件。

1）電氣控制部分：采用日本三菱的高性能可編程控制器FX2N系列作為硬件主體，可靠性高，利用PLC的高速計(jì)數(shù)和中斷功能由PLC實(shí)現(xiàn)測(cè)頻，外圍電路簡(jiǎn)單，可靠性高；用PWM算法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械液壓部分電磁閥的控制，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速器的全數(shù)字控制。

具有可編程控制并聯(lián)補(bǔ)償自適用式PID調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)、水位控制和功率調(diào)節(jié)等、具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方式、同時(shí)可利用觸摸屏修改調(diào)整如下參數(shù)：永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp、暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt、緩沖時(shí)間常用數(shù)td、加速時(shí)間常數(shù)tn、頻率死區(qū)、頻率給定、電氣開限、放大倍數(shù)、水頭等。

2）機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng)：機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng)由數(shù)字閥、主控閥、手動(dòng)控制閥組成，其中數(shù)字閥是實(shí)現(xiàn)接力器先導(dǎo)控制的關(guān)鍵組件，其功能是接收位置控制板的脈沖信號(hào)，使直動(dòng)式閥芯通/斷動(dòng)作，進(jìn)而控制先導(dǎo)油口壓力油的通/斷，以控制主控閥液流產(chǎn)生相應(yīng)通/斷的動(dòng)作。主控閥是實(shí)現(xiàn)接力器主級(jí)控制的關(guān)鍵組件，它接收來(lái)自數(shù)字閥的通/斷信號(hào)，使主閥芯產(chǎn)生通/斷動(dòng)作，進(jìn)而控制通向主接力器主供作油路液流的通/斷，以控制主接力器的信移。手動(dòng)控制閥是實(shí)現(xiàn)接力器純手動(dòng)先導(dǎo)控制組件，是通過(guò)手柄推/拉帶動(dòng)閥芯通/斷動(dòng)作，進(jìn)而控制手動(dòng)閥先導(dǎo)控制油口壓力油的通/斷，以控制主控閥液流產(chǎn)生相應(yīng)通/斷的動(dòng)作。

3、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與運(yùn)行

3.1調(diào)速系統(tǒng)安裝試驗(yàn)

(1)油泵試驗(yàn)：油泵安裝后進(jìn)行油泵試驗(yàn)。在空載下運(yùn)行1h，然后分別在25%、50%、75%額定油壓下運(yùn)行15min，再在額定油壓下運(yùn)行1h，油泵運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，輸油量大于設(shè)計(jì)規(guī)定值，手、自動(dòng)切換及自動(dòng)控切動(dòng)作符合要求。

(2)自動(dòng)補(bǔ)氣裝置及油位、壓力信號(hào)裝置動(dòng)作試驗(yàn)：自動(dòng)補(bǔ)氣裝置及油位、壓力信號(hào)裝置動(dòng)作試驗(yàn)正確、可靠。自動(dòng)補(bǔ)氣量符合設(shè)計(jì)要求。

(3)調(diào)速系統(tǒng)試驗(yàn)：調(diào)速系統(tǒng)安裝完畢后在無(wú)水狀態(tài)下與導(dǎo)葉接力器、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)一起進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整試驗(yàn)，并錄制導(dǎo)葉接力器行程與導(dǎo)葉開度關(guān)系曲線，檢查導(dǎo)葉的壓緊行程，以及進(jìn)行調(diào)速器的試驗(yàn)，試驗(yàn)按照技術(shù)協(xié)議、GB/T9652.2等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以確信調(diào)速系統(tǒng)以及導(dǎo)水葉機(jī)構(gòu)滿足技術(shù)規(guī)范的性能要求。進(jìn)行了以下試驗(yàn)：絕緣試驗(yàn)、功能操作試驗(yàn)、輸出整定特性試驗(yàn)、PID特性實(shí)驗(yàn)、電源特性及交直流電源切換試驗(yàn)、空載試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)、通信協(xié)議。

充水前試驗(yàn)首先做好安全措施：①機(jī)電檢修施工結(jié)束，工作票收回，并開靜態(tài)試驗(yàn)工作票②拉開發(fā)電機(jī)開關(guān)、刀閘。③全開工作門。④水車室，水渦輪內(nèi)不得有人工作。⑤試驗(yàn)中需操作電源、閘門的地方，有試驗(yàn)負(fù)責(zé)人與運(yùn)行人員聯(lián)系。試驗(yàn)項(xiàng)目包括緊急停機(jī)與復(fù)試驗(yàn)、手/自動(dòng)切換試驗(yàn)、開機(jī)、并網(wǎng)、調(diào)相、甩負(fù)何、停機(jī)模擬試驗(yàn)、最大出力限制線與起動(dòng)開度校核試驗(yàn)、調(diào)節(jié)模式切換試驗(yàn)、電源消失試驗(yàn)、事故與故障信號(hào)試驗(yàn)、靜特性試驗(yàn)、步進(jìn)式電液轉(zhuǎn)換器靜特性試驗(yàn)。

(4)控制、操作、保護(hù)、和指示裝置均進(jìn)行模擬試驗(yàn)，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠。

3.2調(diào)速系統(tǒng)試運(yùn)行

1)檢查、調(diào)試和起動(dòng)：要求靜態(tài)試驗(yàn)中所有臨時(shí)接線均恢復(fù)正常，機(jī)組在純機(jī)械手動(dòng)方式下充水起動(dòng)正常。其次做好安全措施：①在空載試驗(yàn)時(shí)，拉開發(fā)電機(jī)刀閘、并切斷操作電源。②油壓裝置能正常工作，兩臺(tái)油泵一臺(tái)自動(dòng)一臺(tái)備用。

進(jìn)行充水后試驗(yàn)項(xiàng)目有手動(dòng)開機(jī)、停機(jī)試驗(yàn)；自動(dòng)開機(jī)、停機(jī)試驗(yàn)‘空載擾動(dòng)試驗(yàn)；空載頻率擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)；帶負(fù)荷試驗(yàn)；甩負(fù)荷試驗(yàn)；緊急停機(jī)試驗(yàn)。

2)進(jìn)行機(jī)組帶各種負(fù)荷試驗(yàn)

3)72h試運(yùn)行，確認(rèn)機(jī)組已正確安裝、調(diào)試完好，并在連續(xù)運(yùn)行條件下能安全、正常地運(yùn)行。試運(yùn)持續(xù)時(shí)間為72h。

3.3考核運(yùn)行

在72h試運(yùn)行后再進(jìn)行連續(xù)30天的考核運(yùn)行。全部試驗(yàn)完畢，試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)?zāi)康?、測(cè)量?jī)x表的檢定和測(cè)定、試驗(yàn)程序、測(cè)量結(jié)果、試驗(yàn)表格、計(jì)算實(shí)例、計(jì)算過(guò)程使用的各種曲線，全部測(cè)量結(jié)果總匯，最終成果的修正和調(diào)整。

4、調(diào)速器運(yùn)行性能

在考核調(diào)速器當(dāng)中，當(dāng)機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速空載運(yùn)行和帶孤立負(fù)荷時(shí)，調(diào)速器系統(tǒng)能穩(wěn)定地控制機(jī)組轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)電機(jī)與外電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)也能在零到最大出力范內(nèi)控制機(jī)組出力穩(wěn)定地運(yùn)行。

靜態(tài)特性：調(diào)速器具有良好的靜態(tài)特性，在導(dǎo)葉接力器全行程范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速對(duì)接力器位置的關(guān)系曲線近似直線，協(xié)聯(lián)隨動(dòng)裝置不準(zhǔn)確度<1.5%，發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速空載運(yùn)行時(shí)，由調(diào)速系統(tǒng)控制的機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)值不超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的±0.2%，試驗(yàn)時(shí)測(cè)量持續(xù)3min。發(fā)電機(jī)在額定負(fù)荷下與外網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)或轉(zhuǎn)差率整定在2%或以上，當(dāng)人工頻率失靈區(qū)投入時(shí)，且電網(wǎng)頻率波動(dòng)值不超過(guò)人工失靈區(qū)給定值的±0.5%時(shí)，由調(diào)速系統(tǒng)控制的水輪機(jī)導(dǎo)葉開度波動(dòng)值不超過(guò)水輪機(jī)導(dǎo)葉最大開度的±0.2%。主接力器的轉(zhuǎn)速死區(qū)不超過(guò)±0.02%。

動(dòng)態(tài)特性：調(diào)速器保證機(jī)組在各種工況和運(yùn)行方式下的穩(wěn)定性。在自動(dòng)空載工況運(yùn)行時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速擺動(dòng)相對(duì)值不超過(guò)±0.15%。機(jī)組甩100%額定負(fù)荷后，在轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中，超過(guò)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速3%額定轉(zhuǎn)速值以上的波峰不超過(guò)2次。機(jī)組甩100%額定負(fù)荷后，從接力器第一次向開啟方向移動(dòng)起，到機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)相對(duì)值不超過(guò)±0.5%止所經(jīng)歷的時(shí)間不大于40s。轉(zhuǎn)速或指令信號(hào)按規(guī)定變化時(shí)，接力器不動(dòng)時(shí)間不超過(guò)0.2s。電氣裝置在工作電源與備用電源切換時(shí)，或手動(dòng)、自動(dòng)切換時(shí)，以及其他控制方式之間相互切換和參數(shù)調(diào)整時(shí)，水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器的行程變化不超過(guò)其全行程的±1% 。

5、結(jié)束語(yǔ)

調(diào)速器有計(jì)算機(jī)接口與后臺(tái)機(jī)進(jìn)行連接，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)得遠(yuǎn)方操作，并提供調(diào)速器現(xiàn)地操作和監(jiān)視界面，能很好地維持進(jìn)水能量與輸出電能之間的平衡，為優(yōu)質(zhì)發(fā)供電打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。