PSWST-PLC型調(diào)速器在水電站的應(yīng)用

吳名鋼

（大源渡航電樞紐管理處, 湖南 衡陽 421412）

某水電站4 臺(tái)燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組全部從奧地利ELIN 公司引進(jìn); 水輪機(jī)為轉(zhuǎn)槳式，分別從德國(guó)SULZE 公司和MCE 公司引進(jìn)。4 臺(tái)機(jī)組于1999-10-28 全部并網(wǎng)發(fā)電。2012年，水電站采用武漢國(guó)測(cè)三聯(lián)水電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的PSWST-PLC型調(diào)速器，對(duì)4 號(hào)機(jī)組進(jìn)行了改造。

1 PSWST-PLC 型調(diào)速器的總體構(gòu)成

PSWST-PLC 型調(diào)速器由微機(jī)調(diào)節(jié)器和機(jī)械液壓系統(tǒng)兩大部分組成。微機(jī)調(diào)節(jié)器部分采用雙機(jī)(A、B 機(jī))冗余容錯(cuò)系統(tǒng)，2 套微機(jī)控制器均能獨(dú)立完成水輪發(fā)電機(jī)組的開機(jī)、停機(jī)、增減負(fù)荷、緊急停機(jī)等自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)，微機(jī)控制器選用德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的S7-300 系列PLC；機(jī)械液壓系統(tǒng)由電液轉(zhuǎn)換器(采用比例伺服閥+高速數(shù)字球閥冗余結(jié)構(gòu))、緊急停機(jī)、主配壓閥、純機(jī)械手動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，采用先進(jìn)的機(jī)械液壓集成技術(shù)，無明管、無泄漏、無杠桿。

2 PSWST-PLC 型調(diào)速器的工作方式

2.1 自動(dòng)調(diào)節(jié)

自動(dòng)通道由微機(jī)控制器組成，微機(jī)控制器A或B 均能控制機(jī)械液壓系統(tǒng)自動(dòng)通道的比例伺服閥或高速數(shù)字球閥。微機(jī)控制器采用適應(yīng)式變參數(shù)的機(jī)組轉(zhuǎn)速(頻率)PID 調(diào)節(jié)規(guī)律和機(jī)組功率適應(yīng)式變參數(shù)PI 控制規(guī)律。微機(jī)控制器接收機(jī)組LCU的“事故停機(jī)信號(hào)”，并且控制接力器以允許的最快速率關(guān)閉到全關(guān)。

2.2 電手動(dòng)調(diào)節(jié)

在電手動(dòng)調(diào)節(jié)模式工作時(shí)，微機(jī)控制器A 或B 控制機(jī)械液壓系統(tǒng)的比例伺服閥或高速數(shù)字球閥，跟蹤與調(diào)速系統(tǒng)有關(guān)的狀態(tài)及參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)由“電手動(dòng)控制”到“自動(dòng)調(diào)節(jié)”之間的無擾動(dòng)切換。電手動(dòng)調(diào)節(jié)也可通過現(xiàn)地控制柜面板實(shí)現(xiàn)“電手動(dòng)控制”到“純機(jī)械手動(dòng)”之間的無擾動(dòng)切換。

2.3 純機(jī)械手動(dòng)

失電時(shí)，自復(fù)中裝置在壓力油的作用下可帶動(dòng)主配壓閥回到復(fù)中位置，由手動(dòng)操作閥與其一起執(zhí)行純機(jī)械手動(dòng)功能。

2.4 控制方式的切換

PSWST-PLC 型調(diào)速器在各種控制方式間可實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。

(1)自動(dòng)通道、電手動(dòng)之間的切換：通過調(diào)速器控制柜操作開關(guān)切換。

(2)電手動(dòng)切換至純機(jī)械液壓手動(dòng)：電手動(dòng)通道故障切換至純機(jī)械液壓手動(dòng)。

(3)自動(dòng)通道、純機(jī)械液壓手動(dòng)之間切換：通過調(diào)速器控制柜操作開關(guān)切換，或自動(dòng)通道故障切換至純機(jī)械液壓手動(dòng)。

3 PSWST-PLC 型調(diào)速器的特點(diǎn)

3.1 全時(shí)PID 控制技術(shù)

圖1 為全時(shí)PID 控制邏輯示意。由圖1 可知，全時(shí)PID 算法的精髓主要是在PID 上增加了連續(xù)調(diào)節(jié)的PD 環(huán)節(jié)。即將連續(xù)10 個(gè)周期采樣的被調(diào)節(jié)偏差放入1 個(gè)數(shù)組，得到10 個(gè)ΔF(被控制偏差值)：ΔF(k)，ΔF(k-1)，ΔF(k-2)…ΔF(k-9)，并在數(shù)組中記錄好偏差的正負(fù)標(biāo)志和偏差的周期數(shù)；當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前偏差值與上周期偏差值相等時(shí)，選擇數(shù)組中與當(dāng)前偏差符號(hào)相同的最大偏差值，并根據(jù)最大偏差的周期數(shù)，相應(yīng)地改變微分時(shí)間常數(shù)T1v和偏差的測(cè)量周期τ來進(jìn)行PD 調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)完成后，在數(shù)組中剔除此偏差值。這樣就避免了在被調(diào)節(jié)量偏離目標(biāo)值、但偏差變化緩慢時(shí)，出現(xiàn)比例和微分通道幾乎不起作用的現(xiàn)象。

圖1 全時(shí)PID 控制邏輯

PID 控制器算式如下：

相應(yīng)的離散算式為：

其中：KP、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數(shù)；

e(k)為第k 次采樣值；

u(k)為第k 次采樣時(shí)刻的輸出值。

根據(jù)式(2)，用一個(gè)單神經(jīng)元構(gòu)造PID 控制器，如圖2 所示。

圖2 中控制器偏差X1(k)=e(k)；控制器輸入X2(k)=e(k)-e(k-1)，X3(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2)；控制器輸出u(k)=W1X1(k)+W2X2(k)+W3X3(k)。其中，Wi為控制器的加權(quán)系數(shù)，相當(dāng)于PID 控制器中的KP，Ki，Kd，但參數(shù)Wi可以進(jìn)行在線修正，可根據(jù)被調(diào)節(jié)量的偏差不斷地調(diào)節(jié)PID 系數(shù)，以達(dá)到調(diào)整Wi的目的，從而找到最優(yōu)值W*。

圖2 單神經(jīng)元構(gòu)造的PID 控制器邏輯

為提高調(diào)速器的靜動(dòng)態(tài)品質(zhì)，在控制電液隨動(dòng)系統(tǒng)中，可采用PI 型綜合放大器減小調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)ix和槳葉隨動(dòng)系統(tǒng)的不準(zhǔn)確度ia；采用PD型綜合放大器減小接力器不動(dòng)時(shí)間Tq。

微分控制是指當(dāng)輸入偏差值突然變化時(shí)，微分作用可有效地阻止或刺激控制器輸出相應(yīng)變化。這時(shí)，控制器的動(dòng)作僅受微分作用決定，而不受比例或者積分控制的計(jì)算結(jié)果影響。

輸出控制PD+PI 的基本設(shè)計(jì)思想是，當(dāng)偏差較大時(shí)，投入微分控制，取消積分作用；當(dāng)偏差較小時(shí)，引入積分控制，取消微分作用。

3.2 防機(jī)組飛逸

3.2.1 閉環(huán)開機(jī)及同期控制

根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的速率自動(dòng)改變開機(jī)曲線的斜率和頂點(diǎn)，自動(dòng)適應(yīng)任何水頭的變化，從而達(dá)到平穩(wěn)、快速、無超調(diào)自適應(yīng)閉環(huán)開機(jī)的目的。全范圍開放式的測(cè)頻方法，能保證在0.5～99 Hz 范圍內(nèi)可靠的頻率測(cè)量結(jié)果，在低頻段采用以導(dǎo)葉開度為依據(jù)的轉(zhuǎn)速逐次逼近，在高頻段則采用趨勢(shì)辨別轉(zhuǎn)速的方式。這種開機(jī)規(guī)律是以最佳過程啟動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組，盡量減少開機(jī)時(shí)間，能夠保證在任何異常情況(如機(jī)組導(dǎo)葉漏水，機(jī)組未停穩(wěn)，機(jī)、網(wǎng)頻率斷線，導(dǎo)葉反饋斷線等)下不過速、不停機(jī)。

3.2.2 空載自動(dòng)調(diào)節(jié)

調(diào)速器的參數(shù)中設(shè)置了最大及最小空載開度值。因此，調(diào)速器在空載運(yùn)行時(shí)，應(yīng)始終將導(dǎo)葉開度控制在該范圍內(nèi)。

3.2.3 關(guān)鍵信號(hào)容錯(cuò)能力

頻率容錯(cuò)，即實(shí)時(shí)自動(dòng)診斷機(jī)組頻率及系統(tǒng)頻率，提示故障類別。在空載時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到機(jī)組頻率故障，則自動(dòng)將當(dāng)前導(dǎo)葉開度調(diào)至最小空載開度(最高水頭下的空載開度)；當(dāng)系統(tǒng)頻率故障，則自動(dòng)跟蹤頻率給定。在負(fù)載時(shí)，機(jī)、網(wǎng)頻互為容錯(cuò)；當(dāng)機(jī)頻發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)取網(wǎng)頻，否則取機(jī)頻作為被調(diào)節(jié)量；當(dāng)機(jī)、網(wǎng)頻均發(fā)生故障時(shí)，可現(xiàn)地或遠(yuǎn)方手動(dòng)控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速或有功功率(導(dǎo)葉開度)。

3.3 防假甩負(fù)荷

為防止斷路器誤故障，使得機(jī)組甩負(fù)荷，系統(tǒng)在判斷甩負(fù)荷的條件中增加了機(jī)組頻率和有功功率判據(jù)。當(dāng)斷路器信號(hào)斷開時(shí)，先給導(dǎo)葉1 個(gè)快關(guān)信號(hào)，若機(jī)組頻率并未上升，且功率未下降，則認(rèn)為機(jī)組仍并網(wǎng)運(yùn)行；若斷路器信號(hào)斷開，且機(jī)組頻率上升、功率下降，則確認(rèn)機(jī)組甩負(fù)荷，調(diào)速器進(jìn)入甩負(fù)荷狀態(tài)。

3.4 防機(jī)組慢轉(zhuǎn)

根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的速率自動(dòng)改變開機(jī)曲線的斜率和頂點(diǎn)，自動(dòng)適應(yīng)任何水頭的變化，達(dá)到平穩(wěn)、快速、無超調(diào)自適應(yīng)閉環(huán)開機(jī)的目的。同時(shí)，具有空載頻率跟蹤及相位調(diào)節(jié)功能，以保證同頻同相，具有快速并網(wǎng)能力。

3.5 防空載泄水

3.5.1 縮短空載運(yùn)行時(shí)間

采用閉環(huán)開機(jī)及補(bǔ)償PID 空載算法，并且具有空載頻率跟蹤及相位調(diào)節(jié)能力，減少了從發(fā)出開機(jī)令至機(jī)組到空載的時(shí)間，縮短了機(jī)組空載到并網(wǎng)的時(shí)間。

3.5.2 壓緊行程

機(jī)組備用工況調(diào)速器具有1 %～3 %的“壓緊行程”，在停機(jī)連鎖工況下可使主配壓閥保持在相對(duì)偏關(guān)的位置，確保機(jī)組的關(guān)閉，有效地防止導(dǎo)葉漏水。

3.6 控制機(jī)組轉(zhuǎn)速下降

機(jī)組甩大開度負(fù)荷時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定導(dǎo)葉開啟的速度和大小，可有效地控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷50 %以上時(shí)，機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升，導(dǎo)葉快速關(guān)閉，電氣開限設(shè)定為2 倍的空載電氣開限；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升到最高點(diǎn)后開始下降時(shí)，導(dǎo)葉關(guān)閉速度減慢，如果此時(shí)機(jī)組已全關(guān)，則將導(dǎo)葉開啟到5 %～10 %的開度，以減小下游涌浪；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速下降的變化率大于某一個(gè)值時(shí)，控制導(dǎo)葉快速開啟到空載，然后減慢開啟速度。該方式可控制甩負(fù)荷大于50 %時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速下降至最低值，并且可縮短甩負(fù)荷過程中調(diào)速器調(diào)節(jié)的過渡過程。

3.7 控制涌浪

為了避免甩大負(fù)荷時(shí)上下游水位發(fā)生較大的涌浪，調(diào)速系統(tǒng)還設(shè)有涌浪控制軟件程序。調(diào)速器甩負(fù)荷時(shí)上下游水位發(fā)生較大的涌浪，會(huì)造成水錘壓力過大。因此，采用甩負(fù)荷導(dǎo)葉不全關(guān)、轉(zhuǎn)速由上升至下降過程中導(dǎo)葉打開和甩負(fù)荷后使空載電氣開度限制值大于開機(jī)過程的空載電氣開度限制值等智能化控制方式，可保證甩負(fù)荷后空載調(diào)節(jié)范圍更寬，抑制機(jī)組轉(zhuǎn)速下降至過低，大大縮短甩負(fù)荷的過渡過程，同時(shí)減小下游產(chǎn)生的涌浪。

單機(jī)甩較大負(fù)荷時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升過高，應(yīng)快速關(guān)閉導(dǎo)葉。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速下降時(shí)，打開導(dǎo)葉開度到某一預(yù)置開度，以減少水錘壓力的上升；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)，投入PID 控制，使機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。多機(jī)甩較大負(fù)荷時(shí)，關(guān)閉導(dǎo)葉并自動(dòng)脫協(xié)聯(lián)，由槳葉的角度控制機(jī)組轉(zhuǎn)速下降和減弱流域的涌浪強(qiáng)度。

3.8 增強(qiáng)槳葉的協(xié)聯(lián)功能

調(diào)速器通過電氣協(xié)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)導(dǎo)葉與槳葉的協(xié)聯(lián)。根據(jù)水輪機(jī)協(xié)聯(lián)曲線整定的協(xié)聯(lián)函數(shù)發(fā)生器，按實(shí)際水頭自動(dòng)選擇相應(yīng)協(xié)聯(lián)曲線，停機(jī)后自動(dòng)將輪葉開到啟動(dòng)角度，并在啟動(dòng)過程中根據(jù)導(dǎo)葉開度的開啟自動(dòng)切換到正常協(xié)聯(lián)。

3.8.1 正常協(xié)聯(lián)

常規(guī)數(shù)字協(xié)聯(lián)方式是接受水頭信號(hào)，并按實(shí)際水頭自動(dòng)選擇相應(yīng)的協(xié)聯(lián)曲線，預(yù)設(shè)10 條水頭下的協(xié)聯(lián)曲線，每條協(xié)聯(lián)曲線上設(shè)置10 個(gè)點(diǎn)，線與線之間以及點(diǎn)與點(diǎn)之間采用線性插值，最后采用逐次逼近方式輸出，可保證與理論協(xié)聯(lián)曲線一致。

3.8.2 增強(qiáng)協(xié)聯(lián)

(1)開度與協(xié)聯(lián)的關(guān)系修正。當(dāng)導(dǎo)葉開度不變時(shí)，槳葉的協(xié)聯(lián)點(diǎn)在一個(gè)小范圍內(nèi)自動(dòng)修正，以彌補(bǔ)協(xié)聯(lián)曲線理論與實(shí)際的誤差。

(2)振動(dòng)、擺動(dòng)與協(xié)聯(lián)的關(guān)系修正。當(dāng)導(dǎo)葉開度一定時(shí)，槳葉的協(xié)聯(lián)點(diǎn)在一個(gè)小范圍內(nèi)自動(dòng)修正，以抑制機(jī)組的振動(dòng)、擺動(dòng)情況(在引入機(jī)組振動(dòng)、擺動(dòng)模擬量的前提下)。

(3)負(fù)荷與協(xié)聯(lián)的關(guān)系修正。當(dāng)導(dǎo)葉開度一定時(shí)，自動(dòng)修正槳葉的協(xié)聯(lián)點(diǎn)，以控制機(jī)組的效率最高及負(fù)荷的擺動(dòng)最小，保證機(jī)組高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

3.8.3 非正常協(xié)聯(lián)

(1)流量與協(xié)聯(lián)角度的控制。在引入通過機(jī)組流量信號(hào)的前提下，用槳葉角度來控制機(jī)組負(fù)荷與流量。

(2)涌浪與協(xié)聯(lián)角度控制。當(dāng)線路開關(guān)或者多臺(tái)機(jī)組甩大開度負(fù)荷時(shí)，自動(dòng)脫協(xié)聯(lián)，有效地控制下游涌浪。

3.9 大、小網(wǎng)及孤網(wǎng)判定

以轉(zhuǎn)速的變化和變化率為依據(jù)準(zhǔn)確地判斷機(jī)組在大、小電網(wǎng)中的運(yùn)行情況，并且自動(dòng)切換運(yùn)行工況和調(diào)節(jié)參數(shù)，可以人為選擇一次調(diào)頻是否投切。當(dāng)一次調(diào)頻投入，電網(wǎng)頻率的波動(dòng)大于一次調(diào)頻死區(qū)而小于小電網(wǎng)的死區(qū)時(shí)，調(diào)速器按照調(diào)差率bp 控制機(jī)組的出力，以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)線路發(fā)生故障或線路開關(guān)跳閘時(shí)，調(diào)速器能夠自動(dòng)、平穩(wěn)地運(yùn)行在大、小電網(wǎng)，孤網(wǎng)，廠用電及空載工況下。

負(fù)載運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)頻率的變化以及負(fù)荷或開度的調(diào)整對(duì)頻率引起的變化作為判斷大小電網(wǎng)的依據(jù)，自動(dòng)改變運(yùn)行模式。在開度調(diào)節(jié)或功率調(diào)節(jié)模式下，當(dāng)判斷為小電網(wǎng)或電網(wǎng)故障時(shí)，機(jī)組將自動(dòng)切換到頻率調(diào)節(jié)模式運(yùn)行。

當(dāng)轉(zhuǎn)速變化率超過頻率失靈區(qū)N 個(gè)周期后，機(jī)組自動(dòng)切入頻率調(diào)節(jié)模式，并轉(zhuǎn)至小網(wǎng)運(yùn)行；當(dāng)頻率變化率在頻率失靈區(qū)范圍內(nèi)，一段時(shí)間后，機(jī)組自動(dòng)切入開度調(diào)節(jié)或者功率調(diào)節(jié)模式，并轉(zhuǎn)至大電網(wǎng)運(yùn)行。

4 結(jié)束語

水電站4 號(hào)機(jī)組調(diào)速器經(jīng)改造后，總體運(yùn)行情況良好，故障少、維護(hù)量小，大大提高了水電站的安全性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對(duì)其他電站有很好的借鑒和推廣作用。