DJT型調(diào)速器幾種調(diào)節(jié)方式在白溪電廠的應(yīng)用

郭光海（寧波市白溪水庫管理局，浙江 寧波 315600）

DJT型調(diào)速器幾種調(diào)節(jié)方式在白溪電廠的應(yīng)用

郭光海
（寧波市白溪水庫管理局，浙江 寧波 315600）

摘要：DJT型調(diào)速器是一種全新的水輪機(jī)調(diào)速器，它結(jié)合自身的特點(diǎn)，能根據(jù)不同的工況采用不同的調(diào)節(jié)規(guī)律，在閉環(huán)開機(jī)、頻率調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)等工況中使用不同的調(diào)節(jié)方式，并能在特殊工況如帶小系統(tǒng)運(yùn)行中平穩(wěn)準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)規(guī)律；調(diào)速器；閉環(huán)開機(jī)；小系統(tǒng)

0　引言

白溪水電廠位于浙江省寧海縣境內(nèi)，裝機(jī)2× 9000kW，是寧波電網(wǎng)直調(diào)的最大常規(guī)水電站，擔(dān)任系統(tǒng)峰腰荷。其中1號(hào)機(jī)經(jīng)1號(hào)主變直接向躍龍變電所35kV一段供電，2號(hào)機(jī)經(jīng)2號(hào)主變途經(jīng)岔路鎮(zhèn)變電所后送往躍龍變電所35kV二段。水輪機(jī)調(diào)速器選用武漢長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所生產(chǎn)的DJT5000型全可編程調(diào)速器，它有很多優(yōu)點(diǎn)，其主要特點(diǎn)之一是電氣部分以可靠性極高的FX2N系列可編程序控制器為核心，在調(diào)節(jié)技術(shù)上采用連續(xù)實(shí)時(shí)變參數(shù)的PID控制算法，根據(jù)機(jī)組特性與工況，連續(xù)適時(shí)改變調(diào)節(jié)參數(shù)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定并具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

1　水輪機(jī)調(diào)速器的常用調(diào)節(jié)規(guī)律

按傳統(tǒng)自動(dòng)控制理論構(gòu)成的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器的任務(wù)是把被調(diào)量與給定值的偏差進(jìn)行變換，產(chǎn)生使偏差信號(hào)減小的調(diào)節(jié)作用，將偏差信號(hào)變換成調(diào)節(jié)作用所遵循的變換規(guī)律就是調(diào)速器的調(diào)節(jié)規(guī)律。調(diào)速器調(diào)節(jié)規(guī)律中常用的基本調(diào)節(jié)規(guī)律與其他工業(yè)調(diào)節(jié)規(guī)律一樣，即PID調(diào)節(jié)。

（1）比例調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)裝置輸出量的大小與被調(diào)量的偏差大小成正比，表達(dá)式為

y=Kp×x

y——調(diào)節(jié)裝置的輸出量

x——被調(diào)量與輸出值的偏差

Kp——調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，DJT型調(diào)速器范圍為0.5～20。

從公式可以看到，比例調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)節(jié)作用y與被調(diào)量的偏差x將會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，這個(gè)階段可稱作快速調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)作用的大小與x成正比，調(diào)節(jié)作用強(qiáng)。但比例系數(shù)Kp選擇過大，將引起過調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩的傾向；若Kp較弱，調(diào)節(jié)作用不強(qiáng)，調(diào)節(jié)過程變慢。

（2）積分調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)裝置輸出量的大小與被調(diào)量偏差積分成正比，表達(dá)式為

y=KI×∫xdt

KI為調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)，DJT型調(diào)速器范圍為0.05～10（/s）

積分調(diào)節(jié)是一種與調(diào)節(jié)作用時(shí)間有關(guān)的調(diào)節(jié)。假設(shè)偏差為常數(shù)A，則調(diào)節(jié)作用y=KI×At，因?yàn)橹灰钸€存在，調(diào)節(jié)作用y將隨著時(shí)間增加或減小，一直到偏差消除為止。因此積分調(diào)節(jié)規(guī)律可以實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。一般情況下，積分調(diào)節(jié)規(guī)律總是同比例調(diào)節(jié)同時(shí)作用。比例調(diào)節(jié)作用使調(diào)速器的接力器迅速地增大或減小到某一位置，但不使之過調(diào)；積分作用使調(diào)速器的接力器再緩慢增大或減小，直至偏差x消失，這樣兩項(xiàng)聯(lián)合作用的結(jié)果既保證了調(diào)節(jié)的快速性，又保證了調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，比例系數(shù)大時(shí)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作趨向于動(dòng)作快，但過大時(shí)易引起系統(tǒng)振蕩，甚至破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分調(diào)節(jié)規(guī)律將明顯使調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)改善。但積分作用過強(qiáng)也會(huì)引起調(diào)速系統(tǒng)振蕩，若積分作用太弱，將使調(diào)速系統(tǒng)過渡過程時(shí)間增長(zhǎng)。

（3）微分調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)裝置輸出量的大小與被調(diào)量變化率成正比，表達(dá)式為

y=KD×dx/dt

KD為調(diào)節(jié)器的微分系數(shù)，DJT型調(diào)速器范圍為0～5s。

一般情況下，適當(dāng)?shù)嘏渲帽壤禂?shù)和積分系數(shù)將會(huì)得到滿意的調(diào)節(jié)過渡過程。但是，具有長(zhǎng)引水管的水輪發(fā)電機(jī)組和貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，由于引水管水流加速時(shí)間常數(shù)與機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)之比值較通常機(jī)組大，很難找到適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)和積分系數(shù)搭配，這時(shí)比例加積分調(diào)節(jié)規(guī)律難以滿足這類機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。把比例系數(shù)和積分系數(shù)設(shè)置很小，即使?jié)M足了系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，但這時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間很長(zhǎng),調(diào)速系統(tǒng)被調(diào)量--機(jī)組頻率的動(dòng)態(tài)誤差顯著增大，將無法實(shí)現(xiàn)機(jī)組與電網(wǎng)并列。在水輪機(jī)調(diào)速器中再引入微分調(diào)節(jié)，即采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律將使較大的機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性得到緩解，也使一般的水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)得到明顯改善[1]。近十年來，由于電子技術(shù)的發(fā)展，引入微分調(diào)節(jié)規(guī)律也十分方便。各類水輪機(jī)調(diào)速器大多采用了PID調(diào)節(jié)規(guī)律。但是，應(yīng)該指出，不是任何情況下采用PID都是合理的。例如，當(dāng)機(jī)組并入大電網(wǎng)時(shí)，必須切除微分項(xiàng)，因?yàn)榇藭r(shí)機(jī)組并不存在著穩(wěn)定性問題和調(diào)節(jié)品質(zhì)問題，投入微分項(xiàng)沒有任何必要，而且可能由于微分項(xiàng)引入有增強(qiáng)干擾信號(hào)的作用。此外，當(dāng)測(cè)頻信號(hào)源頻率不穩(wěn)定時(shí)，微分調(diào)節(jié)項(xiàng)將對(duì)頻率的變化十分敏感，甚至因此引起主配壓閥的跳動(dòng)。

2　DJT型調(diào)速器在不同工況下的調(diào)節(jié)規(guī)律

水輪發(fā)電機(jī)組有多種運(yùn)行工況，針對(duì)不同的運(yùn)行工況，需要采用不同的控制規(guī)律、控制結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)參數(shù)?？刂埔?guī)律的形成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變一般通過軟件實(shí)現(xiàn)，下面是DJT型調(diào)速器在幾種典型工況下的調(diào)節(jié)過程。

2.1閉環(huán)開機(jī)

機(jī)械液壓調(diào)速器和一般的電液調(diào)速器，在開機(jī)過程中，轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋是斷開的，靠控制電路控制機(jī)械開限機(jī)構(gòu)，控制導(dǎo)水機(jī)構(gòu)按規(guī)定程序運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的開環(huán)啟動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近額定值時(shí)，接入測(cè)頻信號(hào)，調(diào)速系統(tǒng)才進(jìn)入閉環(huán)調(diào)節(jié)。DJT型調(diào)速器在整個(gè)開機(jī)過程中，測(cè)頻信號(hào)一直接入，調(diào)速系統(tǒng)始終處于閉環(huán)調(diào)節(jié)狀態(tài)，原理如圖1。

圖1閉環(huán)開機(jī)原理圖

2.2頻率調(diào)節(jié)和頻率跟蹤

頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖2。

圖2頻率調(diào)節(jié)原理圖

當(dāng)機(jī)組處于空載運(yùn)行，調(diào)速器在自動(dòng)工況，頻率跟蹤功能退出時(shí)(標(biāo)志開關(guān)合)。調(diào)速器受給定頻率值控制。該值與機(jī)組頻率相減，微機(jī)控制器對(duì)其差值進(jìn)行PID運(yùn)算，其結(jié)果通過電液隨動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，改變進(jìn)入水輪機(jī)的流量，直至機(jī)組頻率等于給定頻率，頻差值為零時(shí)止。頻率給定值可通過鍵盤輸入，也可以由上位機(jī)或自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置發(fā)出的增減開關(guān)量命令進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)投入頻率跟蹤功能時(shí)（標(biāo)志開關(guān)斷），微機(jī)調(diào)速器自動(dòng)地將網(wǎng)頻作為調(diào)速器的頻率給定值，與頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)過程一樣，在調(diào)節(jié)過程終了時(shí)，機(jī)組頻率值將與頻率給定值——網(wǎng)頻相等，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組頻率跟蹤電網(wǎng)頻率的功能。

2.3功率調(diào)節(jié)

功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖3。

圖3功率調(diào)節(jié)原理圖

機(jī)組并網(wǎng)前bp＝0，并網(wǎng)后，自動(dòng)整定為50 Hz，bp為整定值，即微機(jī)調(diào)節(jié)器的硬反饋回路投入，實(shí)現(xiàn)有差調(diào)節(jié)，同時(shí)切除微分作用，增大積分時(shí)間常數(shù)，投入人工失靈區(qū)，導(dǎo)葉開度按－1/bp的比例隨著頻差變化。并入同一電網(wǎng)的機(jī)組將按各自的bp整定值自動(dòng)調(diào)整，bp小的機(jī)組分較多的負(fù)荷。

當(dāng)上位機(jī)或機(jī)旁的增減功率按鈕發(fā)出增減負(fù)荷命令時(shí)，功率給定軟件將按a0±Kt的規(guī)律改變給定值PG。PG信號(hào)一方面通過前饋回路直接控制積分輸出值，一方面與調(diào)節(jié)器輸出值相比較，差值通過bp回路調(diào)整功率。由于前饋信號(hào)的作用，負(fù)荷增減較快。

3　白溪電廠自帶廠用電和岔路用電的小系統(tǒng)運(yùn)行

3.1機(jī)組自帶廠用電

白溪電廠裝設(shè)2臺(tái)機(jī)組，分別通過不同的35kV線路向系統(tǒng)送電。雖是2條線路，但采用同塔雙回路。在夏季多雷季節(jié)時(shí)，一旦線路遭雷擊，通常2條線路跳閘同時(shí)失電，另外雖有10kV第3路電源供廠用電，但可靠性不如35kV線路，往往首先雷擊失電。這樣就會(huì)全廠廠用電消失，給全廠安全生產(chǎn)造成隱患。因此最好能利用機(jī)組自帶廠用電。全廠廠用電約為200kW。當(dāng)兩線路跳閘失電，而電網(wǎng)不能短時(shí)間恢復(fù)送電時(shí)，機(jī)組通過手動(dòng)開機(jī)至空載轉(zhuǎn)速后手動(dòng)合上發(fā)電機(jī)開關(guān)，然后帶主變及廠變零升至額定電壓即可自帶廠用電。自2001年5月投產(chǎn)以來，機(jī)組經(jīng)過黑啟動(dòng)自帶廠用電30余次。自帶廠用電小網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組頻率在50±0.1Hz間波動(dòng)，導(dǎo)葉幾乎在空載位置。全廠的最大單個(gè)負(fù)荷為滲漏水泵，18.5kW電機(jī)2臺(tái)，同時(shí)啟動(dòng)，機(jī)組幾乎未見明顯反應(yīng)。此時(shí)機(jī)組雖為小系統(tǒng)運(yùn)行，但發(fā)電機(jī)出口開關(guān)在合閘位置，調(diào)速器顯示并網(wǎng)運(yùn)行，按功率調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)，實(shí)際上按－1/bp的比例調(diào)節(jié)輸出調(diào)節(jié)，是有差調(diào)節(jié)，只要頻率在人工失靈區(qū)范圍內(nèi)，調(diào)速器不動(dòng)作。若因水泵、油泵等大負(fù)荷啟、停，頻率降低或升高，調(diào)速器自動(dòng)跟蹤50Hz，反應(yīng)快速準(zhǔn)確，可見DJT型調(diào)速器自帶廠用電時(shí)不需做參數(shù)調(diào)整，能滿足普通負(fù)荷的需要。

3.2機(jī)組自帶岔路變小系統(tǒng)運(yùn)行

機(jī)組帶岔路變小系統(tǒng)運(yùn)行與帶廠用電系統(tǒng)不同之處在于負(fù)荷大，約為5000kW，達(dá)機(jī)組裝機(jī)的50%，導(dǎo)葉開度不在空載附近，用戶負(fù)荷增減較大較快，因此調(diào)速器能否既快又準(zhǔn)地把頻率穩(wěn)定在50Hz是問題的關(guān)鍵[2]。在電網(wǎng)系統(tǒng)要求我廠自帶岔路變時(shí)，首先將機(jī)組并網(wǎng)，將機(jī)組有功升至岔路用戶負(fù)荷附近，大約5000kW，此時(shí)通過岔路變與系統(tǒng)電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)有功為零，電流為零，拉開該聯(lián)絡(luò)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組帶岔路變的平穩(wěn)過渡，這與機(jī)組完全黑啟動(dòng)不同。為了避免負(fù)荷突變引起機(jī)組頻率過低導(dǎo)致發(fā)電機(jī)低周保護(hù)跳閘事故停機(jī)，將低周保護(hù)整定值49.2Hz由跳閘事故停機(jī)改為報(bào)警。這樣帶岔路變時(shí)頻率在49.1～50.7Hz之間波動(dòng)，調(diào)速器頻繁動(dòng)作，用電質(zhì)量較差。為此拆除了調(diào)速器上并網(wǎng)接點(diǎn)即發(fā)電機(jī)斷路器合閘位置接點(diǎn)，修改調(diào)速器空載限位至60%開度，取KP＝4，KI＝0.15，KD＝1.5，調(diào)速器穩(wěn)定，頻率在50±0.2Hz內(nèi)變化。此時(shí)雖為自帶岔路變并網(wǎng)運(yùn)行，但調(diào)節(jié)方式為跟蹤頻率給定50Hz的PID調(diào)節(jié)，用電質(zhì)量基本滿足用戶要求。

4　結(jié)束語

DJT型調(diào)速器能根據(jù)發(fā)電機(jī)的不同運(yùn)行工況，采用不同的控制規(guī)律和調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)機(jī)組頻率、功率進(jìn)行平穩(wěn)快速準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)。尤其在非常特殊的工況如自帶小系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)亦能滿足要求。但也稍有不足，如PLC僅通過發(fā)電機(jī)開關(guān)分合閘位置來識(shí)別大/小網(wǎng)運(yùn)行，又如可增加復(fù)雜工況的控制方式，可在我廠自帶廠用電或岔路變時(shí)仍可采用PID的無差調(diào)節(jié)，并可在觸摸屏上方便選擇各種控制方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈祖詒.水輪機(jī)調(diào)節(jié)[M].3版.北京：中國(guó)水利水電出版社

[2]李永國(guó).調(diào)速器的調(diào)試與故障處理[M].南京：河海大學(xué)出版社.

中圖分類號(hào)：TK730.4+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）01-0027-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.009

收稿日期：2014-07-04

作者簡(jiǎn)介：郭光海（1976-），男，高級(jí)工程師，從事水電廠運(yùn)行、檢修及管理工作。