基于PCC控制器的調(diào)速器控制策略研究與應(yīng)用

常中原，張官祥，蔣小輝，陳自然，涂　勇

（1.中國長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓 644612；2.三峽大學(xué)科技學(xué)院，湖北 宜昌 443000）

0　引言

水輪機調(diào)速器是確保水電廠水輪發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行的重要輔助控制設(shè)備，作為被控機組的功率調(diào)節(jié)器和工況控制器，其動態(tài)特性和靜態(tài)特性品質(zhì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個水輪發(fā)電機組的安全與穩(wěn)定運行，執(zhí)行網(wǎng)調(diào)下達的功率調(diào)節(jié)指令，配合監(jiān)控系統(tǒng)完成被控機組的開停機、負荷調(diào)整以及緊急停機等工況轉(zhuǎn)換。調(diào)速系統(tǒng)配備冗余容錯微機調(diào)節(jié)器，采用主、備運行方式。備用機自動跟蹤工作機狀態(tài)，當(dāng)工作機有故障時自動無擾動切換到備用機。若上述兩套系統(tǒng)同時故障時，自動無擾動切換到電手動控制方式下運行。微機調(diào)節(jié)器的控制器應(yīng)能滿足水輪機調(diào)速器的性能、功能和穩(wěn)定性要求等指標(biāo)，PCC控制器運用于水電廠調(diào)速器控制系統(tǒng)中，可以提高調(diào)速器的動態(tài)性能，充分發(fā)揮PCC控制器分時多任務(wù)處理的優(yōu)勢，使其操作簡單，維護方便，功能和性能不斷完善。

1　調(diào)速器性能特點

某水電廠采用PCC步進式水輪機調(diào)速器，是以PCC為核心控制器，步進電機/比例閥為控制對象，與液壓隨動系統(tǒng)配套組成。調(diào)速系統(tǒng)具有良好的可維修性，方便維護、檢查、檢修與調(diào)試，能利用微機對調(diào)速器的參數(shù)、控制邏輯進行實時監(jiān)視和在線參數(shù)修改，同時控制邏輯完善、功能齊全、動態(tài)指標(biāo)和靜態(tài)指標(biāo)均良好。

1.1　系統(tǒng)可靠性高

PCC調(diào)速器的電氣部分由PCC控制器、電源系統(tǒng)、HMI、測速系統(tǒng)、變送器、繼電器、頻率測量板、位移傳感器以及各功能模塊等構(gòu)成，為增加系統(tǒng)的可靠性，微機調(diào)速器采用微機調(diào)節(jié)器冗余容錯系統(tǒng)，具有比常規(guī)PLC調(diào)速器更高的可靠性。具有電手動和開環(huán)機械手動功能，主配壓閥具有斷電自復(fù)中功能。機械液壓系統(tǒng)中設(shè)有可靠的油過濾裝置，液壓部件的設(shè)計有防振、防卡、防止油粘滯的措施，以保證機械液壓部件正常工作。調(diào)速器具有通過軟件程序或自動化元件監(jiān)測可判斷出電液轉(zhuǎn)換元件故障、主配壓閥是否發(fā)卡等功能。冗余系統(tǒng)中的每一個通道，即從輸入至輸出以及電源，均采用相同配置，且為相互完全獨立，在運行過程中，隨時將其中一個通道退出而不影響調(diào)速系統(tǒng)的正常工作，且退出的通道能進行停電檢修。微機調(diào)速器各部分的電源和導(dǎo)葉接力器位置傳感器冗余配置。兩套控制器的主接反饋和主配反饋信號各自獨立采集，形成位移傳感器的冗余設(shè)計；采用比例閥與步進電機兩種形式的電液控制裝置，形成電液轉(zhuǎn)換冗余。調(diào)速器采用大量的冗余設(shè)計保證了調(diào)速器可靠穩(wěn)定運行，大幅度提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1.2　測頻精度高

水輪機調(diào)速器采用多路冗余的測頻方式，具有高可靠性的特點。一般調(diào)速器的測頻通道有4路輸入，分別為1路殘壓測頻、2路齒盤頻率和電網(wǎng)頻率測量，頻率輸出為2路測值量，分別為機組頻率和電網(wǎng)頻率。其中，機端PT信號與齒盤信號為測量機組頻率而設(shè)，它們相互冗余。因此測頻容錯能力較強。3路頻率測量通道之間互為檢錯、糾錯以及備用，當(dāng)頻率測量值大于設(shè)定閾值時，異常的頻率測量值將被判斷為錯誤值而自動丟棄，校正有效頻率值，同時報頻率故障信息，以便盡快查找故障原因，排除測頻故障通道，這樣通過多通道測頻方式保證了頻率測量的高可靠性。

為保證測速準(zhǔn)確性，頻率選擇可根據(jù)控制邏輯進行選擇，不同的工況選擇不同的機組頻率。其具體的頻率控制邏輯為：當(dāng)機組處于開機過程或停機過程時，優(yōu)先選擇齒盤測頻信號，齒盤測頻信號中優(yōu)先選擇齒盤1測頻信號，當(dāng)齒盤1測頻信號故障時選擇齒盤2測頻信號，當(dāng)齒盤2測頻信號同時出現(xiàn)故障時，選擇殘壓測頻信號，當(dāng)3路測頻通道都出現(xiàn)故障時機頻取0 Hz，并報機頻故障。當(dāng)機組處于空載態(tài)或負載態(tài)時，頻率優(yōu)先選擇殘壓測頻信號，當(dāng)殘壓信號故障時選擇齒盤測頻信號，齒盤測頻信號中優(yōu)先選擇齒盤1測頻信號，當(dāng)齒盤1測頻信號出現(xiàn)故障時選擇齒盤2測頻信號，當(dāng)3路測頻通道均出現(xiàn)故障時機頻取50 Hz，并報機頻故障。當(dāng)機組處于備用態(tài)或開機過程前30 s或停機過程時，將齒盤1信號、齒盤2信號、機頻信號和網(wǎng)頻信號置零且屏蔽所有頻率故障信號。

1.3　電源系統(tǒng)穩(wěn)定性高

調(diào)速系統(tǒng)的電源系統(tǒng)在保障調(diào)速器正常運行中起著至關(guān)重要、不可或缺的作用。電源系統(tǒng)如果出現(xiàn)了故障而沒有被及時發(fā)現(xiàn)和解決，一旦發(fā)生事故，電氣設(shè)備便失去了控制功能，因而，保障調(diào)速器電源供電系統(tǒng)的正常運行是保障機組安全的基礎(chǔ)。

為了保證電源系統(tǒng)的可靠，水電廠調(diào)速器采用1路交流AC 220 V和兩路直流DC 220 V雙路供電方式。調(diào)速器系統(tǒng)的控制及信號電源采用DC 24 V供電，調(diào)速器電氣柜及調(diào)速器控制柜內(nèi)分別裝設(shè)冗余的帶濾波器及抗干擾裝置的雙電源變換模塊，每個冗余電源模塊采用交/直流并列供電（AC 220 V、DC220 V），電源模塊的輸出經(jīng)過隔離裝置后匯接在一起形成直流小母線，分別向微機調(diào)速系統(tǒng)、測速探頭和轉(zhuǎn)速裝置及緊急停機操作系統(tǒng)等提供相互獨立的供電回路。柜內(nèi)裝設(shè)電源監(jiān)視繼電器，對輸入電源、輸出電源等進行監(jiān)視，若任一路開關(guān)電源發(fā)生故障時，系統(tǒng)中的電源監(jiān)視故障指示燈會點亮，在任意一路輸入電源正常的情況下，能保證調(diào)速系統(tǒng)的正常供電。

2　PCC調(diào)速器的控制策略研究

水輪機控制系統(tǒng)有功率調(diào)節(jié)模式、開度調(diào)節(jié)模式、頻率調(diào)節(jié)模式3種主要的調(diào)節(jié)模式，而機組有停機備用態(tài)、開機過程、空載態(tài)、負載態(tài)和停機過程等多種運行工況，在不同的工作狀態(tài)下采用不同的調(diào)節(jié)規(guī)律和自動控制模型，其功能及其相互之間的轉(zhuǎn)換都是依靠PCC控制器調(diào)節(jié)完成。

2.1　閉環(huán)開機規(guī)律研究

目前，水電廠調(diào)速器的開機過程一般采用比較成熟的兩段式開機規(guī)律，其具體的工作原理為：

當(dāng)調(diào)速器收到監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的調(diào)速器開機令后，調(diào)速器首先將導(dǎo)葉開度開啟至第1開度，即比空載開度大6%左右開度，此時機組轉(zhuǎn)速正常上升；當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至90%額定轉(zhuǎn)速時，調(diào)速器通過電氣開限將導(dǎo)葉開度回關(guān)至第2開度，即比空載開度大4%左右開度，并將空載開度賦給開度給定，同時根據(jù)PID選擇邏輯投入相應(yīng)的PID參數(shù)進行運算，直至機組轉(zhuǎn)速上升至100%額定轉(zhuǎn)速并開始跟蹤系統(tǒng)頻率，自動開機完成，并轉(zhuǎn)入空載狀態(tài)。這種方式雖然能夠保證在開機過程中快速并穩(wěn)定地將機組頻率達到額定頻率，導(dǎo)葉開至空載開度，但不能保證開機過程的整個環(huán)節(jié)全閉環(huán)，自動化水平不高。兩段式開機規(guī)律波形圖如圖1所示。

水輪機調(diào)速器控制領(lǐng)域中PCC控制器逐漸采用智能化開機控制策略，即全閉環(huán)開機規(guī)律。調(diào)速器在開機過程中，根據(jù)水頭值和機組特性在觸摸屏或程序中設(shè)置兩個開限，分別為開機開限和空載開限，開機開限能使機組快速啟動，空載開限能使機組開機超調(diào)量小，并能夠快速并網(wǎng)。機組在開機過程和空載態(tài)時，PCC控制器根據(jù)機組特征與運行工況，能夠不間斷地、適時選擇調(diào)節(jié)參數(shù)，保證機組并網(wǎng)前的穩(wěn)定運行。目前此方式在巨型水電站中使用較少，未來它將會是調(diào)速器控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

圖1　兩段式開機規(guī)律波形圖

2.2　無擾動切換控制策略

目前調(diào)速器電氣部分采用雙套控制器冗余控制，A套控制器控制比例閥，B套控制器控制步進電機。當(dāng)A套主用時，發(fā)出切換閥控制令，控制切換閥切換到比例閥所在油路工作，從而實現(xiàn)比例閥控制，當(dāng)B套主用時，切換閥控制令復(fù)歸，控制切換閥切換到步進電機所在油路工作，從而實現(xiàn)比例閥控制。當(dāng)主控制器工作時，從控制器的開度給定和功率給定跟蹤機組實際值，從而當(dāng)機組發(fā)生A/B套切換時能保證無擾切換。當(dāng)某一套控制器主用時，主用控制器優(yōu)先享有控制權(quán)，備用控制器依然進行采樣運算但輸出結(jié)果不參與控制，自動跟蹤采集輸出，這樣實現(xiàn)無擾動主備切換。調(diào)速器的自動或電手動與開環(huán)機械手動操作方式進行切換、控制模式切換、兩套電源切換、調(diào)速器冗余系統(tǒng)切換時，均能自動跟蹤導(dǎo)葉開度，實現(xiàn)無擾動切換，確保水輪機主接力器的開度變化不超過其全行程的±0.5%。

某水電廠調(diào)速器在系統(tǒng)油壓為6.28 MPa、當(dāng)前水頭為84.36 m、機組功率為300 MW的條件進行各種狀態(tài)切換試驗和控制模式切換試驗，調(diào)速器的開度和功率變化滿足無擾動切換要求，保持油壓裝置壓力正常，機組頻率控制在50 Hz附近，其負載切換試驗記錄如表1所示。

表1　負載切換試驗記錄表

2.3　頻率自動調(diào)節(jié)控制策略

頻率自動控制是水電廠調(diào)速系統(tǒng)中維持有功功率供需平衡的主要措施，其根本目的是保證電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。頻率偏低，使水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降，功率降低，造成機械出力下降；頻率偏高，使水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升，增加功率消耗，嚴重時會導(dǎo)致電網(wǎng)解列崩潰。因此，需對機組頻率進行自動調(diào)節(jié)，維持機組頻率在允許范圍之內(nèi)，提高機組運行的經(jīng)濟性。

按照調(diào)整范圍和調(diào)節(jié)能力的不同，頻率調(diào)整可分為一次調(diào)頻和二次調(diào)頻。水輪機調(diào)速器一般參與電廠的一次調(diào)頻功能，其頻率調(diào)節(jié)模式分為頻率給定和頻率跟蹤兩種。頻率自動調(diào)節(jié)控制策略為：當(dāng)頻率調(diào)節(jié)模式為頻率給定時，調(diào)速器以頻率給定值為目標(biāo)值，進行PID運算，從而驅(qū)動裝置以此輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)值調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，以使機頻等于頻率給定值，從而實現(xiàn)了頻率自動跟蹤頻給。一般情況下，頻率給定值通過軟件設(shè)置或監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)速增減把手進行下發(fā)，空載態(tài)下頻率給定擾動試驗波形圖如圖2和圖3所示，通常機組在運行狀態(tài)下LCU很少對調(diào)速器進行頻率增減操作。當(dāng)頻率調(diào)節(jié)模式切換為頻率跟蹤時，調(diào)速器自動以系統(tǒng)頻率作為目標(biāo)值，調(diào)速器通過PCC控制程序計算頻差從而進行PID運算，在調(diào)節(jié)導(dǎo)葉過程中機頻始終以系統(tǒng)頻率為目標(biāo)，實現(xiàn)機組頻率自動跟蹤電網(wǎng)頻率的功能。調(diào)速器控制柜的操作顯示面板上可以實現(xiàn)手動設(shè)置頻率跟蹤功能的投入與退出，機組在負載運行態(tài)下，控制程序預(yù)先設(shè)定機組頻率的優(yōu)選控制邏輯，一般情況下機組頻率自動跟蹤電網(wǎng)頻率。

圖2　B套主用齒盤測頻擾動試驗波形圖（52～48 Hz）

2.4　功率自動調(diào)節(jié)控制策略

功率調(diào)節(jié)模式適用于機組并網(wǎng)運行、受水電站AGC系統(tǒng)控制的工況。機組在負載態(tài)下功率實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)，其控制模式有功率模擬量給定和功率脈沖量給定兩種。機組并網(wǎng)后，功率控制模式默認為功率模擬量給定方式，當(dāng)功率模擬量給定方式出現(xiàn)故障時控制方式切換為功率脈沖量給定。當(dāng)功率給定方式出現(xiàn)故障時，機組控制模式切除閉環(huán)調(diào)節(jié)，進行半開環(huán)調(diào)節(jié)，同時調(diào)速器切至開度模式，跟蹤調(diào)速器自身的功率采樣值。在功率調(diào)節(jié)模式下，微機調(diào)節(jié)器的開度給定Yc不參與自動閉環(huán)調(diào)節(jié)，它實時跟蹤實際的導(dǎo)葉接力器開度值，使得當(dāng)由功率調(diào)節(jié)模式切換至頻率調(diào)節(jié)或開度調(diào)節(jié)模式時，能實現(xiàn)無擾動切換。

2.5　適應(yīng)式變參數(shù)PID調(diào)節(jié)控制策略

隨著水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被控制系統(tǒng)的非線性特性和工作狀態(tài)及對象參數(shù)的變化，水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)過程及特性也會發(fā)生變化，這會導(dǎo)致有時系統(tǒng)可能不滿足相關(guān)的技術(shù)要求。但是,又不可能人為地針對被控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)和技術(shù)參數(shù)的變化而隨時改變水輪機控制系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)。常規(guī)的PID控制器是線性的，在用于控制具有多種不確定性、時變性和非線性系統(tǒng)時很難獲得滿意的控制品質(zhì)。為了彌補常規(guī)PID控制的缺陷，提高系統(tǒng)的性能，可以采用水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的適應(yīng)式變參數(shù)調(diào)節(jié)模式，水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)本身能夠隨著被控制系統(tǒng)的非線性特性和工作狀態(tài)及對象參數(shù)的變化,自行更換事先擬定好的與之相適應(yīng)的調(diào)節(jié)參數(shù)組合,實時地對水輪機調(diào)速系統(tǒng)中的電液隨動系統(tǒng)的PID參數(shù)進行在線調(diào)整，使PID控制器能根據(jù)輸入變量和負載的變化作變參數(shù)調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)對時變性和不確定性等因素的處理能力和控制。

水電廠調(diào)速器PID調(diào)節(jié)參數(shù)一般分為空載PID參數(shù)、功率模式PID參數(shù)、開度模式一次調(diào)頻PID參數(shù)和孤網(wǎng)模式PID參數(shù)。機組并入大電網(wǎng)運行工況時，按照電網(wǎng)對于一次調(diào)頻的技術(shù)要求，選擇PID參數(shù)，使其滿足規(guī)定的動態(tài)性能指標(biāo)。接受AGC系統(tǒng)的功率給定(或開度給定)指令，采用有開環(huán)增量△P的功率調(diào)節(jié)模式。在編程時一定要使△P為水頭H和接力器行程Y的函數(shù)，即△P對H和Y適應(yīng)式變參數(shù)，否則，在低水頭工況整定的△P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，使得被控機組功率快速而單調(diào)地趨近功率給定 (或開度給定)值。

2.6　調(diào)速器主控邏輯

根據(jù)水輪機微機調(diào)速器對水輪發(fā)電機組的調(diào)節(jié)與控制情況，可將調(diào)速器的工作狀態(tài)分為停機備用態(tài)、空載態(tài)、負載態(tài)、調(diào)相態(tài)等，在上述工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程：開機過程、停機過程和甩負荷。工作狀態(tài)是水輪發(fā)電機組可以穩(wěn)定運行的工況，轉(zhuǎn)換過程實質(zhì)上是屬于水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)過程。微機調(diào)速器各狀態(tài)或過程的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示。

圖4　微機調(diào)速器故障狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系

3　PCC調(diào)速器的現(xiàn)場應(yīng)用

將上述控制策略和研究結(jié)論實際應(yīng)用于某水電廠，對該PCC水輪機調(diào)速器真實數(shù)據(jù)進行閉環(huán)運行和仿真試驗。

（1）分段關(guān)閉試驗。機組在靜水中動作緊急停機電磁閥進行分段關(guān)閉，如圖5所示，曲線1為接力器行程線，曲線2為導(dǎo)葉開度。第1段拐點為56.63%，對應(yīng)接力器行程61.00%,第1段關(guān)閉時間為3.43 s；第2段拐點為5.88%，對應(yīng)接力器行程為9.77%,第2段關(guān)閉時間為10.10 s,第2段關(guān)閉至20%開度時間為7.11 s。

圖5　調(diào)速器接力器分段關(guān)閉曲線

（2）甩負荷試驗。機組處于大系統(tǒng)狀態(tài)，甩75%額定負荷波形如圖6所示，其中曲線1是頻率線，曲線2是導(dǎo)葉開度線。

圖6　調(diào)速器甩75%額定負荷波形圖

（3）過速試驗。機組在正常運行期間，人為手動增加轉(zhuǎn)速至電氣二級過速動作值，使其水機后備保護的過速保護動作，如圖7所示，曲線1為導(dǎo)葉開度線，曲線2為頻率線，曲線3為主配位置線。如圖所示，導(dǎo)葉從空載開度15.2%～93%時共用時29 s，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到148%時其對應(yīng)的最大開度為93%，導(dǎo)葉關(guān)閉時第1拐點為57%，關(guān)閉過程中導(dǎo)葉開度停留在20%開度的時間約為4.4 s。

圖7　過速試驗波形圖

4　結(jié)束語

PCC式水輪機調(diào)速器的控制策略在技術(shù)上有重要創(chuàng)新，具有高可靠性、高技術(shù)性能的特點，設(shè)計合理，運行和調(diào)節(jié)控制效果良好，運行穩(wěn)定可靠，基于適應(yīng)式參數(shù)自調(diào)整PID控制策略和全閉環(huán)開機規(guī)律，實現(xiàn)水力機組工況的最佳調(diào)節(jié)，其動態(tài)特性有了明顯改善，提高了調(diào)速器的可靠性和安全性，從而有效地保證了水電站機組的長時間穩(wěn)定安全運行，對提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和經(jīng)濟運行有重要意義。

參考文獻：

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