YWT—1000 16型調(diào)速器在機(jī)組改造工程中的應(yīng)用研究

唐宏亮

摘 要：根據(jù)保流機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題，通過(guò)改造工程集中解決調(diào)速器的穩(wěn)定問(wèn)題。該文首先從電氣與機(jī)械結(jié)構(gòu)、調(diào)速系統(tǒng)工作原理入手了解YWT-1000/16型微機(jī)調(diào)速器，進(jìn)而逐步研究其性能及穩(wěn)定性。隨后深入分析該調(diào)速器的開(kāi)停機(jī)規(guī)律及其調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)，依據(jù)九點(diǎn)控制原理優(yōu)化調(diào)節(jié)品質(zhì)，并通過(guò)開(kāi)機(jī)曲線技術(shù)使得機(jī)組空載無(wú)須考慮水頭問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：調(diào)速器；調(diào)節(jié)系統(tǒng)；開(kāi)機(jī)規(guī)律

中圖分類號(hào)：TK414.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

調(diào)速器被稱為水電機(jī)組的心臟，由于調(diào)速器是調(diào)節(jié)頻率的裝置，優(yōu)秀的調(diào)節(jié)品質(zhì)決定了生產(chǎn)的電能的質(zhì)量。該文中提到的保流機(jī)組位于黑龍江省牡丹江干流上，保流機(jī)組于1996年投產(chǎn)發(fā)電，目前調(diào)速系統(tǒng)陳舊老化嚴(yán)重，性能指標(biāo)已達(dá)不到原設(shè)計(jì)要求，有些設(shè)備存在安全隱患，機(jī)械和電氣故障頻發(fā)。由于原調(diào)速器電液系統(tǒng)老化，導(dǎo)致調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)品質(zhì)明顯下降。在2017年6月份蓮花電廠1#、2#保流機(jī)組增效擴(kuò)容改造工程中，對(duì)2臺(tái)保流機(jī)調(diào)速器進(jìn)行全面的調(diào)試和分析。由于現(xiàn)在電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)組的可靠性和穩(wěn)定性要求越來(lái)越高，原調(diào)速器的主要缺陷急需解決，主要包括滑閥系統(tǒng)對(duì)油質(zhì)要求高，油混水現(xiàn)象導(dǎo)致隨動(dòng)系統(tǒng)故障，嚴(yán)重則導(dǎo)致機(jī)組過(guò)速。開(kāi)機(jī)規(guī)律采用開(kāi)環(huán)控制，由于水頭不同導(dǎo)致開(kāi)機(jī)過(guò)程不平穩(wěn)、并網(wǎng)時(shí)間較長(zhǎng)。共用大廠高、低壓氣系統(tǒng)，氣系統(tǒng)管路冗長(zhǎng)煩瑣導(dǎo)致維護(hù)困難，且不美觀。

1 YWT-1000/16型微機(jī)調(diào)速器的結(jié)構(gòu)與配置

調(diào)速器系統(tǒng)由電氣和機(jī)械2個(gè)部分組成，電氣系統(tǒng)配置包括三菱FX3U系列PLC，電液轉(zhuǎn)換器采用數(shù)字閥，電氣反饋為直線位移傳感器，硬件配置包括電源系統(tǒng)、供繼電器、電磁閥及人機(jī)界面、測(cè)頻裝置、導(dǎo)葉反饋。機(jī)械液壓系統(tǒng)主要包括數(shù)字式電磁換向閥、緊急停機(jī)電磁閥、節(jié)流閥、減壓電磁閥、制動(dòng)電磁閥、壓力管路過(guò)濾器、主接力器、導(dǎo)葉接力器反饋裝置。油壓裝置為組合式，如圖1所示。油壓等級(jí)為高油壓，包括回油箱、高壓齒輪油泵、氣囊式儲(chǔ)能器、溢流閥等組成，接力器為外置形式。

2 調(diào)速系統(tǒng)工作原理

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)本質(zhì)非線性、參數(shù)時(shí)變的非最小相位系統(tǒng)，其控制性能、指標(biāo)與穩(wěn)定性是關(guān)鍵問(wèn)題。由于水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變且存在隨機(jī)擾動(dòng)而又相對(duì)快速的控制系統(tǒng)，采用PID控制規(guī)律。結(jié)構(gòu)上采用“積木”式模塊結(jié)構(gòu)，具有限時(shí)多任務(wù)功能，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度及可靠性。如圖2所示，導(dǎo)葉反饋裝置將導(dǎo)葉位置電信號(hào)傳送給A/D模塊轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，獲取導(dǎo)葉位置信號(hào)及有功信號(hào)。由開(kāi)關(guān)量輸入模塊采集二次的開(kāi)機(jī)、停機(jī)、功率增加、功率減少等命令。CPU按調(diào)節(jié)規(guī)律分析計(jì)算出相應(yīng)的導(dǎo)葉控制信號(hào)及狀態(tài)信號(hào)（包括故障），送入輸出模塊完成控制輸出和狀態(tài)輸出。通信單元負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，發(fā)送或接受上位機(jī)的命令。

3 YWT-1000/16型調(diào)速器性能調(diào)試及穩(wěn)定性分析

3.1 調(diào)速器抗擾動(dòng)能力測(cè)試

測(cè)試設(shè)備斷線擾動(dòng)和導(dǎo)葉變化值；在空載工況下人為斷開(kāi)機(jī)頻，觀察故障報(bào)警和接力器變化情況。導(dǎo)葉接力器保持空載開(kāi)度不變，若在開(kāi)機(jī)過(guò)程中斷機(jī)頻，導(dǎo)葉接力器應(yīng)關(guān)至安全空載開(kāi)度；在負(fù)載工況下，斷開(kāi)機(jī)頻、網(wǎng)頻，檢查測(cè)頻故障燈是否亮，并觀察接力器行程變化情況。導(dǎo)葉接力器行程應(yīng)不變；斷開(kāi)導(dǎo)葉接力器反饋、記錄接力器行程變化情況，導(dǎo)葉接力器行程應(yīng)不變。試驗(yàn)參數(shù)：機(jī)頻：Fj=50.00 Hz，網(wǎng)頻：Fw=50.00 Hz，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)：bp=0，暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)：bt=60，緩沖時(shí)間常數(shù)：Td=12，微分時(shí)間常數(shù)：Tn=0.2。

試驗(yàn)結(jié)論：見(jiàn)表1，調(diào)速器對(duì)各種擾動(dòng)的處理過(guò)程表現(xiàn)良好，符合要求。

3.2 調(diào)速器穩(wěn)定性測(cè)試

機(jī)組沖水后，將柜體面板上的導(dǎo)葉切換把手切至“手動(dòng)”，此時(shí)觸摸屏監(jiān)視畫面顯示“導(dǎo)葉手動(dòng)”，PLC開(kāi)始跟蹤導(dǎo)葉開(kāi)度；將導(dǎo)葉開(kāi)至安全空載開(kāi)度的1.3～1.5倍開(kāi)度，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)頻上升至40 Hz左右將導(dǎo)葉關(guān)回至安全空載開(kāi)度，然后，微調(diào)導(dǎo)葉開(kāi)度，使機(jī)組頻率逐漸穩(wěn)定在50 Hz，完成開(kāi)機(jī)過(guò)程。頻率穩(wěn)定后，檢測(cè)機(jī)組3 min內(nèi)的頻率擺動(dòng)。手動(dòng)停機(jī)：將導(dǎo)葉開(kāi)度關(guān)至0 %，機(jī)頻逐漸將至0 Hz，停機(jī)完成。

Fmin=49.85 Hz

Fmax=49.96 Hz

（Fmin-50）/50=-0.30 %

（Fmax-50）/50=-0.08 %

-0.30%≤△f≤-0.08 %

（Fmin：最小頻率，F(xiàn)max：最小頻率，△f：頻差）

3.3 調(diào)速器在空載運(yùn)行情況下的頻率擺動(dòng)值

永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp、暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt、緩沖時(shí)間常數(shù)Td、微分時(shí)間常數(shù)Tn、置空載運(yùn)行參數(shù)，頻給=50 Hz，機(jī)組在自動(dòng)空載工況下運(yùn)行。在機(jī)組處于自動(dòng)空載工況時(shí)，測(cè)量機(jī)頻在3 min內(nèi)的頻率擺動(dòng)，即最高頻率和最低頻率，機(jī)頻擺動(dòng)對(duì)于大型機(jī)組應(yīng)不超過(guò)±0.15 %，對(duì)于中小型機(jī)組應(yīng)不超過(guò)±0.25 %，如果頻率擺動(dòng)超出范圍，可調(diào)節(jié)PID優(yōu)化參數(shù)比例增益Kp、微分增益KI、積分增益Kd

Bp=0，BT=60，TD=12，TN=0.2，E=0，Kp=1.2，Ki=1.3，Kd=1.0，F(xiàn)max=50.05 Hz Fmin=49.94 Hz

（Fmin-50）/50=-0.10 %≤△f≤（Fmax-50）/50=0.15 %

4 新老調(diào)速器的開(kāi)機(jī)、停機(jī)規(guī)律分析

4.1 YWT-1000/16型調(diào)速器開(kāi)機(jī)規(guī)律

4.1.1 基本開(kāi)機(jī)特性：模型參考閉環(huán)開(kāi)機(jī)規(guī)律

在開(kāi)機(jī)過(guò)程中，調(diào)速器始終處于閉環(huán)控制。其頻率給定值由參考模型給定，它是一條機(jī)組轉(zhuǎn)速上升的理想過(guò)程線，實(shí)際的機(jī)組轉(zhuǎn)速跟蹤這一期望特性逐步升高；與開(kāi)環(huán)開(kāi)機(jī)規(guī)律相比，此種開(kāi)機(jī)規(guī)律啟動(dòng)快速，又不會(huì)過(guò)速。此開(kāi)機(jī)規(guī)律無(wú)須設(shè)置開(kāi)機(jī)頂點(diǎn)，任何有效水頭都可快速開(kāi)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，fe：額定頻率，f：開(kāi)機(jī)頻率，Y：導(dǎo)葉開(kāi)度，t：開(kāi)機(jī)時(shí)間。如圖3所示。

4.1.2 模型參考閉環(huán)開(kāi)機(jī)與開(kāi)環(huán)開(kāi)機(jī)規(guī)律的比較

開(kāi)環(huán)開(kāi)機(jī)規(guī)律實(shí)質(zhì)上是對(duì)機(jī)組頻率進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，因此需要具有空載開(kāi)度的資料，而該資料往往不夠精確，這也使得開(kāi)機(jī)規(guī)律不夠理想。開(kāi)環(huán)開(kāi)機(jī)規(guī)律的開(kāi)機(jī)頂點(diǎn)難以確定，其受控于水頭變化，需要知道不同水頭下的空載開(kāi)度。模型參考閉環(huán)開(kāi)機(jī)規(guī)律有效地克服了上述開(kāi)環(huán)開(kāi)機(jī)的不足。在模型參考閉環(huán)開(kāi)機(jī)規(guī)律中，機(jī)組轉(zhuǎn)速始終處于控制之下，按期望的轉(zhuǎn)速上升，接力器行程只是一個(gè)受轉(zhuǎn)速控制的被動(dòng)因素；在開(kāi)環(huán)開(kāi)機(jī)規(guī)律中，接力器行程是一個(gè)主動(dòng)因素，因此存在一些不定因素。

4.2 YWT-1000/16型調(diào)速器停機(jī)規(guī)律

（1）接到停機(jī)指令后，導(dǎo)葉即由此時(shí)的開(kāi)度，以第一停機(jī)速度將導(dǎo)葉關(guān)閉。

（2）導(dǎo)葉關(guān)閉至20 %（可以調(diào)整）開(kāi)度時(shí)，即以第二停機(jī)速度將導(dǎo)葉關(guān)閉至全關(guān)位置，如圖4所示Y：導(dǎo)葉開(kāi)度，t：時(shí)間，a點(diǎn)空載，b點(diǎn)關(guān)20 %，c點(diǎn)停機(jī)。

5 YWT系列調(diào)速器的調(diào)節(jié)與控制

數(shù)字閥的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)油液的污染不敏感，工作可靠。主接力器在電磁閥控制下往返運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)關(guān)。導(dǎo)葉接力器反饋裝置對(duì)應(yīng)的輸出為直流0 V～10 V。該調(diào)速器采用了一種新型PID控制器——九點(diǎn)控制器（基本型邏輯控制器），根據(jù)偏差與偏差變化率實(shí)際運(yùn)行狀況抽象成9個(gè)工況點(diǎn)（增強(qiáng)、稍加、弱加、微加、保持、微減、弱減、稍減、強(qiáng)減9種工況），從而給出相應(yīng)的控制策略并進(jìn)行有效控制。由于控制作用取決于被控對(duì)象的工況，因此相對(duì)被控對(duì)象具有適應(yīng)性。

該型調(diào)速器具有頻率調(diào)節(jié)、開(kāi)度調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)3種控制模式。采用頻率調(diào)節(jié)模式時(shí)，分為跟蹤頻給和跟蹤網(wǎng)頻的方式。跟蹤網(wǎng)頻方式運(yùn)行時(shí)可實(shí)現(xiàn)機(jī)組頻率跟蹤電網(wǎng)頻率，保證機(jī)組頻率與電網(wǎng)頻率一致，便于并網(wǎng)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)YWT-1000/16型水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器進(jìn)行抗擾動(dòng)能力、穩(wěn)定性和控制能力的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。經(jīng)過(guò)實(shí)踐和對(duì)比，新型調(diào)速器性能指標(biāo)表現(xiàn)良好。我廠保流機(jī)組位于地下廠房，工作環(huán)境潮濕，調(diào)速器油質(zhì)無(wú)法得到保證這一問(wèn)題，采用數(shù)字閥可以解決這一問(wèn)題。避免了由于油質(zhì)乳化導(dǎo)致隨動(dòng)系統(tǒng)故障，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組過(guò)速。采用模型參考閉環(huán)開(kāi)機(jī)規(guī)律使開(kāi)機(jī)規(guī)律更合理，與我廠其他型號(hào)調(diào)速器不同，無(wú)須設(shè)置開(kāi)機(jī)頂點(diǎn)即開(kāi)機(jī)開(kāi)度，因此新型調(diào)速器不受水頭變化的制約。因此YWT-1000/16型水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器完全滿足現(xiàn)在水電站調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求，可以穩(wěn)定、可靠、長(zhǎng)期保證機(jī)組安全運(yùn)行。

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