水輪發(fā)電機調(diào)節(jié)系統(tǒng)自適應控制策略

凌勝軍

（國投甘肅小三峽發(fā)電有限公司，蘭州730050）

水輪發(fā)電機調(diào)節(jié)系統(tǒng)是電液調(diào)節(jié)裝置和被控系統(tǒng)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，被控系統(tǒng)是調(diào)節(jié)裝置所控制的對象[1]，包括水輪發(fā)電機、引水管道、泄水管道等。電液調(diào)節(jié)是為實現(xiàn)水輪發(fā)電機控制的電氣、機械液壓、指示儀表等設備，包括控制器、電液轉換器、液壓放大設備、液壓閥組、表計等。水輪發(fā)電機調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動控制機組的轉速；機組負荷調(diào)整，正常開停機，事故停機；滿足電網(wǎng)對水電站機組AGC，一次調(diào)頻等控制要求。

自適應控制策略是指在系統(tǒng)運行、處理和分析過程中，根據(jù)外部環(huán)境或自身的變化，不斷采集控制設備和控制過程的信息，確定被控設備的狀態(tài)，調(diào)整控制方式與控制參數(shù)等，使控制與所處理數(shù)據(jù)信息的特征相適應，取得最佳的控制效果，產(chǎn)生自適應控制策略。水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)涉及電網(wǎng)、管道、水頭及機組等，有開停機、空載及發(fā)電等多種工況的變化，調(diào)節(jié)系統(tǒng)與水輪發(fā)電機控制品質(zhì)相關，關系到電網(wǎng)的供電質(zhì)量，電網(wǎng)安全及水輪發(fā)電機自身的質(zhì)量安全，調(diào)節(jié)系統(tǒng)要識別機組工況的變化，電網(wǎng)的變化，水頭的變化及調(diào)節(jié)系統(tǒng)自身的變化與故障，具備自動適應的控制策略，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的自適應控制策略包括調(diào)節(jié)模式，頻率調(diào)節(jié)，水頭及系統(tǒng)自身。

1 調(diào)節(jié)模式的自適應控制策略

水輪發(fā)電機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)模式主要有頻率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)3 種。水輪發(fā)電機調(diào)節(jié)模式轉換如圖1所示，調(diào)節(jié)模式的自適應控制策略在這3 種模式之間進行。開度模式的調(diào)節(jié)目標是導葉開度，功率模式的調(diào)節(jié)目標是機組的有功功率，開度模式和功率模式都是在機組并網(wǎng)帶負荷的情況，開度模式和功率模式可通過把手或LCU 增減繼電器的脈沖方式實現(xiàn)，功率模式還可通過與LCU 的通信或硬接線的模擬量方式實現(xiàn)，正常發(fā)電并網(wǎng)時調(diào)節(jié)系統(tǒng)在開度模式或功率模式。頻率模式的調(diào)節(jié)目標是機組的頻率，頻率模式是調(diào)節(jié)系統(tǒng)在開機至空載及機組并網(wǎng)帶負荷時出現(xiàn)，機組甩負荷后的調(diào)節(jié)也是頻率模式。

圖1 水輪發(fā)電機調(diào)節(jié)模式轉換圖Fig.1 Adjustment schema translation diagram of hydraulic generator

機組出口斷路器合上并網(wǎng)后調(diào)節(jié)系統(tǒng)在開度模式或功率模式，當頻率超差距離50 Hz 較大時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過自適應將模式切至頻率模式；當頻率超差距離50 Hz 較小時，又自動切換至開度調(diào)節(jié)或功率調(diào)節(jié)模式。當調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作在功率模式，系統(tǒng)檢測到功率傳感器測量值或變化率超過了系統(tǒng)設置的范圍，判斷功率傳感器故障，將自動切換至開度模式。

頻率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)及功率調(diào)節(jié)是水輪發(fā)電機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)模式，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)機組頻率、斷路器及傳感器等來自動適應調(diào)節(jié)模式的控制策略，滿足水輪發(fā)電機調(diào)節(jié)控制的要求。

2 頻率調(diào)節(jié)的自適應控制策略

頻率調(diào)節(jié)是水輪發(fā)電機經(jīng)常出現(xiàn)的調(diào)節(jié)模式，機組開機至45 Hz 再到空載狀態(tài)工作在頻率模式，將機組控制在50 Hz，便于盡快的并網(wǎng)，減少同期的時間。并網(wǎng)發(fā)電時的頻率調(diào)節(jié)模式是由電網(wǎng)頻率偏差引起，除機組在開機空載時的頻率調(diào)節(jié)是正常狀態(tài)，并網(wǎng)時的頻率調(diào)節(jié)是水輪發(fā)電機不穩(wěn)定的調(diào)節(jié)模式，當調(diào)節(jié)系統(tǒng)檢測到頻率偏差較大時，根據(jù)控制策略自動切至頻率調(diào)節(jié)模式，頻率調(diào)節(jié)模式主要是一次調(diào)頻和孤網(wǎng)。

2.1 一次調(diào)頻的頻率調(diào)節(jié)模式

一次調(diào)頻是水輪發(fā)電機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本功能，機組發(fā)電并網(wǎng)運行時，當電網(wǎng)頻率偏差超過水輪發(fā)電機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率設置死區(qū)時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)靜態(tài)特性，按照設置的永態(tài)轉差系數(shù)改變水輪發(fā)電機導葉和槳葉的開度[2]，從而改變機組的功率，改善電網(wǎng)頻率的偏差，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性是機頻相對值與導葉接力器行程相對值之間的關系曲線，對于水輪發(fā)電機，其導葉接力器行程相對值與有功功率值基本對應，靜態(tài)特性也可理解為機頻相對值與有功功率值之間的關系曲線。調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻死區(qū)設定值不大于0.05 Hz，水輪發(fā)電機調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應速度快，動作靈敏性高，能夠快速的自動適應電網(wǎng)頻率偏差，完成一次調(diào)頻控制，保證電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。

2.2 孤網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)模式

孤網(wǎng)運行指電網(wǎng)中只有一臺機組或本臺機組容量在當前電網(wǎng)容量的比重較大[3]，是水輪發(fā)電機組與大電網(wǎng)解列或部分線路跳開，機組的出口斷路器仍然閉合帶少量負荷或廠用電的運行方式，電網(wǎng)頻率偏差50 Hz 的量或頻率變化速率超過孤網(wǎng)設定值，調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動進入孤網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)模式，孤網(wǎng)是事故情況或暫時性的運行方式。

調(diào)節(jié)系統(tǒng)的孤網(wǎng)模式應進行模擬和實際的電網(wǎng)試驗。孤網(wǎng)控制參數(shù)模擬試驗，當機組空載運行時，通過短接斷路器和頻率擾動使調(diào)節(jié)系統(tǒng)識別并進入孤網(wǎng)運行，按照孤網(wǎng)的經(jīng)驗參數(shù)或在模擬情況下頻率擾動獲得的參數(shù)，再進行實際電網(wǎng)的孤網(wǎng)試驗，機組在大電網(wǎng)中帶不少于25%的額定負荷運行，通過線路側斷路器的操作使調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足孤網(wǎng)條件，試驗中記錄頻率、功率、導葉行程等數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)的孤網(wǎng)參數(shù)。水輪發(fā)電機調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制策略應自動識別，判斷孤網(wǎng)頻率偏差和速率偏差，孤網(wǎng)以頻率調(diào)節(jié)為目標，要求在孤網(wǎng)時調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠控制機組穩(wěn)定運行，頻率不能有大幅的波動，孤網(wǎng)運行時頻率本身已不穩(wěn)定，此時調(diào)節(jié)系統(tǒng)閉鎖一次調(diào)頻，即孤網(wǎng)時一次調(diào)頻的判斷和調(diào)節(jié)不起作用，避免機組的頻繁調(diào)節(jié)使頻率更不穩(wěn)定或引起電網(wǎng)事故。

3 水頭的自適應控制策略

3.1 水頭與負載時接力器開度協(xié)聯(lián)關系的自適應

水頭與負載時接力器開度的協(xié)聯(lián)關系為水輪發(fā)電機的水頭特性曲線，表示水輪發(fā)電機在轉速、接力器開度為常數(shù)時，流量、效率、功率與水頭的關系，水輪發(fā)電機水頭關系曲線如圖2所示，圖2 中（a），（b），（c）分別為流量曲線、效率曲線、功率曲線。橫坐標為水頭數(shù)據(jù)；縱坐標分別是流量、效率、功率數(shù)據(jù)；曲線為導葉接力器開度；Hx為各導葉開度下從相應的空載水頭引出點。

流量曲線圖2（a），當接力器開度較小時，流量與水頭基本為線性；當接力器開度較大時，流量與水頭為非線性，流量整體隨接力器開度增大而增加，導葉接力器從相應的空載水頭引出，空載開度隨水頭變化不同。效率曲線圖2（b），當接力器開度較小時，水輪發(fā)電機效率較低；當水頭低于最高效率點時，水輪發(fā)電機的效率下降的急促；當水頭高于最高效率點時，水輪發(fā)電機效率變化較平緩[4]。功率曲線圖2（c），水頭與功率接近直線，功率整體隨接力器開度的增加而增加，接力器開度在高于空載水頭Hx時引出，即大于空載開度時水輪發(fā)電機產(chǎn)生功率。

圖2 水輪發(fā)電機水頭關系曲線Fig.2 Water head relation curve of hydraulic generator

水頭與效率、流量及功率相關，機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制策略自動適應水頭的變化，控制接力器開度，并在滿足功率和流量的情況下，使機組在高效率區(qū)間運行，同時，做到電站各機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)整體優(yōu)化的策略，實現(xiàn)水輪發(fā)電機導葉接力器開度隨水頭綜合性能的最大化。

3.2 水頭與啟動開度限制、空載開度限制及負載開度限制的接力器開度協(xié)聯(lián)關系的自適應

啟動開度限制是機組開機時使轉速快速提高的接力器最大開度；空載開度限制是機組在接近50 Hz 時，讓機組穩(wěn)定在空載狀態(tài)下的接力器最大開度；負載開度限制是機組發(fā)電并網(wǎng)時接力器的最大開度。啟動、空載及負載各開度限制的接力器開度都與水頭相關，保護機組不會過速或過負荷并能夠快速穩(wěn)定運行，水頭與各開度限制的接力器開度協(xié)聯(lián)關系按照插值運算的自動控制來適應，調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸入幾條不同的水頭數(shù)據(jù)，這些水頭包括水輪發(fā)電機設計的所有水頭數(shù)據(jù)或滿足計算要求的幾條水頭數(shù)據(jù)，不同的水頭數(shù)據(jù)對應不同的接力器開度，機組實際運行的水頭是按照插值計算的，系統(tǒng)輸入的原始水頭數(shù)據(jù)越多計算出的實際水頭越準確。接力器各開度限制值設置時，按照水頭高開度限制小，水頭低開度限制大的規(guī)律。

機組運行中，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)水頭數(shù)據(jù)調(diào)用接力器對應的開度值，機組長期運行后可根據(jù)實際情況，調(diào)節(jié)系統(tǒng)修改水頭的協(xié)聯(lián)關系，開度限制更好的適應水頭的實際值，按照水頭變化、機組工況變化自動適應啟動開度限制、空載開度限制及負載開度限制的控制。

4 調(diào)節(jié)系統(tǒng)自身的自適應控制策略

調(diào)節(jié)系統(tǒng)自身的自適應控制策略是指與調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行元件、反饋元件及被控系統(tǒng)故障或變化情況下自動適應的控制策略。

4.1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行元件

調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行元件包括主配壓閥、電液轉換器、接力器。電液轉換器作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一級液壓放大元件，主配壓閥和接力器作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的二級液壓放大元件[5]，接力器作用于導葉和槳葉，驅動水輪發(fā)電機打開或關閉。

4.1.1 主配壓閥故障的自適應控制

主配壓閥通過活塞的上下移動，控制壓力油的流向和流量，進而控制接力器的方向和速度[6]，是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心元件，主配壓因操作壓力油或閥套磨損等原因，引起閥芯動作不靈活，出現(xiàn)拒動的故障現(xiàn)象，主配拒動的故障信號是安裝在主配閥芯開腔側的行程開關發(fā)出的，調(diào)節(jié)系統(tǒng)正常時主配閥芯與行程開關有一定間隙[7]，當閥芯向開方向動作時觸碰行程開關發(fā)出主配拒動的故障信號，即正常調(diào)節(jié)時可能發(fā)出主配拒動故障，而主配實際卡阻觸碰行程開關也會發(fā)出主配拒動信號。因此，主配拒動故障信號結合轉速升高和負荷變化來做自適應控制。機組在開機未并網(wǎng)時，出現(xiàn)轉速升高與主配拒動故障信號可啟動機組緊急停機流程；機組在并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)，出現(xiàn)負荷異常波動（無外部增減信號）與主配拒動可將機組停機再進行檢查；機組正常運行時，未出現(xiàn)轉速升高或負荷異常波動，對主配拒動的故障信號可不做處理。

主配壓閥的可靠性較高，出現(xiàn)主配拒動的故障現(xiàn)象較少，主配拒動對于調(diào)節(jié)系統(tǒng)和水輪發(fā)電機是較大的隱患，而主配拒動的識別較困難，依靠行程開關并不準確并容易造成誤判。主配壓閥帶有反饋傳感器，主配壓閥依靠伺服比例閥或脈沖閥控制，將主配壓閥、伺服比例閥、步進電機、主接力器和脈沖閥各反饋及電氣控制信號在調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)進行分析、比較、判斷，使用程序來識別主配拒動，提高主配拒動判斷的準確性、可靠性，更好的控制主配壓閥。

4.1.2 電液轉換器故障時的自適應控制

電液轉換器是完成電氣控制與液壓控制的轉換元件，是調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)生故障較多的元件，調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常設計兩套電液轉換元件，如圖3所示，電液轉換器采用伺服比例閥，兩套并聯(lián)互為冗余運行，控制油源同時接入兩套伺服比例閥，一套為主用輸出，另一套為備用不做輸出，兩套的輸出再同時接入伺服比例閥的切換電磁閥，備用的伺服比例閥控制油壓在切換電磁閥的截止位，當主用的伺服比例閥故障時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動將控制權切為備用的伺服比例閥，同時伺服比例閥的切換電磁閥動作，將備用的控制油壓至導通位，原主用的控制油壓至截止位，以備用的伺服比例閥實現(xiàn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的液壓控制，依靠冗余實現(xiàn)電液轉換器的自適應控制。

圖3 冗余伺服比例閥液壓控制圖Fig.3 Redundancy hydraulic control diagram of proportional servo valve

4.2 反饋元件的自適應控制策略

4.2.1 接力器行程反饋元件

水輪發(fā)電機導葉、槳葉接力器的行程反饋，是調(diào)節(jié)系統(tǒng)動作執(zhí)行情況的依據(jù)，也是控制調(diào)節(jié)的體現(xiàn)和反應，反饋元件在調(diào)節(jié)系統(tǒng)的故障中占比較高，為提高反饋信號的可靠性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用冗余方式的行程反饋設計，導葉、槳葉分別配置2 個性能參數(shù)相同的傳感器互為冗余，傳感器的輸出一致，一個反饋傳感器作為主用，另一個作為備用，以主用作為導葉、槳葉行程的判斷依據(jù)，當控制系統(tǒng)檢測到主用傳感器故障時，將備用傳感器切為主用作為判斷輸出的依據(jù)。

部分調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用一個反饋傳感器，當傳感器出現(xiàn)斷線、越限及跳變等故障時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)當前機組的狀態(tài)來自動適應控制策略；當機組在開機、空載及空轉狀態(tài)時出現(xiàn)接力器反饋故障，調(diào)節(jié)系統(tǒng)關閉機組或切手動關閉，再檢查反饋傳感器；當機組在并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)時出現(xiàn)傳感器故障，機組可保持當前狀態(tài)不變，調(diào)節(jié)系統(tǒng)在自動方式不做輸出控制或切至手動方式運行，再進一步檢查處理。

4.2.2 頻率反饋元件的自適應控制策略

調(diào)節(jié)系統(tǒng)的機組頻率反饋通常采用PT 殘壓測頻與齒盤測頻互為冗余，當一路測頻信號消失時采用另一路測頻[8]，調(diào)節(jié)系統(tǒng)能根據(jù)頻率信號的強弱或機組不同狀態(tài)采用不同的測頻反饋，當機組大修的首次開機或長時間停機的機組，PT 殘壓測頻較低達不到采集要求，或機組在低轉速時殘壓測頻幅值較低，采集分析不準確，這些情況調(diào)節(jié)系統(tǒng)使用齒盤測頻。在機組啟動后及空載、發(fā)電狀態(tài)時殘壓測頻穩(wěn)定可靠，調(diào)節(jié)系統(tǒng)使用殘壓測頻。當PT 殘壓與齒盤均故障時，在開機、空載狀態(tài)時關閉導葉或至空載位置并切手動，在并網(wǎng)時將網(wǎng)頻作為機頻信號用于控制調(diào)節(jié)或切手動控制，再進一步檢查處理。滿足機組不同狀態(tài)及測頻元件的狀態(tài)自動適應的控制策略。

4.3 被控系統(tǒng)故障的自適應控制

被控系統(tǒng)包括水輪發(fā)電機、引水管道、泄水管道，引水和泄水管道為混凝土澆筑不可改變，被控系統(tǒng)主要是水輪發(fā)電機，被控系統(tǒng)故障是水輪發(fā)電機的各類事故信號，調(diào)節(jié)系統(tǒng)應能夠識別各類故障情況。機械事故指機組軸承溫度過高、低油壓、振動、擺動異常等；電氣事故指機組差動、過電流、失磁等，出現(xiàn)機械與電氣事故時調(diào)節(jié)系統(tǒng)的緊急停機閥應立刻動作，防止機組轉速升高。發(fā)生機組過速、手動按鈕的緊急事故，除調(diào)節(jié)系統(tǒng)的緊急停機閥立刻動作外，還應啟動事故配壓閥、重錘關機或關閉主進水閥。調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠準確自動識別水輪發(fā)電機的各類故障，實施準確的控制策略，防止事故和故障的擴大化，減少事故和故障帶來的損害。

5 結語

水輪發(fā)電機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的自適應控制策略是根據(jù)外部與系統(tǒng)自身的變化或故障，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的程序自動計算和分析識別，改變調(diào)節(jié)參數(shù)、調(diào)節(jié)規(guī)律及調(diào)節(jié)方式，改變系統(tǒng)的控制輸出，滿足頻率、水頭及元件等不確定性，達到最符合的控制狀態(tài)。水電站水輪發(fā)電機自適應控制策略在孤網(wǎng)的頻率控制模式，水頭與接力器開度的協(xié)聯(lián)關系方面還可進一步試驗、調(diào)整及優(yōu)化，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)自適應控制策略的可靠性、安全性及穩(wěn)定性。