樂灘電站調速器系統介紹

林 成 海

（廣西桂冠開投電力有限責任公司，廣西 忻城 546205）

1 前言

樂灘水電站位于廣西忻城縣，是紅水河十梯級開發的第八級，電站裝機4×150 MW。4臺機組調速器采用的是武漢事達電氣股份有限公司設計制造的PFWST-200-6.3-STARS型調速器。機械結構為進口GE臥式主配壓閥＋單比例閥；電氣結構為雙PLC電氣冗余＋工控機。

2004年12月第一臺機組投入商業運行后，由于比例閥對油質要求較高，發生過比例閥卡阻現象。且原調速器沒有純機械手操機構，無法進行純機械操作，調試時需要有電氣配合，增加了調試難度。此外，調速器還存在不明原因的溜負荷現象，控制液壓油路的竄油也比較突出，導致機組的壓油泵啟動頻繁、壓力油系統溫度較高(最高溫度達58℃)，嚴重影響了設備安全穩定運行。

鑒于調速器運行中的上述問題，武漢事達電氣股份有限公司研制了帶自復中功能的比例閥控制系統，對原有調速器進行了改造，解決了原調速器溜負荷和竄油現象。同時，增強了電氣部分的智能控制功能。下面對改造后調速器的帶自復中功能的比例閥控制系統及電氣智能控制功能做簡要介紹。

2 機械液壓系統工作原理

原調速器采用比例閥單獨控制方式。比例閥雖然其動態品質較優，但對系統的油質要求較高，需要高精度的過濾裝置，在現場還須經常性維護和定期檢測油質。減少由于現場油質不潔而出現卡阻的現象，這是目前調速器現場運行中存在的難點之一。

經過經濟、技術和性能比較后，采用比例閥加自復中手動操作機構冗余方式，機械手操機構上方增加了一個伺服控制系統，使自復中控制系統具備了電動功能，完全替代比例閥控制系統進行日常運行控制，是真正的雙套控制冗余系統。當比例閥因故不能正常使用時可以切換至自復中控制回路，由伺服電機來控制機組運行。改造后的調速器總體結構如圖1。

圖1 改造后調速器機械液壓原理框圖

2.1 比例閥控制回路

比例閥是一種按輸入電氣信號連續控制液流方向和流量的電液控制閥，由其控制主配壓閥來操縱接力器。工作原理為：手自動切換閥（303EV）處于自動位，或給切換閥通電，A1與A3油路相通，這時切除了液壓反饋機構（自復中控制回路）的油路。比例閥（301PV）的控制腔A1通過緊急停機電磁閥（301EV）與主配壓閥（301DV）的控制腔 A4相連，接力器的運動由比例閥控制。當比例閥輸出壓力油時，主配壓閥控制腔的油壓上升，主活塞向下運動，接力器開啟。當比例閥與回油相連時，主配壓閥的控制腔的壓力下降，在下部恒壓腔的油壓作用下，將主配壓閥的主活塞抬起，接力器關機。

2.2 自復中控制回路

手動操作機構設置有把手，操作把手旋轉，即可驅動主配壓閥的活塞上下運動，從而輸出壓力控制接力器的開啟和關閉。其工作原理為：手自動切換閥（303EV）處于手動位，A2與A3相通，液壓反饋機構的控制腔A2通過緊急停機電磁閥與主配壓閥的控制腔A4相連，接力器的運動由手動操作機構（303ET）控制。

當手動操作機構中把手順時針旋轉時，輸出軸向下運動，輸出向下的位移，與它剛性連接的液壓反饋機構的閥芯一起向下運動，壓力油由油路 A2、A3、A4進入主活塞的控制腔，主活塞的控制腔壓力上升，主活塞向下運動，接力器朝開啟方向運動；松開手輪，輸出軸在復中彈簧作用下回到零位，液壓反饋機構的閥芯跟隨回到零位，襯套與閥芯的相對位置打開了窗口，使A2接通回油，主配壓閥的控制腔壓力下降，主活塞向上運動，直至襯套與閥芯封閉窗口，主活塞停止運動，回到零位，這時接力器開啟至在某一個開度。當手動操作機構把手逆時針旋轉時，上述動作相反。電動控制工作原理與機械手操相同，不同的是電機軸旋轉由定位模塊+驅動器控制。

2.3 自復中功能

當調速器交、直流電源發生故障時，液壓系統中的自復中功能使主配壓閥自復中，維持水輪機導葉在故障前的位置，并可手動進行停機。電源消失時手自動切換閥（303EV）自動切換到手動位，由于手動操作機構在沒有驅動力狀態下始終處于零位，故主配壓閥的主活塞復中至零位，因此，無論接力器在開啟過程還是關閉過程中，均能使接力器停止在斷電前的位置。

3 電氣智能控制功能

3.1 自適應控制

PZWST型微機調速器具有較強的自適應能力，提高了在不同運行環境下的調節品質。可根據導葉開度、有效水頭和機組出力所反映的運行工況（如空載、并網運行）自行調整調節參數（Kp、Ki、Kd）和控制結構，以實現在多數工況下均能以相應的最優參數和最佳控制結構參與機組的動態調控，并實現不同結構和參數下的平滑過渡。

并網前：機組處于空載狀態，此時調速器處于頻率調節模式，控制機組跟蹤電網頻率或頻率給定。采用 P+I+D調節規律及適合于空載運行的一組 PID參數，選用該調節規律可控制機組快速跟蹤電網頻率、使頻率偏差小，便于機組并網。

并網后：調速器主要任務是控制機組穩定地發電，此時處于功率（開度）調節模式。采用P+I調節規律及適當的一組PID參數，可使機組減少不必要的調節過程并保證運行穩定不會造成負荷的波動，同時可降低設備的油耗，減少油泵電機的工作次數。

并網后：當機組頻率波動較大或超過給定頻率死區時。調速器自動轉入孤網調節，采用P+I+D調節規律及適合于調頻運行的一組PID參數，控制機組頻率穩定在給定頻率。同時，采用該調節方式，可保證線路跳開關時，調速器能進行快速調節而不至于造成機組過速。

功率（開度）開環增量調節：調速器在功率（開度）調節模式時，接收到增加/減少命令，將增加/減少功率（開度）給定。控制系統在P+I調節的同時加入了實際開度與給定開度的偏差，使機組能單調、快速地跟蹤給定值。

3.2 功率自適應式變參數PI調節

為了實現機組功率Pg對AGC系統下達的功率給定Pc的快速、單調跟蹤，必須采用有開環增量ΔP的功率調節模式。由于機組功率Pg是機組水頭H和導葉開度Y的函數，在編程時使ΔP為H和Y的函數，即ΔP對H和Y自適應式變參數。否則，在低水頭工況整定的 ΔP值，將使在高水頭下的功率調節出現大的超調和振蕩。

為了適應機組運行水頭、水輪機導葉開度/機組功率和功率偏差值的不同情況，采用自適應式變參數機組功率的PI調節，如圖2所示。

（1）功率通過不同的積分速度進行調節。當給定功率和實際值偏差較大時，快速積分(斜率K1)，使出力盡快逼近給定值；當功率的偏差值進入一定區間（區間Ⅰ）后，減慢積分速度(斜率K2)；在更小的區間（區間Ⅱ）中，使積分速度逐漸減至零(指數規律)。這樣，使功率的調節訊速而穩定，避免超調。

（2）機組水頭分段且有部分搭疊區，運行水頭位于高水頭段時，K1，K2取較小值；運行水頭位于低水頭段時，K1，K2取較大值。從而保證在不同運行水頭時，機組功率控制。

具有近似相同的速率，以保證功率控制的快速性和單調性。

（3）當機組導葉開度大于 70%時，適當加大當時運行水頭下的K1，K2值，以適應水輪發電機組導葉開度與機組功率的非線性特性。

這種機組功率自適應式變參數 PI的控制方式已在二灘水電站2號機和5號機調速器上成功運用，解決了二灘水電站原調速器功率調節時的大幅度波動問題[1]。

圖2 機組功率變參數PI調節曲線

3.3 電氣開度限制L的自適應式變參數

（1）為了保證水輪發電機組合理安全運行，必須根據水輪機特性，適應機組運行水頭，設定與之對應的導葉最大開度值。為此，可在微機調節器內寫入Lmax（H）的節點表，由運行水頭插值求得相應最大電氣開度限制Lmax。

（2）水頭插值計算

節點表：根據提供的水頭—空載開限和水頭—開限曲線，將其數表轉化為15個水頭下的節點表。計算方法如下：

1）確定當前水頭區間（H(i+1)＞H＞H(i))

2）查表水頭H(i+1)下對應的開限L0(i+1)、Lmax(i+1)；H(i)下對應的開限L0(i)、Lmax(i)

3）計算水頭H下的開限L0(i+1)、Lmax(i+1)值

4）計算公式：

3.4 自適應式開機特性

（1）兩段開機特性（適應運行水頭）

如圖3所示的兩段開機曲線（H1＞H2）。調速器接到開機指令后，即通過電氣開度限制L0將導葉開啟至第一開機開度YKJ1（圖中A點）經過一段時間tA?B開始測量機組轉速（頻率），設在 C點機組頻率已連續2s大于45Hz，則通過電氣開限L將導葉壓至第二開機開度YKJ2，調速器轉入空載運行工況，由PID調節導葉至空載開度Y0。

（2）加速度閉環開機

調速器接到開機指令后，即將導葉開啟至電氣開限預開度L0，此后即按照機組轉速0～0.8nr，0.8～0.9nr和 0.9～1.0nr（均可調整）的三個區間，通過電氣開度限制L控制導葉開度，使機組加速度相應為4%nr/s、2%nr/s、 1%nr/s（均可調整）實現機組快速，近似單調的開啟過程，當機組轉速達到0.98nr時，調速器轉入空載運行工況。

圖3 兩段式開機曲線

4 結語

樂灘電站調速器機械系統的改造解決了原調速器運行中出現的比例閥卡阻、溜負荷和竄油等現象。對電氣控制功能的升級改造，使調速器更具智能性。從現場運行效果看，自適應式變參數控制方式消除了原調速器功率調節時的大幅度波動。改造后的調速系統靜特性、動特性、穩定性等特性參數也均滿足國標要求，可靠性有很大提高。

[1]譚中美, 劉小改. 二灘水電站調速器控制系統改造[J]. 水電站機電技術. 2005, (2): 64-65.