水輪發電機冷卻風機變頻控制系統的設計

黎安軍

（廣東水利電力職業技術學院，廣東廣州 510635）

0 引言

隨著水力資源的不斷開發，我國高水頭的水力發電得到了充分的利用，現正轉向了低水頭的水力發電的開發。在低水頭的水電站中，燈泡貫流式機組以其效率高、造價低得到全面推廣。但燈泡貫流式機組因受燈泡比的影響，發電機的直徑要比常規機組小，對發電機的通風冷卻不利。因此，燈泡貫流式機組一般設有風機冷卻。本文就從節能角度出發設計了一套發電機冷卻風機變頻控制方案。該控制方案是利用發電機組的周圍環境溫度和發電機組實時輸出功率作為變頻調速控制方案的輸入參量，加入PLC 的PID 控制算法，最終達到優化冷卻風機冷卻效果及節約電能的效果。

1 系統介紹

一方面為了使燈泡貫流式發電機組運行時發電機溫度得到有效控制，減少機組老化，另一方面為燈泡貫流式發電機組增容做好準備，本文經過燈泡貫流式機組數據累計觀察對比，設計了一套基于PLC控制的變頻調速風冷卻系統。這種水輪發電機冷卻風機變頻控制系統效果好，特別在機組負荷較高時，發電機溫度相對其他普通風冷系統有明顯降低。下面以一臺單機負荷為16 000 kW的燈泡貫流式發電機組為例介紹本系統。一般情況下，每臺發電機組配置6 臺冷卻風機，風機電機功率為10kW/臺。為了使機組冷卻風機系統更加完善，在保證發電機溫度得到有效控制的前提下，更加節能（特別是枯水期機組在低負荷運行情況下），本系統設有風機分組和變頻調速兩層控制，當發電機在負荷低谷運行時，發熱量小，冷卻控制系統只啟動3 臺風機（在位置分布上隔開排列）低頻運轉。當發電機在負荷高峰運行時，發熱量大，冷卻控制系統啟動6 臺風機并且高頻運轉。不管是負荷高峰還是低谷，本系統都會使得發電機組最終停留在基本恒定溫度th的工況下運行，控制原理如圖1 所示。

圖1 控制原理

基本恒定溫度的控制系統最大限度節能，并使系統處于可靠運行的狀態。基本恒溫度th的值的選定非常重要。th的值偏大，可以節省冷卻風機的耗能，但是，會使發電機組長期處在高溫下運行，加劇發電機組的老化；th的值偏小，可以減少發電機組的老化，但是，冷卻風機的耗能會上升，發電機組長期處于較低溫度，線圈繞組容易形成冷凝水，絕緣容易擊穿，發電機內部會發生短路[1]。本控制系統根據專家經驗和試驗結果確定基本恒定溫度th在55℃～80℃之間。在此區間會分段按實時輸出功率設置th控制值，PLC利用采集的溫度參數和機組出力的參數進行運算比較最終決定th的值和控制電機的方式。

水輪發電機冷卻風機變頻控制系統主要由溫度傳感器、PLC、變頻器、風道、動力控制線路以及6 臺風機等組成。風道的設計主要是盡量降低風阻，風道的風阻會直接影響本系統的冷卻效率。只要風道的風阻降到最低，其余的節能任務就交給了電氣控制部分。

2 控制原理及系統任務的實現

2.1 控制原理

水輪發電機冷卻風機變頻控制系統主要由可編程控制器（PLC）擔任控制“總指揮”，負責接收數據、分析數據、決定控制方案、輸出控制。PLC通過AI模塊接收溫度傳感器輸出4～20 mA的模擬信號，采集各個溫度參數。通過另一AI模塊接機組功率計輸出4～20 mA的模擬信號，采集機組出力。通過與變頻器的通信控制風機實時頻率和獲取實時風機的轉速。綜合各種參數后輸出模塊DO控制交流接觸器調節風機的運行方式[2]。根據水輪發電機開機的特性，PLC設定了一系列順序邏輯控制流程。機組開機時，檢測變頻器是否啟動，如果變頻器未啟動則將其啟動，全部風機投入，在50 Hz（全功率）運行3小時后，發電機溫度趨于穩定。這時PLC 進入一個查表（為專家經驗數據表）的程序，表1為機組出力與溫度th值對照表。

表1 基本恒定溫度th值對照表

表中設有發電機不同出力段對應不同的基本恒定溫度th值。若機組溫度大于對應的th最大動態允許值時，冷卻風機仍然以50 Hz（全功率）運行。當機組溫度低于th最小動態允許值時，PLC給變頻器發出降頻指令；當機組溫度高于th最大動態允許值時，PLC 給變頻器發出升頻指令。降頻幅度與升頻幅度均由PLC 內部的PID 算法決定，公式如下（公式1）：

說明：f ——冷卻風機的實時頻率；K——系統的經驗系數；T——溫度；Δ th——基本恒定溫度變化量。

PLC自動控制繼續保持50 Hz運行。當發電機溫度低于目標范圍下限，PLC 控制自動根據溫度上升或下降變化調節風機頻率增加或減少；當變頻器工作在頻率設定上限值，發電機溫度仍然高于目標范圍，PLC 控制所有風機保持50 Hz 運行；當變頻器工作在頻率設定下限值，發電機溫度仍然低于目標范圍，PLC 自動將所有風機電機保持在頻率下限運行；當變頻器在工作狀態下，發電機溫度穩定在目標范圍內，PLC 自動保持輸出頻率不變。機組停機完成后，保留3 臺在頻率下限運行，投入加熱器，2 小時自動輪換另外3 臺風機，以單雙號輪換運行，既節能又能保持發電機內部溫度，避免發電機受潮。

2.2 運行方式

水輪發電機冷卻風機變頻控制系統主要有兩種運行方式。

（1）全自動PID 控制法，使用可編程控制器內置PID公式算法（以公式1為算法）變頻自動調節頻率，系統自動完成對多臺風機起動、停止、變頻的全部操作過程，達到基本恒溫控制。

（2）半自動溫度——頻點控制法，根據專家經驗配合PID 控制法得到的數據，設置區間定頻控制。即發電機組在相應的功率區間允許在某個溫度區間內運行，若超出該區間允許溫度變頻器會提高現有風機轉動頻率，每超出該區間最高允許溫度5 分鐘一次，則風機轉動頻率向上加5 Hz。反之，每低于該區間最小允許溫度20分鐘一次，則風機轉動頻率向下減5 Hz。變化后的頻率參照如表2。

在上述的兩種控制方式中，不管機組處在何種工況里，只要溫度出現突發上升（在較短時間內溫度升幅較大）控制系統會啟動6 臺風機全功率輸出冷卻，同時發出發電機組溫度異常報警。

表2 區間頻率對照表

3 小結

本文介紹的水輪發電機冷卻風機變頻控制系統以“基本恒定溫度”為控制目標。提高了風機冷卻系統的效率，減少了不必要的能源浪費同時降低了發電機組的老化。

［1］謝云敏.水電站計算機監控技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［2］鄭程遙.水電站計算機監控系統設計.安裝與調試［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.