PSWST-PLC型調速器在水電站的應用

吳名鋼

（大源渡航電樞紐管理處, 湖南 衡陽 421412）

某水電站4 臺燈泡貫流式發電機組全部從奧地利ELIN 公司引進; 水輪機為轉槳式，分別從德國SULZE 公司和MCE 公司引進。4 臺機組于1999-10-28 全部并網發電。2012年，水電站采用武漢國測三聯水電設備有限公司生產的PSWST-PLC型調速器，對4 號機組進行了改造。

1 PSWST-PLC 型調速器的總體構成

PSWST-PLC 型調速器由微機調節器和機械液壓系統兩大部分組成。微機調節器部分采用雙機(A、B 機)冗余容錯系統，2 套微機控制器均能獨立完成水輪發電機組的開機、停機、增減負荷、緊急停機等自動調節任務，微機控制器選用德國西門子公司生產的S7-300 系列PLC；機械液壓系統由電液轉換器(采用比例伺服閥+高速數字球閥冗余結構)、緊急停機、主配壓閥、純機械手動機構等組成，采用先進的機械液壓集成技術，無明管、無泄漏、無杠桿。

2 PSWST-PLC 型調速器的工作方式

2.1 自動調節

自動通道由微機控制器組成，微機控制器A或B 均能控制機械液壓系統自動通道的比例伺服閥或高速數字球閥。微機控制器采用適應式變參數的機組轉速(頻率)PID 調節規律和機組功率適應式變參數PI 控制規律。微機控制器接收機組LCU的“事故停機信號”，并且控制接力器以允許的最快速率關閉到全關。

2.2 電手動調節

在電手動調節模式工作時，微機控制器A 或B 控制機械液壓系統的比例伺服閥或高速數字球閥，跟蹤與調速系統有關的狀態及參數，以實現由“電手動控制”到“自動調節”之間的無擾動切換。電手動調節也可通過現地控制柜面板實現“電手動控制”到“純機械手動”之間的無擾動切換。

2.3 純機械手動

失電時，自復中裝置在壓力油的作用下可帶動主配壓閥回到復中位置，由手動操作閥與其一起執行純機械手動功能。

2.4 控制方式的切換

PSWST-PLC 型調速器在各種控制方式間可實現無擾動切換。

(1)自動通道、電手動之間的切換：通過調速器控制柜操作開關切換。

(2)電手動切換至純機械液壓手動：電手動通道故障切換至純機械液壓手動。

(3)自動通道、純機械液壓手動之間切換：通過調速器控制柜操作開關切換，或自動通道故障切換至純機械液壓手動。

3 PSWST-PLC 型調速器的特點

3.1 全時PID 控制技術

圖1 為全時PID 控制邏輯示意。由圖1 可知，全時PID 算法的精髓主要是在PID 上增加了連續調節的PD 環節。即將連續10 個周期采樣的被調節偏差放入1 個數組，得到10 個ΔF(被控制偏差值)：ΔF(k)，ΔF(k-1)，ΔF(k-2)…ΔF(k-9)，并在數組中記錄好偏差的正負標志和偏差的周期數；當檢測到當前偏差值與上周期偏差值相等時，選擇數組中與當前偏差符號相同的最大偏差值，并根據最大偏差的周期數，相應地改變微分時間常數T1v和偏差的測量周期τ來進行PD 調節；調節完成后，在數組中剔除此偏差值。這樣就避免了在被調節量偏離目標值、但偏差變化緩慢時，出現比例和微分通道幾乎不起作用的現象。

圖1 全時PID 控制邏輯

PID 控制器算式如下：

相應的離散算式為：

其中：KP、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數；

e(k)為第k 次采樣值；

u(k)為第k 次采樣時刻的輸出值。

根據式(2)，用一個單神經元構造PID 控制器，如圖2 所示。

圖2 中控制器偏差X1(k)=e(k)；控制器輸入X2(k)=e(k)-e(k-1)，X3(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2)；控制器輸出u(k)=W1X1(k)+W2X2(k)+W3X3(k)。其中，Wi為控制器的加權系數，相當于PID 控制器中的KP，Ki，Kd，但參數Wi可以進行在線修正，可根據被調節量的偏差不斷地調節PID 系數，以達到調整Wi的目的，從而找到最優值W*。

圖2 單神經元構造的PID 控制器邏輯

為提高調速器的靜動態品質，在控制電液隨動系統中，可采用PI 型綜合放大器減小調速器的轉速死區ix和槳葉隨動系統的不準確度ia；采用PD型綜合放大器減小接力器不動時間Tq。

微分控制是指當輸入偏差值突然變化時，微分作用可有效地阻止或刺激控制器輸出相應變化。這時，控制器的動作僅受微分作用決定，而不受比例或者積分控制的計算結果影響。

輸出控制PD+PI 的基本設計思想是，當偏差較大時，投入微分控制，取消積分作用；當偏差較小時，引入積分控制，取消微分作用。

3.2 防機組飛逸

3.2.1 閉環開機及同期控制

根據機組轉速變化的速率自動改變開機曲線的斜率和頂點，自動適應任何水頭的變化，從而達到平穩、快速、無超調自適應閉環開機的目的。全范圍開放式的測頻方法，能保證在0.5～99 Hz 范圍內可靠的頻率測量結果，在低頻段采用以導葉開度為依據的轉速逐次逼近，在高頻段則采用趨勢辨別轉速的方式。這種開機規律是以最佳過程啟動水輪發電機機組，盡量減少開機時間，能夠保證在任何異常情況(如機組導葉漏水，機組未停穩，機、網頻率斷線，導葉反饋斷線等)下不過速、不停機。

3.2.2 空載自動調節

調速器的參數中設置了最大及最小空載開度值。因此，調速器在空載運行時，應始終將導葉開度控制在該范圍內。

3.2.3 關鍵信號容錯能力

頻率容錯，即實時自動診斷機組頻率及系統頻率，提示故障類別。在空載時，當檢測到機組頻率故障，則自動將當前導葉開度調至最小空載開度(最高水頭下的空載開度)；當系統頻率故障，則自動跟蹤頻率給定。在負載時，機、網頻互為容錯；當機頻發生故障時，自動取網頻，否則取機頻作為被調節量；當機、網頻均發生故障時，可現地或遠方手動控制機組的轉速或有功功率(導葉開度)。

3.3 防假甩負荷

為防止斷路器誤故障，使得機組甩負荷，系統在判斷甩負荷的條件中增加了機組頻率和有功功率判據。當斷路器信號斷開時，先給導葉1 個快關信號，若機組頻率并未上升，且功率未下降，則認為機組仍并網運行；若斷路器信號斷開，且機組頻率上升、功率下降，則確認機組甩負荷，調速器進入甩負荷狀態。

3.4 防機組慢轉

根據機組轉速變化的速率自動改變開機曲線的斜率和頂點，自動適應任何水頭的變化，達到平穩、快速、無超調自適應閉環開機的目的。同時，具有空載頻率跟蹤及相位調節功能，以保證同頻同相，具有快速并網能力。

3.5 防空載泄水

3.5.1 縮短空載運行時間

采用閉環開機及補償PID 空載算法，并且具有空載頻率跟蹤及相位調節能力，減少了從發出開機令至機組到空載的時間，縮短了機組空載到并網的時間。

3.5.2 壓緊行程

機組備用工況調速器具有1 %～3 %的“壓緊行程”，在停機連鎖工況下可使主配壓閥保持在相對偏關的位置，確保機組的關閉，有效地防止導葉漏水。

3.6 控制機組轉速下降

機組甩大開度負荷時，根據轉速決定導葉開啟的速度和大小，可有效地控制機組的轉速下降。當機組甩負荷50 %以上時，機組的轉速上升，導葉快速關閉，電氣開限設定為2 倍的空載電氣開限；當機組轉速上升到最高點后開始下降時，導葉關閉速度減慢，如果此時機組已全關，則將導葉開啟到5 %～10 %的開度，以減小下游涌浪；當機組轉速下降的變化率大于某一個值時，控制導葉快速開啟到空載，然后減慢開啟速度。該方式可控制甩負荷大于50 %時機組轉速下降至最低值，并且可縮短甩負荷過程中調速器調節的過渡過程。

3.7 控制涌浪

為了避免甩大負荷時上下游水位發生較大的涌浪，調速系統還設有涌浪控制軟件程序。調速器甩負荷時上下游水位發生較大的涌浪，會造成水錘壓力過大。因此，采用甩負荷導葉不全關、轉速由上升至下降過程中導葉打開和甩負荷后使空載電氣開度限制值大于開機過程的空載電氣開度限制值等智能化控制方式，可保證甩負荷后空載調節范圍更寬，抑制機組轉速下降至過低，大大縮短甩負荷的過渡過程，同時減小下游產生的涌浪。

單機甩較大負荷時，機組轉速上升過高，應快速關閉導葉。當機組轉速下降時，打開導葉開度到某一預置開度，以減少水錘壓力的上升；當機組轉速下降到額定轉速附近時，投入PID 控制，使機組轉速穩定在額定轉速。多機甩較大負荷時，關閉導葉并自動脫協聯，由槳葉的角度控制機組轉速下降和減弱流域的涌浪強度。

3.8 增強槳葉的協聯功能

調速器通過電氣協聯方式實現水輪機導葉與槳葉的協聯。根據水輪機協聯曲線整定的協聯函數發生器，按實際水頭自動選擇相應協聯曲線，停機后自動將輪葉開到啟動角度，并在啟動過程中根據導葉開度的開啟自動切換到正常協聯。

3.8.1 正常協聯

常規數字協聯方式是接受水頭信號，并按實際水頭自動選擇相應的協聯曲線，預設10 條水頭下的協聯曲線，每條協聯曲線上設置10 個點，線與線之間以及點與點之間采用線性插值，最后采用逐次逼近方式輸出，可保證與理論協聯曲線一致。

3.8.2 增強協聯

(1)開度與協聯的關系修正。當導葉開度不變時，槳葉的協聯點在一個小范圍內自動修正，以彌補協聯曲線理論與實際的誤差。

(2)振動、擺動與協聯的關系修正。當導葉開度一定時，槳葉的協聯點在一個小范圍內自動修正，以抑制機組的振動、擺動情況(在引入機組振動、擺動模擬量的前提下)。

(3)負荷與協聯的關系修正。當導葉開度一定時，自動修正槳葉的協聯點，以控制機組的效率最高及負荷的擺動最小，保證機組高效、穩定運行。

3.8.3 非正常協聯

(1)流量與協聯角度的控制。在引入通過機組流量信號的前提下，用槳葉角度來控制機組負荷與流量。

(2)涌浪與協聯角度控制。當線路開關或者多臺機組甩大開度負荷時，自動脫協聯，有效地控制下游涌浪。

3.9 大、小網及孤網判定

以轉速的變化和變化率為依據準確地判斷機組在大、小電網中的運行情況，并且自動切換運行工況和調節參數，可以人為選擇一次調頻是否投切。當一次調頻投入，電網頻率的波動大于一次調頻死區而小于小電網的死區時，調速器按照調差率bp 控制機組的出力，以保證電網的穩定運行；當線路發生故障或線路開關跳閘時，調速器能夠自動、平穩地運行在大、小電網，孤網，廠用電及空載工況下。

負載運行時，可根據頻率的變化以及負荷或開度的調整對頻率引起的變化作為判斷大小電網的依據，自動改變運行模式。在開度調節或功率調節模式下，當判斷為小電網或電網故障時，機組將自動切換到頻率調節模式運行。

當轉速變化率超過頻率失靈區N 個周期后，機組自動切入頻率調節模式，并轉至小網運行；當頻率變化率在頻率失靈區范圍內，一段時間后，機組自動切入開度調節或者功率調節模式，并轉至大電網運行。

4 結束語

水電站4 號機組調速器經改造后，總體運行情況良好，故障少、維護量小，大大提高了水電站的安全性指標和經濟性指標，對其他電站有很好的借鑒和推廣作用。