抽水蓄能機組導葉控制系統行程檢測及回路調試方法

吳 昊，鞏 宇，陳鳳華

(1.中國南方電網有限責任公司調峰調頻發電公司廣州蓄能水電廠，廣東廣州510950；2.中國南方電網有限責任公司調峰調頻發電公司，廣東廣州510000；3.中國南方電網有限責任公司調峰調頻發電公司惠州蓄能水電廠，廣東惠州516100)

抽水蓄能機組在電網中，主要起調峰調頻調相、事故備用、黑啟動等重要作用。人民在追求美好生活的過程中，已經不僅滿足于“用上電”，更重要的是“用好電”。隨著用戶對電力能源日益增長的高質量需要，電網的穩定運行指標也將越來越嚴格，配備抽水蓄能機組已成為區域大電網的發展趨勢，抽水蓄能機組的調峰調頻質量將直接影響到電網的安全穩定經濟運行和用戶側的電能質量。調速系統是實現抽水蓄能機組運行控制的核心系統之一，而導葉位置控制是調速器的直接輸出回路，一旦出現故障將造成機組啟動或停機失敗、跳機等嚴重后果。

1 導葉位置控制原理

1.1 導葉控制系統的組成

為提高調速系統性能，保證蓄能機組“開得起、調的出、停的下”，在許多電廠的調速器系統中，尤其是對于采用一對導葉接力器通過導葉控制環的傳導來一起控制多個導葉的機組，導葉控制回路多采用串級控制方式，即在主控制環—導葉位置控制環—中增加副環配壓閥位置控制環[1-3]。由此一來，除導葉位置控制外，配壓閥位置的檢測和控制就對調速器性能乃至蓄能機組性能也起到了決定作用。但是，這增加了導葉控制回路的復雜性，對運維和調試人員的技術水平提出了挑戰[4]。

但有的電廠，尤其是采用單導葉獨立控制方式的機組，沒有導葉控制環，而是由多個獨立設置的接力器去控制相應的導葉，一般也就不會再設計配壓閥位置檢測，這使得液壓設備檢修空間更大、單導葉的控制邏輯更加簡單，但犧牲了控制性能、增加了控制設備，且容易出現導葉不同步報警[5]。

如圖1所示，本文以典型的帶配壓閥位置檢測的導葉控制回路為例，該回路由控制器、電液轉換器、配壓閥、導葉接力器和相關傳感器組成，另有液壓系統提供一次設備控制動力[6]。

圖1 帶配壓閥位置檢測的導葉控制回路

1.2 核心控制原理

導葉位置控制回路，符合典型的串級負反饋過程控制原理[1-2]。如圖2所示，串級控制系統有主副兩個環，主環是導葉位置控制環，由控制器收到的設定值(正常運行時由上級控制器通過負荷/頻率控制計算得出)、PI(比例積分)控制參數、電液轉換器電氣零點補償參數、輸出值、導葉位置反饋值和限制模塊組成；副環是配壓閥位置控制環，由P(比例)控制參數、帶D(微分)環節的配壓閥位置反饋和配壓閥機械中位補償參數組成[6]。

相較于一般系統，需要特殊解釋的是，電液轉換器電氣零點補償參數RTA和配壓閥中位補償參數VA_OSP的意義。電液轉換器是連接調速器電氣控制系統和液壓控制系統的轉換環節，廣蓄A廠使用的TR10型電液轉換器具有電磁閥的特性，當調速器電氣柜停止輸出時代表關小導葉，當調速器電氣柜增加輸出時會開大導葉，所以必須要求取一個電氣零點，這個零點表示電液轉換器在這個位置時能夠保持導葉既不開大也不關小。同理，配壓閥作為液壓放大環節的一部分，是純機械結構，其閥芯受電液轉換器輸出的液壓控制向上打開高壓油路或者向下關閉高壓油路，所以必須要求取一個機械中位，這個中位表示配壓閥在這個位置時能夠保持導葉既不開大也不關小。

在控制框圖中，可以看出除了電液轉換器電氣零點補償參數RTA和主配壓閥中位補償參數VA_OSP外，還有最難求取的控制環主環控制增益KP、控制環主環積分TI、控制環副環增益VA_KP、控制環副環微分TD/KD。若相鄰機組控制參數已知，則可帶入后進行微調，若未知，由于液壓控制回路的特性，在此推薦使用串級控制的兩步整定法[1]。具體整定方式詳見本文第2部分。

1.3 液壓行程的檢測

對于這樣一個串級負反饋控制系統，在運行過程中最需要關注的往往不是設定值，而是反饋，即導葉位置反饋值和配壓閥位置反饋。但是幾乎所有電廠的導葉和配壓閥動作行程都會超出傳感器檢測范圍，我們可以采用“行程變換方法”來解決這一問題。比如根據立體幾何下的行程變換原理，使用“圓臺”(見圖3)將配壓閥的直線行程轉換為斜向行程。

圖3 配壓閥位置檢測聯動機構—圓臺

若用X表示配壓閥閥芯的實際動作行程(垂直于水平面方向)，θ表示聯動機構即圓臺底角，Y為傳感器檢測到的變換后的行程。則行程變換公式為

Y=X·cosθ

(1)

用某電感式接近開關作為傳感器，Y需滿足0.8～8 mm即7.2 mm的檢測范圍要求，而X為20～21 mm，經計算，θ設置為70°最為合適。

如前所說，若想精準控制導葉位置、通過開關電液轉換器控制主配壓閥進行能量傳遞，則首先要得到導葉位置和主配位置這兩個重要反饋。一般使用輸出4～20 mA信號的電感式接近開關來檢測導葉和配壓閥的位置，傳感器特性曲線見圖4。在傳感器安裝完成后首現應該進行傳感器的標定，以使其輸出和機械位置相匹配。例如設置傳感器輸出4 mA的位置為導葉全關，而20 mA代表導葉全開。調試流程如圖5所示。

圖4 傳感器特性曲線

2 系統設計和調試

圖5 調試流程示意

2.1 明確行程檢測方式

進行傳感器聯動機構的設計并安裝聯動機構和傳感器。安裝標準：要求傳感器安裝穩固不易被干擾，根據傳感器輸出特性，一般距離動作機構最遠時，反饋值應為20 mA左右；距離動作機構最近時，反饋值應為4 mA左右。

2.2 傳感器標定

若用POS代表機械設備所處的位置，RAW代表傳感器檢測到機械位置后所反映的初值，POS和RAW存在著線性關系，記該線性關系的兩個參數分別為GAIN和OFFSET，可得公式(2)。記錄導葉和配壓閥全關時傳感器反饋的初值SERAW_C和VARAW_C。手動使配壓閥和導葉開至最大，記錄此時傳感器反饋初值SERAW_O和VARAW_O。又已知導葉全開時對應的POS為1，全關時對應的POS為0，將兩個RAW值(SERAW_O和VARAW_O)帶入公式(2)，形成二元一次方程組，則求出GAIN和OFFSET。同理求取配壓閥傳感器標定參數，并將求取得到參數寫入程序中。即

POS=GAIN·RAW+OFFSET

(2)

2.3 補償參數的求取

根據圖2，先將主環增益KP設為0，副環增益VA_KP設為1，電液轉換器電氣零位RTA設為0，主配中位參數VA_OSP設為1；開啟錄波，觀察設定值、反饋值。開啟調速器手動模式、使能輸出，此時導葉設定值為0，配壓閥設定值為1，導葉將開至最大。待導葉穩定后，此時觀察到的調速器最終輸出值即可認為是電液轉換器的電氣零點。恢復KP和VA_KP，主配中位補償VA_OSP繼續保持0，手動設定開度50%，導葉穩定后的主配反饋值即可認為是主配中位理想值，將該值作為主配中位補償VA_OSP寫入。進行導葉靜態反應試驗，觀察導葉動作情況，微調補償參數VA_OSP，使導葉控制偏差達到最小。

2.4 控制參數的整定

控制參數整定推薦使用串級控制的兩步工程整定法[1]。

(1)首先整定副環，去掉積分和微分，將主調節器KP置1，副環增益VA_KP設0.1，然后逐漸增大，當副環對階躍的響應達到4∶1的衰減震蕩過程時，記下副環的比例度δVA_KP(即VA_KP的倒數)和過渡周期TVA_KP。

(2)將副環增益VA_KP固定，逐漸減小主環的比例度，當主回路達到4∶1的理想衰減震蕩過程時，記下主環的比例度δkp和過渡周期Tkp。

(3)根據δVA_KP，TVA_KP，δkp，Tkp進行計算。副環增益直接取實驗值，主環增益取實驗值的0.8，主環積分時間取1/2的主環過渡周期Tkp，微分暫不設置。

(4)按先副后主、先比例次積分后微分的原則，將計算得出的參數設置好。進行階躍擾動試驗，觀察曲線，并根據響應結果微調參數。

3 需要注意的問題

3.1 行程檢測的平衡

將機械設備的大行程縮小去檢測，不僅可以使用檢測范圍較小的傳感器(事實上現實中對精度要求較高的傳感器檢測范圍都應該是較小的，否則就會帶來更多干擾)，而且可以安裝于空間較小的地方，但也是有風險的，因為這需要傳感器和控制器的模擬量處理非常精確(將4～20 mA的范圍分割成盡量大的數字量，如有的控制器設置為819～4095，有的設置為0～10000)，將行程縮小之后，傳感器一個小小的輸出變化一就代表著一個很大的機械位移，也意味著一個小小的擾動使傳感器輸出變換，就可能會引起控制系統的較大反應。

反之，如果將機械行程變大去檢測，或者說不進行行程變換而直接使用檢測范圍大的傳感器，這樣可以有效的避免微小干擾，因為傳感器的所受的小擾動僅代表著很小的機械位移，不會引起控制設備大動作，而難點在于設計出大量程的傳感器、需要有足夠的安裝空間、需要做好大間隙的隔離。

3.2 參數變化的困擾

導葉控制回路，是“控制機組能量傳輸咽喉要道”的回路，故控制參數影響到的回路動特性和補償參數影響的回路靜特性都極其重要。如果因檢修需要，導葉控制回路中所涉及得機械設備發生了變化(如電液轉換器更換、配壓閥檢查、導葉接力器檢查都是很可能發生的)，或者聯動機構、傳感器稍有移動，就會造成控制回路參數的不匹配，而參數是“牽一發而動全身”的，一旦某個參數不適應，將造成整個回路的特性變壞，很容易出現故障報警，并導致導葉開度和機組有功出現偏差，進而導致非停及電網頻率波動等后果。

所以涉及調速器液壓系統的檢修后，必須重新進行調速器傳感器的標定、補償參數的重新求取甚至控制參數的調整，并做導葉靜態試驗，以確保調速器性能正常。因為配壓閥位置的引入，串級控制回路較復雜，為此，本文提出的“導葉控制回路行程檢測及調試方法”非常重要，可以以此為藍本，并根據現場設備的特點形成調速器導葉控制回路調試的作業標準，為一線運維人員提供作業指導。

4 結 論

經過理論研究和現場驗證，本文提出的導葉控制回路設計、標定和調試方法中使用的“線性變換”原理和將復雜閉環控制系統分割為多個單環系統的標定方式，可快速實現系統參數設置，可使導葉控制精度偏差小于0.5%，從根本上解決了因此可能出現的蓄能機組有功波動和啟停失敗的問題，曾多次在檢修調試和緊急故障處理中發揮作用，保障了蓄能機組的經濟穩定運行。該方法可以為使用類似系統的電廠和廠家技術人員提供理論、實踐依據。