基于SWT-2000型调速器在响洪甸抽水蓄能电站的应用

基于SWT-2000型调速器在响洪甸抽水蓄能电站的应用

李江涛

（安徽省响洪甸蓄能发电有限责任公司安徽六安237335）

摘要：本文结合响洪甸抽水蓄能机组调速器设计的要求，依据国内设计制造能力，以及国外同行在抽水蓄能电站调速器系统设计、制造、设备性能、运行等方面的成功技术和经验的消化吸收，介绍了SWT-2000型调速器在响洪甸抽水蓄能电站的应用，着重说明了该型调速器的基本组成，安装及调速过程及常见故障分析。该型调速器的成功投运对我国抽水蓄能机组的发展积累了相当有益的经验。

关键词：调速器；控制功能；调速系统；现场调试。

0引言

响洪甸抽水蓄能电站安装2台单机容量为40/55MW的单级可逆式水泵水轮机组，该机组也是目前我国首台自行设计制造的国产化机组。由于其运行的特殊性，机组为双转速，水头（扬程）的变化幅度大，决定了机组的工况转换复杂，主要工况转换多达23种之多，机组的启动频繁，因此，对调速器的性能、功能及可靠性提出了很高的要求。

由南瑞集团公司生产的SWT-2000型调速器系统，于2015年在电站经过全面的试验后投入运行至今，其技术指标达到国家相关行业标准要求、满足设备招标书、合同及运行要求。

1调速器的系统结构及特点

1.1基本情况

SWT-2000型微机调速系统由南瑞集团公司生产，系统结构如图1所示。其微机调节器部分采用了贝加莱公司的PCC2005控制器为核心，机械液压部分则选用了BOSCH公司的比例伺服阀作为电液转换单元，南瑞ZFL-100/D阀作为主配压阀，电源、控制模块、传感器等全部采用了双冗余配置，且采用了第三方智能切换单元作为仲裁判断，软件部分则采用了南瑞公司专有的改进型并联PID算法、双微分算法等，拥有完全自主知识产权。

图1.调速系统结构图

1.2基本参数

电气调节柜：SAFR-2000H型微机调速器

液压操作柜：ZFL/D-100型

液压随动系统：伺服比例阀

测频方式：残压测频+齿盘双路测频

电源电压及供电方式：交流220v，直流220v

供电方式为双重供电，人工转速死区范围：0-±10%。

2调速器的主要控制功能及特点

SAFR-2000H系列水轮机调速器电气调节装置采用模块化设计，选用了奥地利B&R公司2005系列的PCC模块作为机组调速器的硬件主体。电气调节装置采用国网电力科学研究院研发的NARI-PID2控制算法（原理图如图2）其主要控制功能包括：

图2PID控制算法原理图

2.1变结构、变参数的自适应控制策略

装置在实时操作系统的任务调度下完成变结构、变参数的自适应控制策略。它的自适应目标是：根据工况和装置的工作状态调整算法结构去适应变化，实现安全发电和调节性能的最优化。

2.2容错控制策略的实现

为满足电站稳定安全运行的要求，装置的容错控制策略通过故障诊断和分析来进行容错控制。容错控制策略分为以下几个部分实现：

2.2.1发电机转速反馈失效：

发电机转速信号在水轮机调速器的控制中是十分重要的反馈信号，在装置中设置了机组频率和系统频率相结合来实现高可靠性。当频率信号没有时，在发电状况下保持无扰动，空载时导叶开度开到空载开度。

2.2.2行程反馈失效：

行程反馈信号也是调速器控制中的重要反馈量。当导叶反馈信号出现故障时，调速器将自动切换到手动控制模式。

2.2.3水头信号失效：

水头信号在调速器的优化控制的经济运行中有着关键作用。在水头信号失效之后，装置将按照最安全的控制策略进行过程控制，同时可以由运行人员来修改水头。

2.2.4功率反馈失效：

功率反馈信号在调速器的运行中不是关键的反馈量，在它失效之后，仅仅导致发电中的按功率调差控制被切除。

2.4水轮机调速器控制软件的实现

由于水轮机调速器所处的环境一般比较恶劣和复杂，所以为保证调速器控制的可靠性，除了选用高可靠性的PCC模块构成双机冗余的切换系统外，还要求设计的软件具有高的可靠性。

3调速器的现场试验情况

2015年6月，机组的调速器在安装完成后进行了全面的静态和动态调试试验，完全达到了设计和运行要求。

3.1静态调试试验

3.1.1设置机组有关参数

选择A套和B套调试，分别设置两套系统参数。数据如下：

机组基本运行参数：

机组时间常数9.4S

水力时间常数2.5S

水轮机方向分段关闭投入点26.3%

水泵方向分段关闭投入点26.3%

功率调整时间常数50S

频率调整时间常数100S

开机限时：60S

跟踪频差（滑差）：0.01HZ

调差系数：6%

机组各水头下运行参数设置如表1：

3.2.2模拟量定位

分别将导叶开至最大开度和关至最小开度，记录对应情况下导叶采用数值。并设置系统定位。

3.2.3导叶副环试验

试验目的是为了检查闭环控制中输出电压与电液伺服阀配合是否适当；确定导叶副环控制的比例、积分死区、稳零输出等参数。

选择A套和B套调试，进入导叶副环扰动界面，设置导叶副环KP，积分死区DB参数。进行导叶阶跃扰动，最后记录试验波形（见图3-图8）。

经过试验，导叶闭环控制稳定，功放和电液伺服阀匹配良好。选定最佳参数为：比例增益：Kp=6；积分死区：Db=5；稳零输出：Gv_State=0.

图3-8.导叶阶跃扰动下记录的试验波形

3.2.4静特性试验

模拟机组进入并网工况，参数整定如下：频率主环参数：Kp=10（中间值），Ki=10（最大值），Kd=0，bp（调差系数）=6%Fg（频给）=50.00Hz，L（开限）=100%，E（死区）=0，导叶开度初始值为50%，逐步变化频率反馈（从大到小），让接力器从关到开方向慢慢运动，稳定后记录当前频率和接力器百分值，结束后，再反方向变化频率反馈，稳定后记录当前频率和接力器数据。

该试验目的是为了测量调速器的静态特性关系曲线，求取调速器的转速死区。试验后经计算，转速死区为：0.18‰，符合国标中对静特性转速死区的要求。

3.2动态调试试验

3.2.1水轮机方向空载扰动试验

该试验是为了观察机组空载时调速器的稳定性与各项调节指标。选择较好的调节参数（Kp、KI、Kd），使调节器品质达到最佳。

3.2.2水轮机方向稳定性检查

该试验是为了考查调速器在手动时，由于水力振荡而引起的机组转速波动的情况，然后再考查调速器在自动时的机组稳定性情况，比较两者的转速波动大小，判断是否符合国标中有关条件的要求。

经过试验，机组自动运行情况下，测得三分钟频率波动的峰谷值为：-0.13%到+0.14%，国标中规定要求小于±0.15%。试验结果满足国标要求。试验曲线如图9：

图10.水轮机自动方向试验波形

3.2.4水轮机方向自动开机试验

该试验记录机组水轮机方向正常开机过程，观察该过程机组导叶的调节及转速上升情况。

在该试验中，调速器一旦接到开机命令，即执行开机操作。开机动作迅速，超调量为0.4Hz，无波动，开机时间为40秒。详见图11。

图11.水轮机方向自动开机试验波形

3.2.5水轮机方向甩负荷试验

该试验是检验机组在突甩负荷情况下，调速器的速动性及其动态调节品质，记录动态过渡过程。校验过渡过程调节保证计算。

试验曲线如图12-13：

机组甩25%负荷：

最大开度：28.78%最高频率：51.75Hz

机组甩50%负荷：

最大开度：41.95%最高频率：55.72Hz

机组甩75%负荷：

最大开度：57.35%最高频率：60.25Hz

机组甩100%负荷：

最大开度：72.92%最高频率：65.84Hz

图12-13.水轮机方向甩负荷试验波形

3.2.6水泵方向开机试验

该试验是为了检验机组在水泵工况下开机策略，校验各水头下的最有抽水开度。

调速器水泵方向开机规律：第一段以5.814%/s由0%开度开启到53.4%开度，维持5秒；第二段以1.47%/s由53.4%开度开启到最优抽水开度。具体开启规律见图14。

图15.水泵方向正常停机试验波形

4常见故障及分析

4.1主配压阀卡死

可能原因：卡在开启侧、中间位置、关闭侧的现象。

4.2反馈消失

可能原因：测频故障、位移传感器故障

4.3运行中抽动

可能原因：参数在运行中变位、引水系统波动、油进气、位移传感器故障

4.4压油装置故障

可能原因：事故低油压、备用油泵启动、启动频繁

参考文献：

[1]蔡卫江，陈东民，蒋克文等。微机水轮机调速器。南瑞电气控制技术研究所。

[2]郭建业。高油压水轮机调速器技术及应用。长江出版社，2007，ISBN978-7-80708-289-7/TV?14。

[3]郭中枹。中小型水轮机调速器的使用和维护。水利电力出版社，1983，15143?5053。

[4]蔡维由。中小型水轮机调速器的原理调试和故障分析处理。中国电力出版社，2006，ISBN7-5083-4206-2。

[5]刘光明，刘德辉。水轮机调节系统。江西高校出版社，2006，ISBN7-81075-197-2。