浅谈水轮机调速器控制模式

浅谈水轮机调速器控制模式

徐彬鑫

国网新源水电有限公司新安江水力发电厂 浙江杭州 311600

摘 要：文章以水轮机调速器为研究对象，研究了水轮机的控制原理，分析了调速器运行中的异常情况，并给出具体的处理建议。

关键字：水轮机调速器；频率模式；功率模式；开度模式

Abstract：This paper studies the control principle of hydraulic turbine, analyzes the abnormal situation in the operation of governor, and gives specific treatment suggestions.

Key words：hydraulic turbine governor; Frequency mode; Power mode; open mode

1 机组概况

电厂有三种型号的调速器，主要功能为自动调节发电机组的转速、自动或手动快速启动发电机、机组并列运行时，调速器自动承担预定的负荷分配。PFWT-100型调速器电气控制部分以可编程控制器M340作为硬件主体，辅以输入、输出继电器板、隔离变、电源转换板、开关电源、反馈传感器、伺服电机驱动模块、触模屏等组成。调速器机械液压系统由主配压阀、引导阀、紧急停机电磁阀、伺服比例阀、切换阀、伺服电机位移转换器、双精滤油器等组成。CVT-100型调速器，电气控制部分是以可编程控制器PCC作为硬件的主体，辅以测频模块、隔离变、电源模块、反馈传感器、导叶功率放大模块、触模屏等组成。调速器机械液压系统特点是由组合结构的逻辑插装控制阀单元取代主配压阀实现调节与控制功能，并与事故配压阀组成一体化结构。WBDT-100型调速器，机械部分是步进电机组成的电--位移伺服系统。电气部分与CVT-100型调速器类似。

2 调速器控制模式

电厂调速器的控制模式主要包括频率模式、开度模式、功率模式。并网前，机组空载，调速器处于频率模式，可快速跟踪电网频率、使频率偏差趋小，便于并网。并网后，调速器处于功率或者开度调节模式，保证稳定发电。调速器在开度调节模式的反馈量为导叶开度，在功率调节模式反馈量为功率实际值。三种模式转换如图 1 所示。

调速器根据不同的运行方式，可在三种模式下无扰动切换。发电时，若机频＞ 50.5Hz或＜ 49.5Hz ，调速器自动投入孤网运行，切至频率模式。

3 调速器控制模式切换异常情况

（1）1号机带负荷过程中，有功给定90MW，实发有功85.22MW（调速器模式在功率模式状态），调速器模式切至开度模式，负荷带至89.87MW，切回功率模式，负荷减至85MW。该缺陷会影响机组实发有功功率达不到给定值，严重时可能使机组不在高效率区域运行。（2） 7号机调相改发电，调速器控制模式没有从频率模式切换到开度模式，造成机组有功无法调节。（3）监控系统报“2号机调速器有功功率故障（通信）、6号机调速器有功功率故障（通信）、2号机调速器小故障、6号机调速器故障”，短时后上述报警自动复归。检查2号机调速器从功率模式自动切至开度模式，6号机调速器从功率模式自动切至开度模式。

4 调速器控制模式原理及故障原因分析

4.1 调速器控制模式基本原理

4.1.1频率调节模式

频率调节直接影响到机组并网的快速性和调频的动态性能，频率调节采用适应式变参数PID控制规律。调速器实时采集来自电站二次回路的开关量、机组频率、电网频率、机组开度、水头等参量，确定机组运行工况，在数据库中取出预先存入的优化调节参数，实现最优控制，控制框图2所示。

图2 调速器频率模式框图

调速器传递函数

（1）

相应的离散化模型

（2）

式中x为转速偏差相对值，y为接力器行程相对值，k为采样时刻，Error: Reference source not found为采样时间间隔。

机组空载运行及甩负荷时，调速器强制转为频率调节模式，以保证能快速跟踪电网

频率，从而有利于并网操作。

4.1.2功率调节模式

当机组并网时，多数机组在电网中处于带基荷的地位，转速调节的作用和地位下降，希望调速器根据命令迅速平稳地改变机组所发出的功率，为此设计功率调节模式如图3所示。

图3 调速器功率模式框图

监控系统直接对调速器下达功率设定值( Pc) ，在功率给定方式选择及调速器工作模式切换后，与机组的实时功率进行比对，在对永态差值环节及人工开度/功率死区环节的限制后，再进行调速器的内部 PID 计算，最后进行一系列的综合放大等执行环节来达到机组负荷调整的目的，该模式在调速器内进行内部闭环。但由于协联关系影响，其反馈量为功率实际值，实际功率存在教小的波动，而出现调节频繁，可能导致调速器动作次数多，不利于机组稳定运行。

4.1.3开度调节模式

如果机组并网后只带基本负荷，可以按开度进行负荷调整。在开度调节模式下追求迅速而平稳地改变机组的开度，选取适当的一组PID参数，导叶实际开度跟踪PI参数导叶开度给定。只有当频率超出设定值时，自动切换到频率模式。开度模式下，上位机发出调节命令，调速器根据PID参数内设置，导叶实际开度自动跟踪PID内当前水头、当前负荷下的导叶开度限制，自动调节。开度模式存在人工死区，在死区内导叶开度不变，调节器动作稳定。

4.2 调速器异常情况分析

在系统频率稳定，没有进行减负荷操作的情况下，调速器功率模式下有功不能到额定值原因可能有：1）功率模块不能正确采集到调速器功率信号。2）功率变送器计量数据不准确。

调相改发电过程中，调速器未能正确执行控制模式转换条件。可能原因有：1）调速器微控制器指令接受异常。2）调速器微控制器程序设计存在缺陷。

受系统电压冲击，运行中的调速器从功率模式切换到开度模式。可能原因有：1）功率变送器出现故障。2）功率反馈断线。3）频率超过±0.5Hz 。4）手动选择开度反馈模式。现场调速器和监控系统报出故障信号，根据PLC 的程序设定，可以肯定是功率变送器出现故障。

5 总结和建议

总体上，电厂的调速器控制模式基本满足电厂负荷需求，但在模式切换的条件上还可以做如下改进：

（1）健全调速器在运行时的切换逻辑，在机组功率变送器采集数值越上限或下限时延时将功率反馈切为开度反馈模式，可以有效防止电网冲击对调速器控制模式的干扰。

（2）在调速器微控制器上增加自检模块，及时发现故障。

（3）对残压测频板件和通道的质量进行严格把关，确保其具有强抗干扰性，避免受到干扰或者干扰率小。更新测频板件，以适应调速器的运行需求。

（4）更新调速器程序，采用更先进控制策略，例如把神经元网络及遗传算法等智能控制策略,与传统PID控制策略相结合，使水轮机调节系统特性有明显的改善。

参考文献：

[1]张岳勇，吴正良，卢江. 新安江电厂调速器运行规程.

[2]宇文磊县. 水轮发电机调速器故障分析及处理[J]. 科技创新与应用,2015(02):89.

[3]田伦. 水轮机调速器功率模式在索风营电厂的运行实践[J]. 华电技术.2014,36(08):52-54+75+78.

[4]黎杨阳，余冬，莫尽. 水轮机调速器开度及功率模式下一次调频分析[J]. 云南电力技术.2016,44(S2):27-29.