基于水轮机调速器控制模型的故障诊断分析

基于水轮机调速器控制模型的故障诊断分析

黄菊

国能大渡河老渡口水电有限公司老渡口电站

摘要：我国已把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，将加快向以新能源为主体的新型电力系统转变，而新能源的波动性使得电网安全稳定运行面临巨大挑战。抽水蓄能电站是电力系统中技术成熟、运行可靠且较为经济的主要调节电源，可有效促进大规模风电和光伏发电的入网消纳，承担调峰、调频、调相、储能、系统备用和黑启动等功能，对提高电网稳定性、促进新能源消纳、减少能源消耗具有重要意义。

关键词：水轮机调速器; 控制模型; 故障诊断

引言

水电作为再生能源重要组成部分，对推动能源绿色低碳转型、构建以再生能源为主体的能源结构具有重要意义。作为维护水电站和电网安全稳定运行的重要部件，水轮机调节系统在调节发电机频率方面起着重要作用。然而，伴随装机容量不断增大，水电机组在启动、并网、减负荷和增负荷等过渡过程表现出的动态特性，使设计合理的控制器来调节水轮机调节系统具有更大的挑战性。

1水轮机的工作原理

水轮机是利用循环冷却水系统中具有冗余水能的回水，经上塔主管线及控制阀门，一定压力和一定流量的水流流经水轮机流道，作用在水轮机转轮上，推动转轮旋转，并且通过主轴带动顶部风机叶片连续运转，之后水流经过出水口进入配水管从布水喷头均匀地洒落到填料上部，水流经填料多波形表面成水膜状缓慢下落，在此过程中充分与进入冷却塔内的空气进行热交换后，被冷的水落到冷却塔池，达到循环冷却水冷却效果。在这过程中循环水的冗余水能转化为机械能，代替了原电机驱动风机散热，改变了传统冷却塔的散热方式，最大限度减小了电能消耗，达到了节能降耗的目的。水轮机需要在规定的水压和流量下运行，若水流量过大或回水压力过大，会造成水轮机超负荷运行，使水轮机转速高于额定转速，降低水轮机使用寿命，甚至会致使水轮机出现机械故障。水轮机必须在进水主管控制阀前和出水口之间设有一条旁路，旁路上配有调节阀门，通过调节旁通管阀门和进水主管阀门，使一部分水流不经过水轮机而直接流入布水器入口，来控制水轮机转速，保证水轮机在额定工况下运转。

2水轮机微机调速器控制模型

在比例伺服阀微机调速器构成的水轮机调节系统中，电液随动系统的闭环是在微机调节器内实现的。整个系统为经典的闭环控制调节负反馈系统，通过对频率和有功测量值与给定值进行比较计算，然后输出至执行器，将消除偏差作为最终调节目标。并网前，机组处于空载状态，此时调速器控制水轮发电机组跟踪给定频率处于频率调节模式。并网后，调速器主要任务是控制机组稳定发电，此时处于开度(或功率)调节模式，频率、功率、开度调节模式的控制切换。

3 PID控制

PID控制作为传统控制手段，因其结构简单可靠、控制参数易于调整，被广泛应用于水轮机调节系统。但是，在传统PID控制器的作用下，很难确保水轮机调节系统的所有工况都具有良好控制质量。此外，PID控制在处理水轮机调节系统中的机械时滞、非线性饱和死区等动态特性上存在一定的局限性，针对系统的时滞时变环节，提出了一种动态滤波补偿器，但其仍采用传统PID控制器，不能很好适应其系统的非线性；设计了一种非线性PID控制器，在具有时延和死区特性的特定被控对象中有一定的效果，但其对非线性与时延被控对象的实时控制能力还有待加强。为此，研究者开发出大量譬如滑模控制（slidingmodecontrol,SMC）、预测控制、模糊控制以及容错控制等非线性控制方法，用于水轮机调节系统。例如，提出了一种新的固定时间滑模控制器来实现水轮机调节系统在上界时间内稳定，克服了收敛特性严重依赖于初始条件有限时间控制器的缺点；提出了一种全新的非线性有限时间Takagi-Sugeno模糊控制方案，克服了水轮机存在的时滞问题；针对含有外部干扰、执行器故障和死区输入的水轮机调节系统，设计了一种新的自适应输出反馈故障容错控制方法，有效解决了水轮机调节系统中的干扰、死区带来的影响。然而，上述控制方法依赖精准模型，制约了其进一步应用在系统控制领域。

4水轮机调速器控制模型的故障诊断分析

4.1开度模式切至频率模式分析

当机频在50．5～55Hz或45～49．5Hz频率区间内超过0．4s时，调速器则会从开度模式切换至频率模式，且频率恢复正常后不会自动切回开度模式。检查上位机正常开停机报警记录，调速器控制模式切换无报警，且因监控系统采集数据为秒级，频率实际跳变幅度和时间无法监测。随后开机试验，在空载运行中监测到一次频率扰动，实际最大频率达到51．5Hz，导叶开度波动达到7%，程序监视时测量的频率扰动，最大扰动频率达到了78．2Hz，随后实际导叶开度开始动作，真实频率相应改变。故调速器频率扰动造成开度模式切回频率模式调功令失效的可能性最大。

4.2电源消失试验

电源消失试验的目的在于,检查接力器受电源消失因素影响时的变化幅度合理与否。工作人员提前把调速器切换为负载状态,按顺序依次切除直流电源以及交流电源,同步记录接力器幅度变化情况,一段时间后再依次合交直流电源与交流电源。随后,对比测定值与标准值,如果不符合相关规定,工作人员需要调整调速器负载参数,直至接力器变化幅度达标。

4.3导叶开度控制

水泵水轮机的导叶开度控制调频，能够提供稳定的调频功率，持久稳定地改变机组出力，但由于需要机械动作改变导叶开度，因此频率响应速度较慢。系统频率出现偏差时，通过在水泵水轮机的导叶开度控制中加入频率控制环节，将电网频率偏差整定为导叶开度的附加指令，调节水泵水轮机导叶开度，实现水泵水轮机参与电网的频率调节。基于系统频率偏差，通过PI控制得到导叶开度控制量，调节水泵水轮机导叶开度，通过改变水泵水轮机输出的机械力矩调整机组的输出功率，提供更加稳定的功率支撑。

4.4导叶开度调整试验

在导叶开度调整试验中,工作人员提前把调速器切换至手动位指令处,将锁锭装置保持为提起状态,测定导叶实际开度值,对比测定值与仪表显示数值是否一致,在二者存在出入时,则把传感器指数调节为零位,断开传感器、接力器二者连接,重复上述操作,直至导叶开度值和仪表显示值完全一致。这一调试试验的目的在于,判断导叶开关转动情况灵活与否,保持开度指示、接力器行程二者的匹配状态,避免在后续导叶关闭期间出现锁锭装置无法正常插入、拔出的问题。

结束语

1)水轮机调速系统是一个经典的负反馈闭环控制系统，使用经典PID控制，其控制模型可简化为工况转换模型、正常调节模型。2)基于控制模型建立水轮机调速系统的故障诊断时，其诊断效果更为准确、快速。3)监控系统应优化调速器控制的报警记录，系统关键性报警完整性有助于更快捷的发现异常现象。4)从两种典型功率调节异常可以看出，该水电厂老式调速器控制逻辑需要进一步优化，以保证系统稳定可靠运行。

参考文献

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