一種適用于抽水蓄能機組的微機調速器設計

金玉成 劉國富

(哈爾濱電機廠有限責任公司,黑龍江哈爾濱 150039)

一種適用于抽水蓄能機組的微機調速器設計

金玉成 劉國富

(哈爾濱電機廠有限責任公司,黑龍江哈爾濱 150039)

本文介紹了一種適用于抽水蓄能機組控制的微機調速器設計,該調速器采用雙冗余控制結構,利用西門子S7-400系列PLC搭建硬件平臺,針對抽水蓄能特殊水力特性和運行工況進行了控制功能的分析處理與編程實現。

抽水蓄能機組 調速器

水輪機調速器是由實現水輪機調節及相應控制的機構和指示儀表等組成的一個或幾個裝置的總稱，它是水輪機控制設備（系統）的主體。[1]目前，隨著核電站建設與新能源開發的迅速發展，我國抽水蓄能電站建設進入了一個高速發展的時期，抽水蓄能機組在電力系統中承擔著調峰、調頻、調相、事故備用以及吸收多余電能等任務，是電網中重要的儲能和調峰調頻節點。抽水蓄能機組過渡過程復雜，控制難度大，對調速器的總體設計要求較高，本文介紹了作者參與開發的一種適用于抽水蓄能機組的微機調速器。

1 調速器控制元件構成

該微機調速器采用西門子S7-400系列PLC作為控制器，采用了冗余結構設計保證了運行的可靠性。微機調速器可以實現防錯、容錯功能，并具備死區和零點漂移的動態補償功能，采用觸摸式高分辨率彩色觸摸屏作為人機界面利于狀態監測及參數修改。[2]本設計方案的控制元件配置如表1所示。

程序設計中包含的組織塊(OB)、系統功能(SFC)、系統和標準功能塊(SFC)，通過功能塊的編譯和各塊間的功能調用來構建程序。STEP7軟件可選擇多種不同的編程方法(梯形圖、功能塊圖、語句表、標準語言、順序控制、或狀態圖)，本設計方案采用功能塊圖(FBD)，通過邏輯框的組合直接表示調速器控制。

表1 控制元件配置表

圖1 抽水工況轉換流程圖

2 調速器控制方式設計

調速器電氣調節系統有三種主要的控制模式即頻率控制模式、功率控制模式和開度控制模式，其相互間的轉可由調節器根據當前工況自動完成。

頻率控制模式，又稱轉速控制模式，該工況一般用于地區負荷及小電網或孤網，導葉開度隨電網頻率改變而按永態差值系數自動調整。開度模式是水輪發電機組并入電網后采用的控制模式，在這種模式下，接力器開度即機組所帶的負荷在某一頻率范圍內不隨頻率變化而變化。功率模式也是并網后采用的控制模式適用于大電網調節機組輸出有功功率的運行模式，這時取給定功率與實際功率之差進行PI調節，達到調節實際功率按給定功率輸出的目的。

調速器采用并聯型PID調節規律作為調速器的控制基礎，程序內部將判斷電氣調節系統的控制模式自動選取PID參數，PID公式如下：

3 調速器工況轉換控制

抽水蓄能機組調速器與常規調速器控制的重要區別在于增加了抽水工況和抽水調相工況及其他工況間的相互轉換。根據反復論證，我們設計了一套適合抽水蓄能機組應用的工況轉換流程。當調速器收到來自監控的抽水開機令，如果機組頻率達到額定，并且發電機出口斷路器閉合，則先把導葉開到抽水啟動開度。如果機組在抽水工況，在接到抽水調相命令時，則關閉導葉，機組進入調相狀態，在接到復歸調相命令時，則打開導葉到抽水協聯開度，在抽水工況等待向其他工況轉換。在抽水工況接收到快速轉換令時，調速器先把導葉關閉到較小的設定開度，然后發電機出口開關會跳閘調速器檢測到機組頻率低于10%額定頻率時，切換為發電開機，導葉開到啟動開度頻率逐漸變為+50Hz。圖1為抽水工況轉換流程圖。

4 結語

本調速器設計方案完成真機組裝后經仿真測試，各項性能指標優良，證明采用高性能PLC搭建硬件平臺，通過合理的程序設計是可以滿足大型抽水蓄能機組的使用要求的，未來將根據電網頻率調節等方面要求進一步完善控制程序的設計工作。

[1]魏守平.水輪機調節系統的動態過程特性[J].水電自動化與大壩監測,2012(1)：30-33+45.

[2]孔昭年.水輪機控制系統的設計與計算.長江出版社,2012.

國家科技支撐計劃項目：大型抽水蓄能機組控制系統裝置及系統集成技術研發(2011BAF03B03)。

金玉成(1983—),男,漢族,籍貫：黑龍江哈爾濱,工程師,現從事水輪機自動化及調速器系統設計工作。