DJT型調速器幾種調節方式在白溪電廠的應用

郭光海（寧波市白溪水庫管理局，浙江 寧波 315600）

DJT型調速器幾種調節方式在白溪電廠的應用

郭光海
（寧波市白溪水庫管理局，浙江 寧波 315600）

摘要：DJT型調速器是一種全新的水輪機調速器，它結合自身的特點，能根據不同的工況采用不同的調節規律，在閉環開機、頻率調節、功率調節等工況中使用不同的調節方式，并能在特殊工況如帶小系統運行中平穩準確的調節。

關鍵詞：調節規律；調速器；閉環開機；小系統

0　引言

白溪水電廠位于浙江省寧海縣境內，裝機2× 9000kW，是寧波電網直調的最大常規水電站，擔任系統峰腰荷。其中1號機經1號主變直接向躍龍變電所35kV一段供電，2號機經2號主變途經岔路鎮變電所后送往躍龍變電所35kV二段。水輪機調速器選用武漢長江控制設備研究所生產的DJT5000型全可編程調速器，它有很多優點，其主要特點之一是電氣部分以可靠性極高的FX2N系列可編程序控制器為核心，在調節技術上采用連續實時變參數的PID控制算法，根據機組特性與工況，連續適時改變調節參數，確保系統穩定并具有良好的調節品質。

1　水輪機調速器的常用調節規律

按傳統自動控制理論構成的自動調節系統，調節器的任務是把被調量與給定值的偏差進行變換，產生使偏差信號減小的調節作用，將偏差信號變換成調節作用所遵循的變換規律就是調速器的調節規律。調速器調節規律中常用的基本調節規律與其他工業調節規律一樣，即PID調節。

（1）比例調節，其調節裝置輸出量的大小與被調量的偏差大小成正比，表達式為

y=Kp×x

y——調節裝置的輸出量

x——被調量與輸出值的偏差

Kp——調節器的比例系數，DJT型調速器范圍為0.5～20。

從公式可以看到，比例調節時，調節作用y與被調量的偏差x將會同時出現，這個階段可稱作快速調節，且調節作用的大小與x成正比，調節作用強。但比例系數Kp選擇過大，將引起過調節，使調節系統產生振蕩的傾向；若Kp較弱，調節作用不強，調節過程變慢。

（2）積分調節，即調節裝置輸出量的大小與被調量偏差積分成正比，表達式為

y=KI×∫xdt

KI為調節器的積分系數，DJT型調速器范圍為0.05～10（/s）

積分調節是一種與調節作用時間有關的調節。假設偏差為常數A，則調節作用y=KI×At，因為只要偏差還存在，調節作用y將隨著時間增加或減小，一直到偏差消除為止。因此積分調節規律可以實現無差調節。一般情況下，積分調節規律總是同比例調節同時作用。比例調節作用使調速器的接力器迅速地增大或減小到某一位置，但不使之過調；積分作用使調速器的接力器再緩慢增大或減小，直至偏差x消失，這樣兩項聯合作用的結果既保證了調節的快速性，又保證了調節的準確性和穩定性。在水輪機調速系統中，比例系數大時調速系統動作趨向于動作快，但過大時易引起系統振蕩，甚至破壞系統的穩定性。積分調節規律將明顯使調速系統調節品質改善。但積分作用過強也會引起調速系統振蕩，若積分作用太弱，將使調速系統過渡過程時間增長。

（3）微分調節，調節裝置輸出量的大小與被調量變化率成正比，表達式為

y=KD×dx/dt

KD為調節器的微分系數，DJT型調速器范圍為0～5s。

一般情況下，適當地配置比例系數和積分系數將會得到滿意的調節過渡過程。但是，具有長引水管的水輪發電機組和貫流式水輪發電機組，由于引水管水流加速時間常數與機組慣性時間常數之比值較通常機組大，很難找到適當的比例系數和積分系數搭配，這時比例加積分調節規律難以滿足這類機組調速系統穩定性的要求。把比例系數和積分系數設置很小，即使滿足了系統穩定性的要求，但這時調速系統的過渡過程時間很長,調速系統被調量--機組頻率的動態誤差顯著增大，將無法實現機組與電網并列。在水輪機調速器中再引入微分調節，即采用PID調節規律將使較大的機組的調速系統穩定性得到緩解，也使一般的水輪機調速系統的調節品質得到明顯改善[1]。近十年來，由于電子技術的發展，引入微分調節規律也十分方便。各類水輪機調速器大多采用了PID調節規律。但是，應該指出，不是任何情況下采用PID都是合理的。例如，當機組并入大電網時，必須切除微分項，因為此時機組并不存在著穩定性問題和調節品質問題，投入微分項沒有任何必要，而且可能由于微分項引入有增強干擾信號的作用。此外，當測頻信號源頻率不穩定時，微分調節項將對頻率的變化十分敏感，甚至因此引起主配壓閥的跳動。

2　DJT型調速器在不同工況下的調節規律

水輪發電機組有多種運行工況，針對不同的運行工況，需要采用不同的控制規律、控制結構和調節參數。控制規律的形成，系統結構的改變一般通過軟件實現，下面是DJT型調速器在幾種典型工況下的調節過程。

2.1閉環開機

機械液壓調速器和一般的電液調速器，在開機過程中，轉速信號反饋是斷開的，靠控制電路控制機械開限機構，控制導水機構按規定程序運動，實現機組的開環啟動。當轉速接近額定值時，接入測頻信號，調速系統才進入閉環調節。DJT型調速器在整個開機過程中，測頻信號一直接入，調速系統始終處于閉環調節狀態，原理如圖1。

圖1閉環開機原理圖

2.2頻率調節和頻率跟蹤

頻率調節系統框圖如圖2。

圖2頻率調節原理圖

當機組處于空載運行，調速器在自動工況，頻率跟蹤功能退出時(標志開關合)。調速器受給定頻率值控制。該值與機組頻率相減，微機控制器對其差值進行PID運算，其結果通過電液隨動裝置驅動導水機構，改變進入水輪機的流量，直至機組頻率等于給定頻率，頻差值為零時止。頻率給定值可通過鍵盤輸入，也可以由上位機或自動準同期裝置發出的增減開關量命令進行調整。

當投入頻率跟蹤功能時（標志開關斷），微機調速器自動地將網頻作為調速器的頻率給定值，與頻率自動調節過程一樣，在調節過程終了時，機組頻率值將與頻率給定值——網頻相等，實現了機組頻率跟蹤電網頻率的功能。

2.3功率調節

功率調節系統框圖如圖3。

圖3功率調節原理圖

機組并網前bp＝0，并網后，自動整定為50 Hz，bp為整定值，即微機調節器的硬反饋回路投入，實現有差調節，同時切除微分作用，增大積分時間常數，投入人工失靈區，導葉開度按－1/bp的比例隨著頻差變化。并入同一電網的機組將按各自的bp整定值自動調整，bp小的機組分較多的負荷。

當上位機或機旁的增減功率按鈕發出增減負荷命令時，功率給定軟件將按a0±Kt的規律改變給定值PG。PG信號一方面通過前饋回路直接控制積分輸出值，一方面與調節器輸出值相比較，差值通過bp回路調整功率。由于前饋信號的作用，負荷增減較快。

3　白溪電廠自帶廠用電和岔路用電的小系統運行

3.1機組自帶廠用電

白溪電廠裝設2臺機組，分別通過不同的35kV線路向系統送電。雖是2條線路，但采用同塔雙回路。在夏季多雷季節時，一旦線路遭雷擊，通常2條線路跳閘同時失電，另外雖有10kV第3路電源供廠用電，但可靠性不如35kV線路，往往首先雷擊失電。這樣就會全廠廠用電消失，給全廠安全生產造成隱患。因此最好能利用機組自帶廠用電。全廠廠用電約為200kW。當兩線路跳閘失電，而電網不能短時間恢復送電時，機組通過手動開機至空載轉速后手動合上發電機開關，然后帶主變及廠變零升至額定電壓即可自帶廠用電。自2001年5月投產以來，機組經過黑啟動自帶廠用電30余次。自帶廠用電小網運行時，機組頻率在50±0.1Hz間波動，導葉幾乎在空載位置。全廠的最大單個負荷為滲漏水泵，18.5kW電機2臺，同時啟動，機組幾乎未見明顯反應。此時機組雖為小系統運行，但發電機出口開關在合閘位置，調速器顯示并網運行，按功率調節方式調節，實際上按－1/bp的比例調節輸出調節，是有差調節，只要頻率在人工失靈區范圍內，調速器不動作。若因水泵、油泵等大負荷啟、停，頻率降低或升高，調速器自動跟蹤50Hz，反應快速準確，可見DJT型調速器自帶廠用電時不需做參數調整，能滿足普通負荷的需要。

3.2機組自帶岔路變小系統運行

機組帶岔路變小系統運行與帶廠用電系統不同之處在于負荷大，約為5000kW，達機組裝機的50%，導葉開度不在空載附近，用戶負荷增減較大較快，因此調速器能否既快又準地把頻率穩定在50Hz是問題的關鍵[2]。在電網系統要求我廠自帶岔路變時，首先將機組并網，將機組有功升至岔路用戶負荷附近，大約5000kW，此時通過岔路變與系統電網的聯絡開關有功為零，電流為零，拉開該聯絡開關，實現機組帶岔路變的平穩過渡，這與機組完全黑啟動不同。為了避免負荷突變引起機組頻率過低導致發電機低周保護跳閘事故停機，將低周保護整定值49.2Hz由跳閘事故停機改為報警。這樣帶岔路變時頻率在49.1～50.7Hz之間波動，調速器頻繁動作，用電質量較差。為此拆除了調速器上并網接點即發電機斷路器合閘位置接點，修改調速器空載限位至60%開度，取KP＝4，KI＝0.15，KD＝1.5，調速器穩定，頻率在50±0.2Hz內變化。此時雖為自帶岔路變并網運行，但調節方式為跟蹤頻率給定50Hz的PID調節，用電質量基本滿足用戶要求。

4　結束語

DJT型調速器能根據發電機的不同運行工況，采用不同的控制規律和調節參數對機組頻率、功率進行平穩快速準確的調節。尤其在非常特殊的工況如自帶小系統運行時亦能滿足要求。但也稍有不足，如PLC僅通過發電機開關分合閘位置來識別大/小網運行，又如可增加復雜工況的控制方式，可在我廠自帶廠用電或岔路變時仍可采用PID的無差調節，并可在觸摸屏上方便選擇各種控制方式。

參考文獻：

[1]沈祖詒.水輪機調節[M].3版.北京：中國水利水電出版社

[2]李永國.調速器的調試與故障處理[M].南京：河海大學出版社.

中圖分類號：TK730.4+1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）01-0027-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.009

收稿日期：2014-07-04

作者簡介：郭光海（1976-），男，高級工程師，從事水電廠運行、檢修及管理工作。