基于PCC控制器的調速器控制策略研究與應用

常中原，張官祥，蔣小輝，陳自然，涂　勇

（1.中國長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓 644612；2.三峽大學科技學院，湖北 宜昌 443000）

0　引言

水輪機調速器是確保水電廠水輪發電機組安全穩定運行的重要輔助控制設備，作為被控機組的功率調節器和工況控制器，其動態特性和靜態特性品質的優劣直接關系到整個水輪發電機組的安全與穩定運行，執行網調下達的功率調節指令，配合監控系統完成被控機組的開停機、負荷調整以及緊急停機等工況轉換。調速系統配備冗余容錯微機調節器，采用主、備運行方式。備用機自動跟蹤工作機狀態，當工作機有故障時自動無擾動切換到備用機。若上述兩套系統同時故障時，自動無擾動切換到電手動控制方式下運行。微機調節器的控制器應能滿足水輪機調速器的性能、功能和穩定性要求等指標，PCC控制器運用于水電廠調速器控制系統中，可以提高調速器的動態性能，充分發揮PCC控制器分時多任務處理的優勢，使其操作簡單，維護方便，功能和性能不斷完善。

1　調速器性能特點

某水電廠采用PCC步進式水輪機調速器，是以PCC為核心控制器，步進電機/比例閥為控制對象，與液壓隨動系統配套組成。調速系統具有良好的可維修性，方便維護、檢查、檢修與調試，能利用微機對調速器的參數、控制邏輯進行實時監視和在線參數修改，同時控制邏輯完善、功能齊全、動態指標和靜態指標均良好。

1.1　系統可靠性高

PCC調速器的電氣部分由PCC控制器、電源系統、HMI、測速系統、變送器、繼電器、頻率測量板、位移傳感器以及各功能模塊等構成，為增加系統的可靠性，微機調速器采用微機調節器冗余容錯系統，具有比常規PLC調速器更高的可靠性。具有電手動和開環機械手動功能，主配壓閥具有斷電自復中功能。機械液壓系統中設有可靠的油過濾裝置，液壓部件的設計有防振、防卡、防止油粘滯的措施，以保證機械液壓部件正常工作。調速器具有通過軟件程序或自動化元件監測可判斷出電液轉換元件故障、主配壓閥是否發卡等功能。冗余系統中的每一個通道，即從輸入至輸出以及電源，均采用相同配置，且為相互完全獨立，在運行過程中，隨時將其中一個通道退出而不影響調速系統的正常工作，且退出的通道能進行停電檢修。微機調速器各部分的電源和導葉接力器位置傳感器冗余配置。兩套控制器的主接反饋和主配反饋信號各自獨立采集，形成位移傳感器的冗余設計；采用比例閥與步進電機兩種形式的電液控制裝置，形成電液轉換冗余。調速器采用大量的冗余設計保證了調速器可靠穩定運行，大幅度提高了系統穩定性。

1.2　測頻精度高

水輪機調速器采用多路冗余的測頻方式，具有高可靠性的特點。一般調速器的測頻通道有4路輸入，分別為1路殘壓測頻、2路齒盤頻率和電網頻率測量，頻率輸出為2路測值量，分別為機組頻率和電網頻率。其中，機端PT信號與齒盤信號為測量機組頻率而設，它們相互冗余。因此測頻容錯能力較強。3路頻率測量通道之間互為檢錯、糾錯以及備用，當頻率測量值大于設定閾值時，異常的頻率測量值將被判斷為錯誤值而自動丟棄，校正有效頻率值，同時報頻率故障信息，以便盡快查找故障原因，排除測頻故障通道，這樣通過多通道測頻方式保證了頻率測量的高可靠性。

為保證測速準確性，頻率選擇可根據控制邏輯進行選擇，不同的工況選擇不同的機組頻率。其具體的頻率控制邏輯為：當機組處于開機過程或停機過程時，優先選擇齒盤測頻信號，齒盤測頻信號中優先選擇齒盤1測頻信號，當齒盤1測頻信號故障時選擇齒盤2測頻信號，當齒盤2測頻信號同時出現故障時，選擇殘壓測頻信號，當3路測頻通道都出現故障時機頻取0 Hz，并報機頻故障。當機組處于空載態或負載態時，頻率優先選擇殘壓測頻信號，當殘壓信號故障時選擇齒盤測頻信號，齒盤測頻信號中優先選擇齒盤1測頻信號，當齒盤1測頻信號出現故障時選擇齒盤2測頻信號，當3路測頻通道均出現故障時機頻取50 Hz，并報機頻故障。當機組處于備用態或開機過程前30 s或停機過程時，將齒盤1信號、齒盤2信號、機頻信號和網頻信號置零且屏蔽所有頻率故障信號。

1.3　電源系統穩定性高

調速系統的電源系統在保障調速器正常運行中起著至關重要、不可或缺的作用。電源系統如果出現了故障而沒有被及時發現和解決，一旦發生事故，電氣設備便失去了控制功能，因而，保障調速器電源供電系統的正常運行是保障機組安全的基礎。

為了保證電源系統的可靠，水電廠調速器采用1路交流AC 220 V和兩路直流DC 220 V雙路供電方式。調速器系統的控制及信號電源采用DC 24 V供電，調速器電氣柜及調速器控制柜內分別裝設冗余的帶濾波器及抗干擾裝置的雙電源變換模塊，每個冗余電源模塊采用交/直流并列供電（AC 220 V、DC220 V），電源模塊的輸出經過隔離裝置后匯接在一起形成直流小母線，分別向微機調速系統、測速探頭和轉速裝置及緊急停機操作系統等提供相互獨立的供電回路。柜內裝設電源監視繼電器，對輸入電源、輸出電源等進行監視，若任一路開關電源發生故障時，系統中的電源監視故障指示燈會點亮，在任意一路輸入電源正常的情況下，能保證調速系統的正常供電。

2　PCC調速器的控制策略研究

水輪機控制系統有功率調節模式、開度調節模式、頻率調節模式3種主要的調節模式，而機組有停機備用態、開機過程、空載態、負載態和停機過程等多種運行工況，在不同的工作狀態下采用不同的調節規律和自動控制模型，其功能及其相互之間的轉換都是依靠PCC控制器調節完成。

2.1　閉環開機規律研究

目前，水電廠調速器的開機過程一般采用比較成熟的兩段式開機規律，其具體的工作原理為：

當調速器收到監控系統下發的調速器開機令后，調速器首先將導葉開度開啟至第1開度，即比空載開度大6%左右開度，此時機組轉速正常上升；當轉速上升至90%額定轉速時，調速器通過電氣開限將導葉開度回關至第2開度，即比空載開度大4%左右開度，并將空載開度賦給開度給定，同時根據PID選擇邏輯投入相應的PID參數進行運算，直至機組轉速上升至100%額定轉速并開始跟蹤系統頻率，自動開機完成，并轉入空載狀態。這種方式雖然能夠保證在開機過程中快速并穩定地將機組頻率達到額定頻率，導葉開至空載開度，但不能保證開機過程的整個環節全閉環，自動化水平不高。兩段式開機規律波形圖如圖1所示。

水輪機調速器控制領域中PCC控制器逐漸采用智能化開機控制策略，即全閉環開機規律。調速器在開機過程中，根據水頭值和機組特性在觸摸屏或程序中設置兩個開限，分別為開機開限和空載開限，開機開限能使機組快速啟動，空載開限能使機組開機超調量小，并能夠快速并網。機組在開機過程和空載態時，PCC控制器根據機組特征與運行工況，能夠不間斷地、適時選擇調節參數，保證機組并網前的穩定運行。目前此方式在巨型水電站中使用較少，未來它將會是調速器控制領域的發展趨勢。

圖1　兩段式開機規律波形圖

2.2　無擾動切換控制策略

目前調速器電氣部分采用雙套控制器冗余控制，A套控制器控制比例閥，B套控制器控制步進電機。當A套主用時，發出切換閥控制令，控制切換閥切換到比例閥所在油路工作，從而實現比例閥控制，當B套主用時，切換閥控制令復歸，控制切換閥切換到步進電機所在油路工作，從而實現比例閥控制。當主控制器工作時，從控制器的開度給定和功率給定跟蹤機組實際值，從而當機組發生A/B套切換時能保證無擾切換。當某一套控制器主用時，主用控制器優先享有控制權，備用控制器依然進行采樣運算但輸出結果不參與控制，自動跟蹤采集輸出，這樣實現無擾動主備切換。調速器的自動或電手動與開環機械手動操作方式進行切換、控制模式切換、兩套電源切換、調速器冗余系統切換時，均能自動跟蹤導葉開度，實現無擾動切換，確保水輪機主接力器的開度變化不超過其全行程的±0.5%。

某水電廠調速器在系統油壓為6.28 MPa、當前水頭為84.36 m、機組功率為300 MW的條件進行各種狀態切換試驗和控制模式切換試驗，調速器的開度和功率變化滿足無擾動切換要求，保持油壓裝置壓力正常，機組頻率控制在50 Hz附近，其負載切換試驗記錄如表1所示。

表1　負載切換試驗記錄表

2.3　頻率自動調節控制策略

頻率自動控制是水電廠調速系統中維持有功功率供需平衡的主要措施，其根本目的是保證電力系統的頻率穩定。頻率偏低，使水輪發電機轉速下降，功率降低，造成機械出力下降；頻率偏高，使水輪發電機轉速上升，增加功率消耗，嚴重時會導致電網解列崩潰。因此，需對機組頻率進行自動調節，維持機組頻率在允許范圍之內，提高機組運行的經濟性。

按照調整范圍和調節能力的不同，頻率調整可分為一次調頻和二次調頻。水輪機調速器一般參與電廠的一次調頻功能，其頻率調節模式分為頻率給定和頻率跟蹤兩種。頻率自動調節控制策略為：當頻率調節模式為頻率給定時，調速器以頻率給定值為目標值，進行PID運算，從而驅動裝置以此輸出信號為標準值調節導葉開度，以使機頻等于頻率給定值，從而實現了頻率自動跟蹤頻給。一般情況下，頻率給定值通過軟件設置或監控系統轉速增減把手進行下發，空載態下頻率給定擾動試驗波形圖如圖2和圖3所示，通常機組在運行狀態下LCU很少對調速器進行頻率增減操作。當頻率調節模式切換為頻率跟蹤時，調速器自動以系統頻率作為目標值，調速器通過PCC控制程序計算頻差從而進行PID運算，在調節導葉過程中機頻始終以系統頻率為目標，實現機組頻率自動跟蹤電網頻率的功能。調速器控制柜的操作顯示面板上可以實現手動設置頻率跟蹤功能的投入與退出，機組在負載運行態下，控制程序預先設定機組頻率的優選控制邏輯，一般情況下機組頻率自動跟蹤電網頻率。

圖2　B套主用齒盤測頻擾動試驗波形圖（52～48 Hz）

2.4　功率自動調節控制策略

功率調節模式適用于機組并網運行、受水電站AGC系統控制的工況。機組在負載態下功率實現閉環調節，其控制模式有功率模擬量給定和功率脈沖量給定兩種。機組并網后，功率控制模式默認為功率模擬量給定方式，當功率模擬量給定方式出現故障時控制方式切換為功率脈沖量給定。當功率給定方式出現故障時，機組控制模式切除閉環調節，進行半開環調節，同時調速器切至開度模式，跟蹤調速器自身的功率采樣值。在功率調節模式下，微機調節器的開度給定Yc不參與自動閉環調節，它實時跟蹤實際的導葉接力器開度值，使得當由功率調節模式切換至頻率調節或開度調節模式時，能實現無擾動切換。

2.5　適應式變參數PID調節控制策略

隨著水輪機調節系統的被控制系統的非線性特性和工作狀態及對象參數的變化，水輪機調節系統的動態過程及特性也會發生變化，這會導致有時系統可能不滿足相關的技術要求。但是,又不可能人為地針對被控制系統的工作狀態和技術參數的變化而隨時改變水輪機控制系統的動態調節參數。常規的PID控制器是線性的，在用于控制具有多種不確定性、時變性和非線性系統時很難獲得滿意的控制品質。為了彌補常規PID控制的缺陷，提高系統的性能，可以采用水輪機調節系統的適應式變參數調節模式，水輪機調節系統本身能夠隨著被控制系統的非線性特性和工作狀態及對象參數的變化,自行更換事先擬定好的與之相適應的調節參數組合,實時地對水輪機調速系統中的電液隨動系統的PID參數進行在線調整，使PID控制器能根據輸入變量和負載的變化作變參數調節，提高系統對時變性和不確定性等因素的處理能力和控制。

水電廠調速器PID調節參數一般分為空載PID參數、功率模式PID參數、開度模式一次調頻PID參數和孤網模式PID參數。機組并入大電網運行工況時，按照電網對于一次調頻的技術要求，選擇PID參數，使其滿足規定的動態性能指標。接受AGC系統的功率給定(或開度給定)指令，采用有開環增量△P的功率調節模式。在編程時一定要使△P為水頭H和接力器行程Y的函數，即△P對H和Y適應式變參數，否則，在低水頭工況整定的△P值將使在高水頭下的功率調節出現大的超調和振蕩，使得被控機組功率快速而單調地趨近功率給定 (或開度給定)值。

2.6　調速器主控邏輯

根據水輪機微機調速器對水輪發電機組的調節與控制情況，可將調速器的工作狀態分為停機備用態、空載態、負載態、調相態等，在上述工作狀態之間的轉換過程：開機過程、停機過程和甩負荷。工作狀態是水輪發電機組可以穩定運行的工況，轉換過程實質上是屬于水輪機調節系統的動態過程。微機調速器各狀態或過程的轉換關系如圖4所示。

圖4　微機調速器故障狀態轉換關系

3　PCC調速器的現場應用

將上述控制策略和研究結論實際應用于某水電廠，對該PCC水輪機調速器真實數據進行閉環運行和仿真試驗。

（1）分段關閉試驗。機組在靜水中動作緊急停機電磁閥進行分段關閉，如圖5所示，曲線1為接力器行程線，曲線2為導葉開度。第1段拐點為56.63%，對應接力器行程61.00%,第1段關閉時間為3.43 s；第2段拐點為5.88%，對應接力器行程為9.77%,第2段關閉時間為10.10 s,第2段關閉至20%開度時間為7.11 s。

圖5　調速器接力器分段關閉曲線

（2）甩負荷試驗。機組處于大系統狀態，甩75%額定負荷波形如圖6所示，其中曲線1是頻率線，曲線2是導葉開度線。

圖6　調速器甩75%額定負荷波形圖

（3）過速試驗。機組在正常運行期間，人為手動增加轉速至電氣二級過速動作值，使其水機后備保護的過速保護動作，如圖7所示，曲線1為導葉開度線，曲線2為頻率線，曲線3為主配位置線。如圖所示，導葉從空載開度15.2%～93%時共用時29 s，當轉速達到148%時其對應的最大開度為93%，導葉關閉時第1拐點為57%，關閉過程中導葉開度停留在20%開度的時間約為4.4 s。

圖7　過速試驗波形圖

4　結束語

PCC式水輪機調速器的控制策略在技術上有重要創新，具有高可靠性、高技術性能的特點，設計合理，運行和調節控制效果良好，運行穩定可靠，基于適應式參數自調整PID控制策略和全閉環開機規律，實現水力機組工況的最佳調節，其動態特性有了明顯改善，提高了調速器的可靠性和安全性，從而有效地保證了水電站機組的長時間穩定安全運行，對提高電力系統的穩定和經濟運行有重要意義。

參考文獻：

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