抽水蓄能機(jī)組導(dǎo)葉控制系統(tǒng)行程檢測(cè)及回路調(diào)試方法

吳 昊，鞏 宇，陳鳳華

(1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣東廣州510950；2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東廣州510000；3.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司惠州蓄能水電廠，廣東惠州516100)

抽水蓄能機(jī)組在電網(wǎng)中，主要起調(diào)峰調(diào)頻調(diào)相、事故備用、黑啟動(dòng)等重要作用。人民在追求美好生活的過(guò)程中，已經(jīng)不僅滿足于“用上電”，更重要的是“用好電”。隨著用戶對(duì)電力能源日益增長(zhǎng)的高質(zhì)量需要，電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行指標(biāo)也將越來(lái)越嚴(yán)格，配備抽水蓄能機(jī)組已成為區(qū)域大電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，抽水蓄能機(jī)組的調(diào)峰調(diào)頻質(zhì)量將直接影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和用戶側(cè)的電能質(zhì)量。調(diào)速系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行控制的核心系統(tǒng)之一，而導(dǎo)葉位置控制是調(diào)速器的直接輸出回路，一旦出現(xiàn)故障將造成機(jī)組啟動(dòng)或停機(jī)失敗、跳機(jī)等嚴(yán)重后果。

1 導(dǎo)葉位置控制原理

1.1 導(dǎo)葉控制系統(tǒng)的組成

為提高調(diào)速系統(tǒng)性能，保證蓄能機(jī)組“開(kāi)得起、調(diào)的出、停的下”，在許多電廠的調(diào)速器系統(tǒng)中，尤其是對(duì)于采用一對(duì)導(dǎo)葉接力器通過(guò)導(dǎo)葉控制環(huán)的傳導(dǎo)來(lái)一起控制多個(gè)導(dǎo)葉的機(jī)組，導(dǎo)葉控制回路多采用串級(jí)控制方式，即在主控制環(huán)—導(dǎo)葉位置控制環(huán)—中增加副環(huán)配壓閥位置控制環(huán)[1-3]。由此一來(lái)，除導(dǎo)葉位置控制外，配壓閥位置的檢測(cè)和控制就對(duì)調(diào)速器性能乃至蓄能機(jī)組性能也起到了決定作用。但是，這增加了導(dǎo)葉控制回路的復(fù)雜性，對(duì)運(yùn)維和調(diào)試人員的技術(shù)水平提出了挑戰(zhàn)[4]。

但有的電廠，尤其是采用單導(dǎo)葉獨(dú)立控制方式的機(jī)組，沒(méi)有導(dǎo)葉控制環(huán)，而是由多個(gè)獨(dú)立設(shè)置的接力器去控制相應(yīng)的導(dǎo)葉，一般也就不會(huì)再設(shè)計(jì)配壓閥位置檢測(cè)，這使得液壓設(shè)備檢修空間更大、單導(dǎo)葉的控制邏輯更加簡(jiǎn)單，但犧牲了控制性能、增加了控制設(shè)備，且容易出現(xiàn)導(dǎo)葉不同步報(bào)警[5]。

如圖1所示，本文以典型的帶配壓閥位置檢測(cè)的導(dǎo)葉控制回路為例，該回路由控制器、電液轉(zhuǎn)換器、配壓閥、導(dǎo)葉接力器和相關(guān)傳感器組成，另有液壓系統(tǒng)提供一次設(shè)備控制動(dòng)力[6]。

圖1 帶配壓閥位置檢測(cè)的導(dǎo)葉控制回路

1.2 核心控制原理

導(dǎo)葉位置控制回路，符合典型的串級(jí)負(fù)反饋過(guò)程控制原理[1-2]。如圖2所示，串級(jí)控制系統(tǒng)有主副兩個(gè)環(huán)，主環(huán)是導(dǎo)葉位置控制環(huán)，由控制器收到的設(shè)定值(正常運(yùn)行時(shí)由上級(jí)控制器通過(guò)負(fù)荷/頻率控制計(jì)算得出)、PI(比例積分)控制參數(shù)、電液轉(zhuǎn)換器電氣零點(diǎn)補(bǔ)償參數(shù)、輸出值、導(dǎo)葉位置反饋值和限制模塊組成；副環(huán)是配壓閥位置控制環(huán)，由P(比例)控制參數(shù)、帶D(微分)環(huán)節(jié)的配壓閥位置反饋和配壓閥機(jī)械中位補(bǔ)償參數(shù)組成[6]。

相較于一般系統(tǒng)，需要特殊解釋的是，電液轉(zhuǎn)換器電氣零點(diǎn)補(bǔ)償參數(shù)RTA和配壓閥中位補(bǔ)償參數(shù)VA_OSP的意義。電液轉(zhuǎn)換器是連接調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，廣蓄A(yù)廠使用的TR10型電液轉(zhuǎn)換器具有電磁閥的特性，當(dāng)調(diào)速器電氣柜停止輸出時(shí)代表關(guān)小導(dǎo)葉，當(dāng)調(diào)速器電氣柜增加輸出時(shí)會(huì)開(kāi)大導(dǎo)葉，所以必須要求取一個(gè)電氣零點(diǎn)，這個(gè)零點(diǎn)表示電液轉(zhuǎn)換器在這個(gè)位置時(shí)能夠保持導(dǎo)葉既不開(kāi)大也不關(guān)小。同理，配壓閥作為液壓放大環(huán)節(jié)的一部分，是純機(jī)械結(jié)構(gòu)，其閥芯受電液轉(zhuǎn)換器輸出的液壓控制向上打開(kāi)高壓油路或者向下關(guān)閉高壓油路，所以必須要求取一個(gè)機(jī)械中位，這個(gè)中位表示配壓閥在這個(gè)位置時(shí)能夠保持導(dǎo)葉既不開(kāi)大也不關(guān)小。

在控制框圖中，可以看出除了電液轉(zhuǎn)換器電氣零點(diǎn)補(bǔ)償參數(shù)RTA和主配壓閥中位補(bǔ)償參數(shù)VA_OSP外，還有最難求取的控制環(huán)主環(huán)控制增益KP、控制環(huán)主環(huán)積分TI、控制環(huán)副環(huán)增益VA_KP、控制環(huán)副環(huán)微分TD/KD。若相鄰機(jī)組控制參數(shù)已知，則可帶入后進(jìn)行微調(diào)，若未知，由于液壓控制回路的特性，在此推薦使用串級(jí)控制的兩步整定法[1]。具體整定方式詳見(jiàn)本文第2部分。

1.3 液壓行程的檢測(cè)

對(duì)于這樣一個(gè)串級(jí)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中最需要關(guān)注的往往不是設(shè)定值，而是反饋，即導(dǎo)葉位置反饋值和配壓閥位置反饋。但是幾乎所有電廠的導(dǎo)葉和配壓閥動(dòng)作行程都會(huì)超出傳感器檢測(cè)范圍，我們可以采用“行程變換方法”來(lái)解決這一問(wèn)題。比如根據(jù)立體幾何下的行程變換原理，使用“圓臺(tái)”(見(jiàn)圖3)將配壓閥的直線行程轉(zhuǎn)換為斜向行程。

圖3 配壓閥位置檢測(cè)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)—圓臺(tái)

若用X表示配壓閥閥芯的實(shí)際動(dòng)作行程(垂直于水平面方向)，θ表示聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)即圓臺(tái)底角，Y為傳感器檢測(cè)到的變換后的行程。則行程變換公式為

Y=X·cosθ

(1)

用某電感式接近開(kāi)關(guān)作為傳感器，Y需滿足0.8～8 mm即7.2 mm的檢測(cè)范圍要求，而X為20～21 mm，經(jīng)計(jì)算，θ設(shè)置為70°最為合適。

如前所說(shuō)，若想精準(zhǔn)控制導(dǎo)葉位置、通過(guò)開(kāi)關(guān)電液轉(zhuǎn)換器控制主配壓閥進(jìn)行能量傳遞，則首先要得到導(dǎo)葉位置和主配位置這兩個(gè)重要反饋。一般使用輸出4～20 mA信號(hào)的電感式接近開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)導(dǎo)葉和配壓閥的位置，傳感器特性曲線見(jiàn)圖4。在傳感器安裝完成后首現(xiàn)應(yīng)該進(jìn)行傳感器的標(biāo)定，以使其輸出和機(jī)械位置相匹配。例如設(shè)置傳感器輸出4 mA的位置為導(dǎo)葉全關(guān)，而20 mA代表導(dǎo)葉全開(kāi)。調(diào)試流程如圖5所示。

圖4 傳感器特性曲線

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試

圖5 調(diào)試流程示意

2.1 明確行程檢測(cè)方式

進(jìn)行傳感器聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)并安裝聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳感器。安裝標(biāo)準(zhǔn)：要求傳感器安裝穩(wěn)固不易被干擾，根據(jù)傳感器輸出特性，一般距離動(dòng)作機(jī)構(gòu)最遠(yuǎn)時(shí)，反饋值應(yīng)為20 mA左右；距離動(dòng)作機(jī)構(gòu)最近時(shí)，反饋值應(yīng)為4 mA左右。

2.2 傳感器標(biāo)定

若用POS代表機(jī)械設(shè)備所處的位置，RAW代表傳感器檢測(cè)到機(jī)械位置后所反映的初值，POS和RAW存在著線性關(guān)系，記該線性關(guān)系的兩個(gè)參數(shù)分別為GAIN和OFFSET，可得公式(2)。記錄導(dǎo)葉和配壓閥全關(guān)時(shí)傳感器反饋的初值SERAW_C和VARAW_C。手動(dòng)使配壓閥和導(dǎo)葉開(kāi)至最大，記錄此時(shí)傳感器反饋初值SERAW_O和VARAW_O。又已知導(dǎo)葉全開(kāi)時(shí)對(duì)應(yīng)的POS為1，全關(guān)時(shí)對(duì)應(yīng)的POS為0，將兩個(gè)RAW值(SERAW_O和VARAW_O)帶入公式(2)，形成二元一次方程組，則求出GAIN和OFFSET。同理求取配壓閥傳感器標(biāo)定參數(shù)，并將求取得到參數(shù)寫入程序中。即

POS=GAIN·RAW+OFFSET

(2)

2.3 補(bǔ)償參數(shù)的求取

根據(jù)圖2，先將主環(huán)增益KP設(shè)為0，副環(huán)增益VA_KP設(shè)為1，電液轉(zhuǎn)換器電氣零位RTA設(shè)為0，主配中位參數(shù)VA_OSP設(shè)為1；開(kāi)啟錄波，觀察設(shè)定值、反饋值。開(kāi)啟調(diào)速器手動(dòng)模式、使能輸出，此時(shí)導(dǎo)葉設(shè)定值為0，配壓閥設(shè)定值為1，導(dǎo)葉將開(kāi)至最大。待導(dǎo)葉穩(wěn)定后，此時(shí)觀察到的調(diào)速器最終輸出值即可認(rèn)為是電液轉(zhuǎn)換器的電氣零點(diǎn)。恢復(fù)KP和VA_KP，主配中位補(bǔ)償VA_OSP繼續(xù)保持0，手動(dòng)設(shè)定開(kāi)度50%，導(dǎo)葉穩(wěn)定后的主配反饋值即可認(rèn)為是主配中位理想值，將該值作為主配中位補(bǔ)償VA_OSP寫入。進(jìn)行導(dǎo)葉靜態(tài)反應(yīng)試驗(yàn)，觀察導(dǎo)葉動(dòng)作情況，微調(diào)補(bǔ)償參數(shù)VA_OSP，使導(dǎo)葉控制偏差達(dá)到最小。

2.4 控制參數(shù)的整定

控制參數(shù)整定推薦使用串級(jí)控制的兩步工程整定法[1]。

(1)首先整定副環(huán)，去掉積分和微分，將主調(diào)節(jié)器KP置1，副環(huán)增益VA_KP設(shè)0.1，然后逐漸增大，當(dāng)副環(huán)對(duì)階躍的響應(yīng)達(dá)到4∶1的衰減震蕩過(guò)程時(shí)，記下副環(huán)的比例度δVA_KP(即VA_KP的倒數(shù))和過(guò)渡周期TVA_KP。

(2)將副環(huán)增益VA_KP固定，逐漸減小主環(huán)的比例度，當(dāng)主回路達(dá)到4∶1的理想衰減震蕩過(guò)程時(shí)，記下主環(huán)的比例度δkp和過(guò)渡周期Tkp。

(3)根據(jù)δVA_KP，TVA_KP，δkp，Tkp進(jìn)行計(jì)算。副環(huán)增益直接取實(shí)驗(yàn)值，主環(huán)增益取實(shí)驗(yàn)值的0.8，主環(huán)積分時(shí)間取1/2的主環(huán)過(guò)渡周期Tkp，微分暫不設(shè)置。

(4)按先副后主、先比例次積分后微分的原則，將計(jì)算得出的參數(shù)設(shè)置好。進(jìn)行階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察曲線，并根據(jù)響應(yīng)結(jié)果微調(diào)參數(shù)。

3 需要注意的問(wèn)題

3.1 行程檢測(cè)的平衡

將機(jī)械設(shè)備的大行程縮小去檢測(cè)，不僅可以使用檢測(cè)范圍較小的傳感器(事實(shí)上現(xiàn)實(shí)中對(duì)精度要求較高的傳感器檢測(cè)范圍都應(yīng)該是較小的，否則就會(huì)帶來(lái)更多干擾)，而且可以安裝于空間較小的地方，但也是有風(fēng)險(xiǎn)的，因?yàn)檫@需要傳感器和控制器的模擬量處理非常精確(將4～20 mA的范圍分割成盡量大的數(shù)字量，如有的控制器設(shè)置為819～4095，有的設(shè)置為0～10000)，將行程縮小之后，傳感器一個(gè)小小的輸出變化一就代表著一個(gè)很大的機(jī)械位移，也意味著一個(gè)小小的擾動(dòng)使傳感器輸出變換，就可能會(huì)引起控制系統(tǒng)的較大反應(yīng)。

反之，如果將機(jī)械行程變大去檢測(cè)，或者說(shuō)不進(jìn)行行程變換而直接使用檢測(cè)范圍大的傳感器，這樣可以有效的避免微小干擾，因?yàn)閭鞲衅鞯乃艿男_動(dòng)僅代表著很小的機(jī)械位移，不會(huì)引起控制設(shè)備大動(dòng)作，而難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)出大量程的傳感器、需要有足夠的安裝空間、需要做好大間隙的隔離。

3.2 參數(shù)變化的困擾

導(dǎo)葉控制回路，是“控制機(jī)組能量傳輸咽喉要道”的回路，故控制參數(shù)影響到的回路動(dòng)特性和補(bǔ)償參數(shù)影響的回路靜特性都極其重要。如果因檢修需要，導(dǎo)葉控制回路中所涉及得機(jī)械設(shè)備發(fā)生了變化(如電液轉(zhuǎn)換器更換、配壓閥檢查、導(dǎo)葉接力器檢查都是很可能發(fā)生的)，或者聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器稍有移動(dòng)，就會(huì)造成控制回路參數(shù)的不匹配，而參數(shù)是“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的，一旦某個(gè)參數(shù)不適應(yīng)，將造成整個(gè)回路的特性變壞，很容易出現(xiàn)故障報(bào)警，并導(dǎo)致導(dǎo)葉開(kāi)度和機(jī)組有功出現(xiàn)偏差，進(jìn)而導(dǎo)致非停及電網(wǎng)頻率波動(dòng)等后果。

所以涉及調(diào)速器液壓系統(tǒng)的檢修后，必須重新進(jìn)行調(diào)速器傳感器的標(biāo)定、補(bǔ)償參數(shù)的重新求取甚至控制參數(shù)的調(diào)整，并做導(dǎo)葉靜態(tài)試驗(yàn)，以確保調(diào)速器性能正常。因?yàn)榕鋲洪y位置的引入，串級(jí)控制回路較復(fù)雜，為此，本文提出的“導(dǎo)葉控制回路行程檢測(cè)及調(diào)試方法”非常重要，可以以此為藍(lán)本，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的特點(diǎn)形成調(diào)速器導(dǎo)葉控制回路調(diào)試的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為一線運(yùn)維人員提供作業(yè)指導(dǎo)。

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)理論研究和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，本文提出的導(dǎo)葉控制回路設(shè)計(jì)、標(biāo)定和調(diào)試方法中使用的“線性變換”原理和將復(fù)雜閉環(huán)控制系統(tǒng)分割為多個(gè)單環(huán)系統(tǒng)的標(biāo)定方式，可快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，可使導(dǎo)葉控制精度偏差小于0.5%，從根本上解決了因此可能出現(xiàn)的蓄能機(jī)組有功波動(dòng)和啟停失敗的問(wèn)題，曾多次在檢修調(diào)試和緊急故障處理中發(fā)揮作用，保障了蓄能機(jī)組的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。該方法可以為使用類似系統(tǒng)的電廠和廠家技術(shù)人員提供理論、實(shí)踐依據(jù)。