YWT—1000 16型調速器在機組改造工程中的應用研究

唐宏亮

摘 要：根據保流機組現場存在的問題，通過改造工程集中解決調速器的穩定問題。該文首先從電氣與機械結構、調速系統工作原理入手了解YWT-1000/16型微機調速器，進而逐步研究其性能及穩定性。隨后深入分析該調速器的開停機規律及其調節和控制系統，依據九點控制原理優化調節品質，并通過開機曲線技術使得機組空載無須考慮水頭問題。

關鍵詞：調速器；調節系統；開機規律

中圖分類號：TK414.3 文獻標志碼：A

調速器被稱為水電機組的心臟，由于調速器是調節頻率的裝置，優秀的調節品質決定了生產的電能的質量。該文中提到的保流機組位于黑龍江省牡丹江干流上，保流機組于1996年投產發電，目前調速系統陳舊老化嚴重，性能指標已達不到原設計要求，有些設備存在安全隱患，機械和電氣故障頻發。由于原調速器電液系統老化，導致調節能力和調節品質明顯下降。在2017年6月份蓮花電廠1#、2#保流機組增效擴容改造工程中，對2臺保流機調速器進行全面的調試和分析。由于現在電網對發電機組的可靠性和穩定性要求越來越高，原調速器的主要缺陷急需解決，主要包括滑閥系統對油質要求高，油混水現象導致隨動系統故障，嚴重則導致機組過速。開機規律采用開環控制，由于水頭不同導致開機過程不平穩、并網時間較長。共用大廠高、低壓氣系統，氣系統管路冗長煩瑣導致維護困難，且不美觀。

1 YWT-1000/16型微機調速器的結構與配置

調速器系統由電氣和機械2個部分組成，電氣系統配置包括三菱FX3U系列PLC，電液轉換器采用數字閥，電氣反饋為直線位移傳感器，硬件配置包括電源系統、供繼電器、電磁閥及人機界面、測頻裝置、導葉反饋。機械液壓系統主要包括數字式電磁換向閥、緊急停機電磁閥、節流閥、減壓電磁閥、制動電磁閥、壓力管路過濾器、主接力器、導葉接力器反饋裝置。油壓裝置為組合式，如圖1所示。油壓等級為高油壓，包括回油箱、高壓齒輪油泵、氣囊式儲能器、溢流閥等組成，接力器為外置形式。

2 調速系統工作原理

水輪機調節系統是一個本質非線性、參數時變的非最小相位系統，其控制性能、指標與穩定性是關鍵問題。由于水輪機調速系統是一個時變且存在隨機擾動而又相對快速的控制系統，采用PID控制規律。結構上采用“積木”式模塊結構，具有限時多任務功能，提高了系統的響應速度及可靠性。如圖2所示，導葉反饋裝置將導葉位置電信號傳送給A/D模塊轉換環節，獲取導葉位置信號及有功信號。由開關量輸入模塊采集二次的開機、停機、功率增加、功率減少等命令。CPU按調節規律分析計算出相應的導葉控制信號及狀態信號（包括故障），送入輸出模塊完成控制輸出和狀態輸出。通信單元負責與上位機通信，發送或接受上位機的命令。

3 YWT-1000/16型調速器性能調試及穩定性分析

3.1 調速器抗擾動能力測試

測試設備斷線擾動和導葉變化值；在空載工況下人為斷開機頻，觀察故障報警和接力器變化情況。導葉接力器保持空載開度不變，若在開機過程中斷機頻，導葉接力器應關至安全空載開度；在負載工況下，斷開機頻、網頻，檢查測頻故障燈是否亮，并觀察接力器行程變化情況。導葉接力器行程應不變；斷開導葉接力器反饋、記錄接力器行程變化情況，導葉接力器行程應不變。試驗參數：機頻：Fj=50.00 Hz，網頻：Fw=50.00 Hz，永態轉差系數：bp=0，暫態轉差系數：bt=60，緩沖時間常數：Td=12，微分時間常數：Tn=0.2。

試驗結論：見表1，調速器對各種擾動的處理過程表現良好，符合要求。

3.2 調速器穩定性測試

機組沖水后，將柜體面板上的導葉切換把手切至“手動”，此時觸摸屏監視畫面顯示“導葉手動”，PLC開始跟蹤導葉開度；將導葉開至安全空載開度的1.3～1.5倍開度，機組轉動，機頻上升至40 Hz左右將導葉關回至安全空載開度，然后，微調導葉開度，使機組頻率逐漸穩定在50 Hz，完成開機過程。頻率穩定后，檢測機組3 min內的頻率擺動。手動停機：將導葉開度關至0 %，機頻逐漸將至0 Hz，停機完成。

Fmin=49.85 Hz

Fmax=49.96 Hz

（Fmin-50）/50=-0.30 %

（Fmax-50）/50=-0.08 %

-0.30%≤△f≤-0.08 %

（Fmin：最小頻率，Fmax：最小頻率，△f：頻差）

3.3 調速器在空載運行情況下的頻率擺動值

永態轉差系數bp、暫態轉差系數bt、緩沖時間常數Td、微分時間常數Tn、置空載運行參數，頻給=50 Hz，機組在自動空載工況下運行。在機組處于自動空載工況時，測量機頻在3 min內的頻率擺動，即最高頻率和最低頻率，機頻擺動對于大型機組應不超過±0.15 %，對于中小型機組應不超過±0.25 %，如果頻率擺動超出范圍，可調節PID優化參數比例增益Kp、微分增益KI、積分增益Kd

Bp=0，BT=60，TD=12，TN=0.2，E=0，Kp=1.2，Ki=1.3，Kd=1.0，Fmax=50.05 Hz Fmin=49.94 Hz

（Fmin-50）/50=-0.10 %≤△f≤（Fmax-50）/50=0.15 %

4 新老調速器的開機、停機規律分析

4.1 YWT-1000/16型調速器開機規律

4.1.1 基本開機特性：模型參考閉環開機規律

在開機過程中，調速器始終處于閉環控制。其頻率給定值由參考模型給定，它是一條機組轉速上升的理想過程線，實際的機組轉速跟蹤這一期望特性逐步升高；與開環開機規律相比，此種開機規律啟動快速，又不會過速。此開機規律無須設置開機頂點，任何有效水頭都可快速開機并網發電，fe：額定頻率，f：開機頻率，Y：導葉開度，t：開機時間。如圖3所示。

4.1.2 模型參考閉環開機與開環開機規律的比較

開環開機規律實質上是對機組頻率進行開環控制，因此需要具有空載開度的資料，而該資料往往不夠精確，這也使得開機規律不夠理想。開環開機規律的開機頂點難以確定，其受控于水頭變化，需要知道不同水頭下的空載開度。模型參考閉環開機規律有效地克服了上述開環開機的不足。在模型參考閉環開機規律中，機組轉速始終處于控制之下，按期望的轉速上升，接力器行程只是一個受轉速控制的被動因素；在開環開機規律中，接力器行程是一個主動因素，因此存在一些不定因素。

4.2 YWT-1000/16型調速器停機規律

（1）接到停機指令后，導葉即由此時的開度，以第一停機速度將導葉關閉。

（2）導葉關閉至20 %（可以調整）開度時，即以第二停機速度將導葉關閉至全關位置，如圖4所示Y：導葉開度，t：時間，a點空載，b點關20 %，c點停機。

5 YWT系列調速器的調節與控制

數字閥的優點是對油液的污染不敏感，工作可靠。主接力器在電磁閥控制下往返運動，帶動導葉開關。導葉接力器反饋裝置對應的輸出為直流0 V～10 V。該調速器采用了一種新型PID控制器——九點控制器（基本型邏輯控制器），根據偏差與偏差變化率實際運行狀況抽象成9個工況點（增強、稍加、弱加、微加、保持、微減、弱減、稍減、強減9種工況），從而給出相應的控制策略并進行有效控制。由于控制作用取決于被控對象的工況，因此相對被控對象具有適應性。

該型調速器具有頻率調節、開度調節和功率調節3種控制模式。采用頻率調節模式時，分為跟蹤頻給和跟蹤網頻的方式。跟蹤網頻方式運行時可實現機組頻率跟蹤電網頻率，保證機組頻率與電網頻率一致，便于并網。

6 結語

通過對YWT-1000/16型水輪機微機調速器進行抗擾動能力、穩定性和控制能力的試驗和數據分析。經過實踐和對比，新型調速器性能指標表現良好。我廠保流機組位于地下廠房，工作環境潮濕，調速器油質無法得到保證這一問題，采用數字閥可以解決這一問題。避免了由于油質乳化導致隨動系統故障，進而導致機組過速。采用模型參考閉環開機規律使開機規律更合理，與我廠其他型號調速器不同，無須設置開機頂點即開機開度，因此新型調速器不受水頭變化的制約。因此YWT-1000/16型水輪機微機調速器完全滿足現在水電站調節系統的要求，可以穩定、可靠、長期保證機組安全運行。

參考文獻

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