水輪發電機調節系統自適應控制策略

凌勝軍

（國投甘肅小三峽發電有限公司，蘭州730050）

水輪發電機調節系統是電液調節裝置和被控系統組成的閉環控制系統，被控系統是調節裝置所控制的對象[1]，包括水輪發電機、引水管道、泄水管道等。電液調節是為實現水輪發電機控制的電氣、機械液壓、指示儀表等設備，包括控制器、電液轉換器、液壓放大設備、液壓閥組、表計等。水輪發電機調節系統自動控制機組的轉速；機組負荷調整，正常開停機，事故停機；滿足電網對水電站機組AGC，一次調頻等控制要求。

自適應控制策略是指在系統運行、處理和分析過程中，根據外部環境或自身的變化，不斷采集控制設備和控制過程的信息，確定被控設備的狀態，調整控制方式與控制參數等，使控制與所處理數據信息的特征相適應，取得最佳的控制效果，產生自適應控制策略。水輪機調節系統涉及電網、管道、水頭及機組等，有開停機、空載及發電等多種工況的變化，調節系統與水輪發電機控制品質相關，關系到電網的供電質量，電網安全及水輪發電機自身的質量安全，調節系統要識別機組工況的變化，電網的變化，水頭的變化及調節系統自身的變化與故障，具備自動適應的控制策略，調節系統的自適應控制策略包括調節模式，頻率調節，水頭及系統自身。

1 調節模式的自適應控制策略

水輪發電機調節系統的調節模式主要有頻率調節、開度調節和功率調節3 種。水輪發電機調節模式轉換如圖1所示，調節模式的自適應控制策略在這3 種模式之間進行。開度模式的調節目標是導葉開度，功率模式的調節目標是機組的有功功率，開度模式和功率模式都是在機組并網帶負荷的情況，開度模式和功率模式可通過把手或LCU 增減繼電器的脈沖方式實現，功率模式還可通過與LCU 的通信或硬接線的模擬量方式實現，正常發電并網時調節系統在開度模式或功率模式。頻率模式的調節目標是機組的頻率，頻率模式是調節系統在開機至空載及機組并網帶負荷時出現，機組甩負荷后的調節也是頻率模式。

圖1 水輪發電機調節模式轉換圖Fig.1 Adjustment schema translation diagram of hydraulic generator

機組出口斷路器合上并網后調節系統在開度模式或功率模式，當頻率超差距離50 Hz 較大時，調節系統通過自適應將模式切至頻率模式；當頻率超差距離50 Hz 較小時，又自動切換至開度調節或功率調節模式。當調節系統工作在功率模式，系統檢測到功率傳感器測量值或變化率超過了系統設置的范圍，判斷功率傳感器故障，將自動切換至開度模式。

頻率調節、開度調節及功率調節是水輪發電機調節系統的主要調節模式，調節系統根據機組頻率、斷路器及傳感器等來自動適應調節模式的控制策略，滿足水輪發電機調節控制的要求。

2 頻率調節的自適應控制策略

頻率調節是水輪發電機經常出現的調節模式，機組開機至45 Hz 再到空載狀態工作在頻率模式，將機組控制在50 Hz，便于盡快的并網，減少同期的時間。并網發電時的頻率調節模式是由電網頻率偏差引起，除機組在開機空載時的頻率調節是正常狀態，并網時的頻率調節是水輪發電機不穩定的調節模式，當調節系統檢測到頻率偏差較大時，根據控制策略自動切至頻率調節模式，頻率調節模式主要是一次調頻和孤網。

2.1 一次調頻的頻率調節模式

一次調頻是水輪發電機調節系統的基本功能，機組發電并網運行時，當電網頻率偏差超過水輪發電機調節系統的頻率設置死區時，調節系統根據靜態特性，按照設置的永態轉差系數改變水輪發電機導葉和槳葉的開度[2]，從而改變機組的功率，改善電網頻率的偏差，調節系統的靜態特性是機頻相對值與導葉接力器行程相對值之間的關系曲線，對于水輪發電機，其導葉接力器行程相對值與有功功率值基本對應，靜態特性也可理解為機頻相對值與有功功率值之間的關系曲線。調節系統一次調頻死區設定值不大于0.05 Hz，水輪發電機調節系統響應速度快，動作靈敏性高，能夠快速的自動適應電網頻率偏差，完成一次調頻控制，保證電網頻率的穩定性。

2.2 孤網的頻率調節模式

孤網運行指電網中只有一臺機組或本臺機組容量在當前電網容量的比重較大[3]，是水輪發電機組與大電網解列或部分線路跳開，機組的出口斷路器仍然閉合帶少量負荷或廠用電的運行方式，電網頻率偏差50 Hz 的量或頻率變化速率超過孤網設定值，調節系統自動進入孤網的頻率調節模式，孤網是事故情況或暫時性的運行方式。

調節系統的孤網模式應進行模擬和實際的電網試驗。孤網控制參數模擬試驗，當機組空載運行時，通過短接斷路器和頻率擾動使調節系統識別并進入孤網運行，按照孤網的經驗參數或在模擬情況下頻率擾動獲得的參數，再進行實際電網的孤網試驗，機組在大電網中帶不少于25%的額定負荷運行，通過線路側斷路器的操作使調節系統滿足孤網條件，試驗中記錄頻率、功率、導葉行程等數據，進一步優化調節系統的孤網參數。水輪發電機調節系統控制策略應自動識別，判斷孤網頻率偏差和速率偏差，孤網以頻率調節為目標，要求在孤網時調節系統能夠控制機組穩定運行，頻率不能有大幅的波動，孤網運行時頻率本身已不穩定，此時調節系統閉鎖一次調頻，即孤網時一次調頻的判斷和調節不起作用，避免機組的頻繁調節使頻率更不穩定或引起電網事故。

3 水頭的自適應控制策略

3.1 水頭與負載時接力器開度協聯關系的自適應

水頭與負載時接力器開度的協聯關系為水輪發電機的水頭特性曲線，表示水輪發電機在轉速、接力器開度為常數時，流量、效率、功率與水頭的關系，水輪發電機水頭關系曲線如圖2所示，圖2 中（a），（b），（c）分別為流量曲線、效率曲線、功率曲線。橫坐標為水頭數據；縱坐標分別是流量、效率、功率數據；曲線為導葉接力器開度；Hx為各導葉開度下從相應的空載水頭引出點。

流量曲線圖2（a），當接力器開度較小時，流量與水頭基本為線性；當接力器開度較大時，流量與水頭為非線性，流量整體隨接力器開度增大而增加，導葉接力器從相應的空載水頭引出，空載開度隨水頭變化不同。效率曲線圖2（b），當接力器開度較小時，水輪發電機效率較低；當水頭低于最高效率點時，水輪發電機的效率下降的急促；當水頭高于最高效率點時，水輪發電機效率變化較平緩[4]。功率曲線圖2（c），水頭與功率接近直線，功率整體隨接力器開度的增加而增加，接力器開度在高于空載水頭Hx時引出，即大于空載開度時水輪發電機產生功率。

圖2 水輪發電機水頭關系曲線Fig.2 Water head relation curve of hydraulic generator

水頭與效率、流量及功率相關，機組調節系統的控制策略自動適應水頭的變化，控制接力器開度，并在滿足功率和流量的情況下，使機組在高效率區間運行，同時，做到電站各機組調節系統整體優化的策略，實現水輪發電機導葉接力器開度隨水頭綜合性能的最大化。

3.2 水頭與啟動開度限制、空載開度限制及負載開度限制的接力器開度協聯關系的自適應

啟動開度限制是機組開機時使轉速快速提高的接力器最大開度；空載開度限制是機組在接近50 Hz 時，讓機組穩定在空載狀態下的接力器最大開度；負載開度限制是機組發電并網時接力器的最大開度。啟動、空載及負載各開度限制的接力器開度都與水頭相關，保護機組不會過速或過負荷并能夠快速穩定運行，水頭與各開度限制的接力器開度協聯關系按照插值運算的自動控制來適應，調節系統輸入幾條不同的水頭數據，這些水頭包括水輪發電機設計的所有水頭數據或滿足計算要求的幾條水頭數據，不同的水頭數據對應不同的接力器開度，機組實際運行的水頭是按照插值計算的，系統輸入的原始水頭數據越多計算出的實際水頭越準確。接力器各開度限制值設置時，按照水頭高開度限制小，水頭低開度限制大的規律。

機組運行中，調節系統根據水頭數據調用接力器對應的開度值，機組長期運行后可根據實際情況，調節系統修改水頭的協聯關系，開度限制更好的適應水頭的實際值，按照水頭變化、機組工況變化自動適應啟動開度限制、空載開度限制及負載開度限制的控制。

4 調節系統自身的自適應控制策略

調節系統自身的自適應控制策略是指與調節系統執行元件、反饋元件及被控系統故障或變化情況下自動適應的控制策略。

4.1 調節系統執行元件

調節系統的執行元件包括主配壓閥、電液轉換器、接力器。電液轉換器作為調節系統的一級液壓放大元件，主配壓閥和接力器作為調節系統的二級液壓放大元件[5]，接力器作用于導葉和槳葉，驅動水輪發電機打開或關閉。

4.1.1 主配壓閥故障的自適應控制

主配壓閥通過活塞的上下移動，控制壓力油的流向和流量，進而控制接力器的方向和速度[6]，是調節系統的核心元件，主配壓因操作壓力油或閥套磨損等原因，引起閥芯動作不靈活，出現拒動的故障現象，主配拒動的故障信號是安裝在主配閥芯開腔側的行程開關發出的，調節系統正常時主配閥芯與行程開關有一定間隙[7]，當閥芯向開方向動作時觸碰行程開關發出主配拒動的故障信號，即正常調節時可能發出主配拒動故障，而主配實際卡阻觸碰行程開關也會發出主配拒動信號。因此，主配拒動故障信號結合轉速升高和負荷變化來做自適應控制。機組在開機未并網時，出現轉速升高與主配拒動故障信號可啟動機組緊急停機流程；機組在并網發電狀態，出現負荷異常波動（無外部增減信號）與主配拒動可將機組停機再進行檢查；機組正常運行時，未出現轉速升高或負荷異常波動，對主配拒動的故障信號可不做處理。

主配壓閥的可靠性較高，出現主配拒動的故障現象較少，主配拒動對于調節系統和水輪發電機是較大的隱患，而主配拒動的識別較困難，依靠行程開關并不準確并容易造成誤判。主配壓閥帶有反饋傳感器，主配壓閥依靠伺服比例閥或脈沖閥控制，將主配壓閥、伺服比例閥、步進電機、主接力器和脈沖閥各反饋及電氣控制信號在調節系統內進行分析、比較、判斷，使用程序來識別主配拒動，提高主配拒動判斷的準確性、可靠性，更好的控制主配壓閥。

4.1.2 電液轉換器故障時的自適應控制

電液轉換器是完成電氣控制與液壓控制的轉換元件，是調節系統發生故障較多的元件，調節系統通常設計兩套電液轉換元件，如圖3所示，電液轉換器采用伺服比例閥，兩套并聯互為冗余運行，控制油源同時接入兩套伺服比例閥，一套為主用輸出，另一套為備用不做輸出，兩套的輸出再同時接入伺服比例閥的切換電磁閥，備用的伺服比例閥控制油壓在切換電磁閥的截止位，當主用的伺服比例閥故障時，調節系統自動將控制權切為備用的伺服比例閥，同時伺服比例閥的切換電磁閥動作，將備用的控制油壓至導通位，原主用的控制油壓至截止位，以備用的伺服比例閥實現調節系統的液壓控制，依靠冗余實現電液轉換器的自適應控制。

圖3 冗余伺服比例閥液壓控制圖Fig.3 Redundancy hydraulic control diagram of proportional servo valve

4.2 反饋元件的自適應控制策略

4.2.1 接力器行程反饋元件

水輪發電機導葉、槳葉接力器的行程反饋，是調節系統動作執行情況的依據，也是控制調節的體現和反應，反饋元件在調節系統的故障中占比較高，為提高反饋信號的可靠性，調節系統采用冗余方式的行程反饋設計，導葉、槳葉分別配置2 個性能參數相同的傳感器互為冗余，傳感器的輸出一致，一個反饋傳感器作為主用，另一個作為備用，以主用作為導葉、槳葉行程的判斷依據，當控制系統檢測到主用傳感器故障時，將備用傳感器切為主用作為判斷輸出的依據。

部分調節系統采用一個反饋傳感器，當傳感器出現斷線、越限及跳變等故障時，調節系統根據當前機組的狀態來自動適應控制策略；當機組在開機、空載及空轉狀態時出現接力器反饋故障，調節系統關閉機組或切手動關閉，再檢查反饋傳感器；當機組在并網發電狀態時出現傳感器故障，機組可保持當前狀態不變，調節系統在自動方式不做輸出控制或切至手動方式運行，再進一步檢查處理。

4.2.2 頻率反饋元件的自適應控制策略

調節系統的機組頻率反饋通常采用PT 殘壓測頻與齒盤測頻互為冗余，當一路測頻信號消失時采用另一路測頻[8]，調節系統能根據頻率信號的強弱或機組不同狀態采用不同的測頻反饋，當機組大修的首次開機或長時間停機的機組，PT 殘壓測頻較低達不到采集要求，或機組在低轉速時殘壓測頻幅值較低，采集分析不準確，這些情況調節系統使用齒盤測頻。在機組啟動后及空載、發電狀態時殘壓測頻穩定可靠，調節系統使用殘壓測頻。當PT 殘壓與齒盤均故障時，在開機、空載狀態時關閉導葉或至空載位置并切手動，在并網時將網頻作為機頻信號用于控制調節或切手動控制，再進一步檢查處理。滿足機組不同狀態及測頻元件的狀態自動適應的控制策略。

4.3 被控系統故障的自適應控制

被控系統包括水輪發電機、引水管道、泄水管道，引水和泄水管道為混凝土澆筑不可改變，被控系統主要是水輪發電機，被控系統故障是水輪發電機的各類事故信號，調節系統應能夠識別各類故障情況。機械事故指機組軸承溫度過高、低油壓、振動、擺動異常等；電氣事故指機組差動、過電流、失磁等，出現機械與電氣事故時調節系統的緊急停機閥應立刻動作，防止機組轉速升高。發生機組過速、手動按鈕的緊急事故，除調節系統的緊急停機閥立刻動作外，還應啟動事故配壓閥、重錘關機或關閉主進水閥。調節系統能夠準確自動識別水輪發電機的各類故障，實施準確的控制策略，防止事故和故障的擴大化，減少事故和故障帶來的損害。

5 結語

水輪發電機調節系統的自適應控制策略是根據外部與系統自身的變化或故障，通過調節系統的程序自動計算和分析識別，改變調節參數、調節規律及調節方式，改變系統的控制輸出，滿足頻率、水頭及元件等不確定性，達到最符合的控制狀態。水電站水輪發電機自適應控制策略在孤網的頻率控制模式，水頭與接力器開度的協聯關系方面還可進一步試驗、調整及優化，提高調節系統自適應控制策略的可靠性、安全性及穩定性。