基于全數字水輪機調速器仿真平臺系統的實現與應用研究

石松SHI Song

（國網江西柘林水電廠，九江 332000）

0 引言

水輪發電機組調速系統為水電廠的重要輔機控制部分，也能夠實現對水輪機進行頻率和功率調節的關鍵設備。水輪發電機調速器需要具有兩種功能：自動同期并網功能和負荷調節功能。其中，同期并網功能是實現對水輪機組運行狀態進行自動調整導葉開度的重要條件。在水輪機組正常運行過程中，運行人員可以通過上位機監控系統向水輪發電機組下達運行狀態調整命令，然后調速器具備的同期并網功能可依據相關命令，能夠實現通過調整導葉而達到調節過水流量的目的實現對機組負荷和頻率的調節，從而達到機組安全穩定的運行，保證對電能的輸送。對機組的功率調節實際上也是通過調速器對功率和頻率信號的采集，通過內部算法（偏差值）來控制液壓閥放大系統，達到控制導葉而實現閉環的目的。水輪發電機組在正常發電或者空載運行中，運行人員可按照調度要求來進行對機組的開停和負荷的增加，使用調速器的功率調節功能（AGC 或者一次調頻），將水輪機的轉速、功率、流量（開度）等調節至調度要求參數位置，以此保證水輪發電機組運行的安全性、穩定性。

水輪機調速系統作為水電廠安全穩定運行的重要核心輔助控制設備之一，從水力發電開始的歷史就伴隨著水輪機調速系統的高速發展。作為水電廠重要的控制核心設備之一，為保證日后的運行和維護，通過對其仿真研究和培訓提上日程。

1 仿真應用培訓系統理論數學模型構建[1]

水輪機旋轉部分（含發電機）的動力方程為：

式中：J——水輪發電機的轉動慣量（kg·m2）；ω——水輪機旋轉角速度（rad/s）；Mt——水輪機組轉矩（N·m）；Mg——發電機組負荷阻力矩（N·m）。

在固定模式下的機組工況下，只有通過調節過水流量Q 和機組效率ηt，才能調節水輪機轉矩，從而達到Mt=Mg的目的保持平衡。從最終實現要求來看，水輪機組調節的首要任務是保持水輪發電機組轉速（頻率）在額定值附近的允許范圍內。然而，從本質上講，只有當水輪機調速器調節水輪機導葉開度（從而調節水輪機過水流量Q），使Mt=Mg，才能維持機組在允許的穩定轉速（頻率）下運行。

圖1 水輪機調節系統圖

上述表述為本次科研項目的主要理論依據，還需根據柘林電廠現有特點來完善其仿真的真實性。

2 仿真培訓平臺硬件構成

該仿真培訓系統由水輪機控制系統（調速系統）、水輪機應用仿真系統、工程師工作站計算機、學員培訓計算、示教用油壓裝置（油泵和蓄能器組）、接力器油缸及管道構成，見圖2。建設本系統的目的在于：在相對安全、安靜的環境下開展教育培訓工作，讓參加學習的技術人員更好地認知水輪機調速器、調速系統油壓裝置等關鍵現場設備，學習了解水輪機調節系統的功能、關鍵技術指標和檢驗系統性能指標的操作方法和步驟。利用搭建的系統，完成設想的工況檢驗，特別是模擬系統相關設備的故障工況，檢驗調速器的機組工況維持能力：故障自診斷性能、故障后自恢復功能，為電站運行規程、故障和事故處理流程提供支撐。在搭建好的系統上，進行一部分研究工作，完善設備的功能，挖掘設備的運行潛能。其中調速器與現場設備采用1:1建設，可利用現場升級改造退役的設備主體來搭建，可以節約成本。培訓用油壓裝置采用氣囊式小型蓄能器組、組合閥、油泵電動機構成，可在節約安裝空間、節約建設成本的前提下模擬現場的調速器油壓裝置工作過程，具備儲能的作用，以滿足調速器推動接力器油缸做功的需求。接力器油缸和管道作為能量傳遞和執行機構，可以仿真現場的導葉接力器動作，方便實踐操作人員直觀地觀察操作結果。

圖2 實體框圖

3 仿真培訓平臺軟件構成

仿真應用平臺系統軟件結構框圖如圖3 所示。圖3 中，有“*”的試驗項目可用于自動生成試驗報告。注意，所提供的過渡過程指標自動或手動分析功能、模型辨識功能及信號時頻分析功能適用于所有具有波形顯示和記錄功能的界面，見圖4。

圖3 軟件實現功能

圖4 軟件界面

本應用平臺仿真依據國標GB/T9652.2-2017 測試標準，對水輪機調速器的相關要求進行測試和分析相關性能指標。

①獨有的對象仿真、調速器測試、提供標準信號源三大功能之集成，極大地方便用戶。②操作友好并智能化，自動記錄、自動停止、自動計算指標。③靜特性試驗還具備手動功能，不動時間1 毫秒的分辨率功能，為用戶提供最完備測試功能和最準確的數據分析結果。④最大限度滿足用戶的現場需求。油開關合閘的狀態可以進行常開和常閉的設置選擇；此外仿真系統還提供24VDC 供用戶使用。⑤信號采樣處理精確性，保證頻率信號、模擬量信號、開關量信號的精確測量采集。⑥仿真輸出頻率信號準確，且驅動匹配負載能力極強。⑦優秀的文檔管理功能。通過打開已保存的試驗文件，可以隨時隨地地顯示、分析整個測試過程；打印圖文并茂的試驗報告。

4 仿真培訓平臺現場實際構成

①通過將硬件回路中的，退役的調速器機械和液壓系統通過管路焊接到氣囊式油壓裝置和接力器上，額定壓力為2.5MPa，接力器按照實際仿真平臺的容量進行小型化結構處理。詳細的液壓系統原理圖，見圖5。

圖5 仿真平臺液壓系統原理圖

②實訓平臺電氣和軟件部分全部采用全數字化。將調速器電氣控制部分、壓力油裝置控制部分、仿真平臺硬件部分以及各種傳感器均采用總線方式通過交換機連接起來。再由軟件系統來通過界面進行時間的仿真水輪機的開、停機等操作，見圖6。

圖6 仿真平臺做空載擾動測試

③仿真實訓平臺的功能的實現。1）實現發電廠開機過程。水輪機調速器根據平臺提供的機組頻率進行有效的PID 調節，逐步將機組開啟至額定轉速。2）實現發電廠的并網后的功率調節功能。在第一部實現開機過程后，通過仿真軟件實現機組出口斷路器GCB 的合閘仿真，則仿真機組進入到并網運行，通過仿真軟件下發功率給定指令，由仿真儀輸出仿真功率，從而實現了對機組功率調節的仿真。3）實現發電廠的停機過程。通過仿真軟件發出停機指令，則調速器收到功率給定為0MW 的指令后，將機組導葉開度減少至0MW 功率對應導葉開度位置，然后軟件將GCB 位置給定為“分”位置。調速器收到GCB“分”位置信號和停機令后，將導葉開度關閉到全關位置。本仿真培訓平臺還可以仿真機組油壓裝置的運行、控制系統的運行，機組的一次調頻、二次調頻等功能。

5 總結

綜上所述，基于全數字式的仿真平臺能夠完全仿真模擬現場實際工況（開機、停機、并網、功率調節、一次調頻、二次調頻、頻率調節等等），結合硬件實物通過全數字等通訊技術可以有效地對新員工或者學生進行仿真培訓。通過優化軟件和通信，可以開展實際的培訓工作，這樣能夠有效地提高工人的工作效率，提升企業的發展空間，為培養未來的水電檢修人才做出貢獻，同時也提升了企業的利潤，有利于員工和企業的共同發展。