巨型貫流式水輪機調速系統在銀江水電站的應用

中圖分類號：TV734.1文獻標志碼：A

0 引言

燈泡貫流式水輪機在國內外應用廣泛，其適用水頭范圍為 2～25m 。然而，針對極低水頭下的發電運行工況，以及極低水頭下的泄洪運行模式，國內相關工程案例較少，為充分利用水能資源、拓寬機組運行范圍，對貫流機組全水頭運行的關鍵技術開展研究十分必要。隨著電網新能源體量的持續增加，電網頻率的穩定性面臨新的挑戰，近年來電網對發電機組的一次調頻考核愈發嚴格，各調速器廠家對一次調頻均開展了大量的優化升級。基于此，本文介紹調速系統的全水頭協聯技術，并闡述了一種對調速系統的一次調頻新技術研發成果。

1 項目概況

銀江水電站位于金沙江中游攀枝花河段末端，為徑流式電站，共有裝機6臺，單機容量65MW，總裝機容量 390MW ，多年平均年發電量15.69億kW·h（龍盤水電站投產后為18.34億kW-h）。銀江水電站機組在單機容量和轉輪直徑方面為我國目前最大的燈泡貫流式水輪發電機組。龍盤水電站位于金沙江中游河段，水庫具有多年調節能力，對下游梯級電站具有巨大的調節補償作用。

銀江水電站拓寬水輪機穩定運行范圍，尤其是極低水頭下泄洪的運行模式，對電站參與防洪度汛和經濟運行等工作具有重要意義。調速系統運行的可靠性和穩定性關系到水輪發電機組的安全和發電的質量[，銀江水電站調速系統采用先進的液控元件、可編程控制器和人機交互界面，配合成熟的控制技術，為電站實現“無人值班（少人值守）”提供了技術支撐，同時也為電站的安全運行及發電效益提供了有力保障。

2 調速系統機械控制設計

銀江水電站貫流式機組專用調速系統基于多項國家專利技術[]，其機械設計的核心是比例閥電液轉換器和全流量控制的液壓內反饋自復中主配壓閥。調速系統緊急停機控制部分采用雙緊停閥 + 切換閥 + 液壓內反饋自復中主配壓閥系統，同時滿足用戶在發電運行中根據實際工況進行現地或遠程選擇“斷電自復中”或“斷電自關閉”功能。

2.1液壓內反饋自復中立式主配壓閥

液壓內反饋自復中立式主配壓閥的突出特點是：調速系統失電或出現電氣故障，主配壓閥活塞不受諸如位移傳感器反饋信號或彈簧力等電氣機械外部因素影響，利用自身的流量內反饋特性即可保持在中位，利用自身的流量內反饋特性即可實現主配壓閥活塞保持在中位，從而維持機組故障前的運行狀態，同時仍可手動操作調速系統開啟或關閉導葉接力器。主配壓閥采用立式結構（見圖1），相比于臥式結構，減少了主配壓閥活塞長期動作產生的單側磨損，提高了主配壓閥的可靠性。

圖1主配壓閥結構

主配壓閥工作原理為：與一般調速系統主配壓閥不同的是，引導閥被固定于中位，不能上下移動；引導閥襯套鑲嵌于主配壓閥活塞的上閥盤內，隨之動作；引導閥A口接壓力油；電液轉換元件的控制流量 Q_a 由B口輸入X腔（主配控制腔）。

主配壓閥活塞為差壓活塞，受P口常壓油產生向上力稱為FS主配；主配壓閥A口接常壓油，通過C口進入X腔，X腔產生向下的力稱為FX。當FS主配 Γ=FX 時，引導閥封閉C口，同時主配壓閥活塞封閉主襯套的上下窗口，此時為主配壓閥中位。

當電液轉換元件以 Q_a 流量向X腔注入壓力油時，X腔壓力升高，使主配壓活塞向下移動，同時X腔將通過C口（引導閥襯套窗口）接通排油。當主配壓活塞向下移動的位移量 ΔSF 剛好使C口輸出的即反饋流量 Q_b 等于電液轉換元件的輸入流量 Q_a 時，X腔容積不再變化，主配活塞將穩定于新的平衡位置。注入X腔容積的流量 Q_a 越大，主配壓活塞的位移就越大，因此，主配壓活塞和引導閥襯套偏離中位的位移 ΔSF 與電液轉換元件輸出的流量 Q_a 成正比。

當電液轉換元件將X腔接通排油時，X腔壓力減小，主配壓閥活塞受恒定向上推力FS作用向上移動，同時，X腔將通過C口接通常壓油，當主配壓活塞向上移動的位移量 ΔSF 剛好使C口輸入的反饋流量 Q_b 等于電液轉換元件排走的流量 Q_a 時，X腔容積不再變化，主配壓活塞將穩定在新的平衡位置。主配壓活塞偏離中位的位移 ΔSF 將與電液轉換元件輸出的流量 Q_a 成正比。控制放大器將電液轉換元件的輸出流量轉換成主配活塞的機械位移，由此實現對主配壓閥活塞的控制。

2.2調速系統“失電自復中”及“失電自關閉”

在機組并網運行過程中，如發生調速系統電源消失的事故，自復中主配壓閥能夠靠自身的液壓內反饋使主配壓閥活塞維持或回到中位，維持導葉開度不變，從而使機組保持當前負荷，機組繼續運行，使得機組有效避免了甩負荷現象，減小了電力系統負荷的波動，實現調速系統的“失電自復中”功能。

然而，調速系統電源消失還是存在一定的失控風險，如導致機組轉速過高等事故。為防止此類事故發生，基于主配壓閥自身結構特點，直接將主配壓閥雙伺服比例閥及引導閥X腔窗口接通排油（ FX=0 ），主配活塞受力向上運動關機，導葉關閉，實現調速系統的“失電自關閉”功能。

銀江水電站調速系統液壓控制回路中，通過設置一個兩位四通切換閥來實現兩種功能間的靈活切換，實現在發電機組運行中根據實際工況進行現地或遠程選擇。無論調速系統的緊急停機采用哪種運行方式，對上位機的控制信號，只需要采取一種控制方式，無需選擇和切換。圖2為“失電自復中”及“失電自關閉”切換工作原理。

圖2“失電自復中”與“失電自關閉”功能切換原理

調速系統的兩路并聯緊停保護回路由緊急停機電磁閥（復中閥和緊停閥）構成，選擇緊停模式時，切換電磁閥的通道，將主配壓閥的先導控制壓力油接至主配壓閥。此時，調速系統處于正常工作模式。當緊急停機電磁閥將主配壓閥接通排油時（ FX=0 ），主配活塞受力向上動作關機，導葉快速關閉，調速系統處于緊急停機工作模式。

（1）調速系統“失電自復中”模式。壓力油通過二位四通緊急停機電磁閥和緊停模式選擇電磁閥油口A接至主配壓閥，此時調速系統為正常工作模式。緊急停機電磁閥為二位四通帶定位器型電磁閥，僅當電磁閥接到緊停信號時，其緊停側電磁線圈勵磁，閥芯換向并始終保持主配壓閥接通排油（ FX=0? ），主配壓閥活塞受力向上運動關機，導葉快速關閉，此時調速系統為緊急停機工作模式；當外部故障消失后，操作緊停電磁閥復歸，閥芯進行換向，重新將壓力油接通主配壓閥，此時調速系統恢復正常工作模式。當調速系統電源消失時，緊急停機電磁閥保持不動，調速系統處于正常工作模式，主配壓閥保持中位，實現導葉開度維持不變，機組保持當前負荷。

（2）調速系統“失電自關閉”模式。壓力油通過二位四通緊急停機電磁閥和緊停模式選擇電磁閥油口B接至主配壓閥，此時調速系統為正常工作模式。緊急停機電磁閥為二位四通彈簧復位型電磁閥，正常工作時電磁線圈始終帶電勵磁，調速系統處于正常工作模式。而當調速系統電源消失后，緊急停機電磁閥閥芯受彈簧力作用自動切換至緊停位置，將主配壓閥接通排油（ FX=0 ），主配活塞受力向上運動關機，導葉快速關閉，此時調速系統為緊急停機工作模式。緊急停機電磁閥為直流電 24V 供電，功率、電流、發熱量較小，可長期帶電穩定工作，確保緊急停機回路的可靠性。

3 調速系統電氣控制設計

調速系統的控制器采用兩套X20系列可編程計算機控制器（PCC）互為主備冗余，人機界面（觸摸屏）采用TPC-1582H平板計算機，雙PCC與人機界面通過以太網實現互聯。

銀江水電站調速系統充分利用了PCC核心處理器的硬件和軟件功能，具有極高的可靠性和強大的控制功能，結合觸摸屏的友好界面、靈活的歷史數據回訪功能，可以充分滿足調速系統的控制與調節要求。

3.1一次調頻

隨著新能源發電的廣泛應用，為確保電網安全和電能質量，各地區對水電企業的并網運行管理日趨精細、明確。在一次調頻技術環節，銀江水電站水輪機調速系統的硬件配置具備以下主要技術特點。

（1）頻率測量及冗余。在調速系統最核心的測頻環節上，PCCX20處理器具備測頻環節簡單、測頻精度高、實時性強、可靠性高等優勢[3]。銀江水電站調速系統在外部殘壓信號兩分頻的前提下，本體可檢測機頻和網頻兩路頻率，此兩路頻率主備冗余，且兩路頻率的分辨率均可達到 0.000625Hz ，完全滿足電網對機組一次調頻試驗的要求。

（2）一次調頻參數具有特殊性。本調速系統采用多參數處理方式，見表1。本組參數實際對應頻率死區為 0.04Hz ，根據國內不同電網考核標準，將頻率死區拆分為4個參數（調頻動作1頻率、調頻動作2頻率，調頻復歸1頻率、調頻復歸2頻率），對提高一次調頻考核率有一定效果。其中，動作延時參數為針對一次調頻的短時間動作延時，保證調頻的電量有足夠的積分時間；限幅參數可適應各地區不同的考核標準；有功上限限定一次調頻過渡過程中的有功上限。

3.2 人機界面

人機界面（觸摸屏）[4主顯畫面如圖3，顯示調速系統常用的參數，畫面簡潔清晰，信息完備，方便用戶巡查。此外，觸摸屏程序還配備了數據列表、靜態試驗、參數修改等讀寫畫面，以及極值查詢、退出/關機、觸摸校驗等功能畫面，極大地方便了用戶的運行維護。

手動領一次調頻 開度模式 功率模式 水頭手幼 跟蹤網頻 水頭變開限 導葉閥1在線 葉園1在線開機失敗 PT故障 齒盤1故障 出盤2故障 網頻故障 切備用機 導葉髓動故障 柒葉髓動故障異常報警 備用 水頭故障 備用機故障 緊急停機1 急停機2 事故停機 主配失靈

相比于其他觸摸屏，平板計算機有強大的歷史數據回訪功能[5。調速系統PCC中重要的參數均可以保存在平板計算機的硬盤中，銀江水電站保存了13個模擬量和112個開關量，并且數據采樣周期可達 200ms 。圖4波形記錄了銀江水電站調速系統出廠試驗模擬孤網的過渡過程。

圖4歷史數據回訪畫面（孤網）

3.3 全水頭運行

銀江水電站機組正常運行水頭范圍為 6.0～19.2 m。為更好發揮機組的潛能，充分利用水能資源，獲得洪水期流量發電效益，銀江水電站機組研發了全水頭運行方式，在極低水頭工況（ 2～6m ）可安全穩定運行，包括極低水頭下發電工況運行和極低水頭下泄洪（不發電）運行。因此，調速系統需具備三種控制模式：正常水頭并網、極低水頭并網、極低水頭泄洪。

表1一次調頻參數

正常水頭并網模式下，導葉開度、槳葉開度、水頭三者協聯曲線如圖5。共10條曲線，涵蓋最大水頭 19.2m 、最小水頭 6m 和額定水頭 12.9m ，每條曲線表示在該水頭下不同導葉開度對應的槳葉開度。

圖5正常水頭并網模式下協聯曲線

極低水頭并網模式下，槳葉采取定槳運行，協聯輸出YY為當前水頭 H 的分段函數；當 2m?Hlt; 3m 時，YY為 30.77% ；當 3m?Hlt;4m 時，YY為 17.95% ；當 4?Hlt;6 時，YY為 5.13% 。為防止水頭信號在臨界點的正常波動引起協聯輸出的反復跳動，對水頭信號進行回差處理，設置回差為0.5m（可修改）。極低水頭泄洪模式下，根據電站運行人員下達的指令，調速系統自動調整導葉和槳葉開度（定槳運行），盡量提高過流量，同時又控制機組轉速在額定轉速附近。對導葉空載開限采取變參數，對協聯輸出采取分段定槳。空載開限控制導葉開度的上限，協聯輸出控制槳葉開度（見圖6）。在該模式下常規的導葉空載開限已不能適應此時較大的導葉開度，同時為防止大流量下機組轉速增幅過大，需根據實時水頭限定導葉開度的最大值。根據水輪機廠家提供的模型數據，將空載開限LKZ作折線函數處理，既保證足夠的導葉開度（流量），又防止機組轉速上升過多。

圖6極低水頭空載開限及定槳參數曲線

4結束語

為實現貫流式機組在極低水頭下發電泄洪和提高一次調頻質量，針對銀江水電站調速系統開展研究，有以下技術創新：

（1）立式自復中主配壓閥具有獨特的流量內反饋自復中功能，保證了在反饋斷線和其他故障時主配壓閥能自動復位到中間位置。（2）機械系統同時具備“失電自復中”和“失電自關閉”的選擇功能；調速系統整體結構緊湊，工作可靠，維護工作量小。（3）高精度測頻和多參數控制模式，保證一次調頻動作的可靠性和靈敏性，滿足電網的考核標準，有助于電網頻率的穩定。（4）人機界面豐富的顯示內容和方便的歷史數據回訪功能，極大地方便了用戶對設備的巡查和數據分析。（5）針對機組全水頭運行，調速系統增設了極低水頭下并網發電或泄洪的控制方式，更好地開發了貫流機組多工控運行的潛能。

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Application of Governing System for Giant Tubular Turbines in Yinjiang Hydropower Station

TULiqin’，XIONGWei’，ZHENG Xinghua’，ZHANG Jiayingl，YANGLe’，YEWei’，BU Tianyun2 （1.Wuhan Changjiang Control Equipment Research Institute Co.，Ltd.，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430o10，China；2.Panzhihua Huarun Hydropower Development Co.，Ltd.，Panzhihua 617000，China）

Abstract：Ultra-low head performanceand primary frequency regulation are two challnges in giant tubular turbineoperation.To addressthese problems，we developedamain distribution valve in hydraulic internal feedback self-compound and dedicated ultra-low head coordinated control technology，enabling power generation and flood discharge under ultra-low head conditions.Inaddition，weoptimized frequency measurement interface boards， refinedregulation parameters，andadoptedahuman-machine interface with historical data trackingcapabilities.The results provide references for optimizing tubular turbine performance in ultra-low head conditions and advancing primary frequency regulation.

Key words：governing system；tubular turbines；main distributing valve；primary frequency regulation；ful head operation