水电站用PSWT-PLC型调速器的工作方式和特点分析

　　1PSWT-PLC 型调速器的构成

　　调速器由微机调节器和机械液压系统两大部分组成。微机调节器采用 PLC 控制系统， 完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等自动调节任务。 机械液压系统由比例阀、紧急停机和主配压阀等组成；电液转换机械由比例伺服阀+数字阀组成，具有自复中能力，能够在调速器失电的情况下，保证调速器机械液压系统维持在中位，从而维持接力器开度不变保证机组安全、可靠。

　　2PSWT-PLC 型调速器的工作方式

　　2.1 控制方式

　　调速系统有三种控制模式：远方自动、现地自动和现地手动（现地手动分为现地电手动和现地纯手动），三种控制模式的优先级依次为：现地手动（纯手动、电手动）、现地自动和远方自动。

　　自动运行、电手动和机械纯手动三种控制模式，任意切换方便可靠，有三种控制模式完全无扰动地切换。 当电气部分发生故障时，可无扰动地切换至纯（机）手动状态。

　　2.2 调节模式

　　微机调速器有 3 种主要的调节模式---频率调节模式、功率调节模式和开度调节模式，其功能及其相互间的转换都是由微机控制器当前工况自动完成。

　　频率调节模式，又称转速调节模式，该工况一般用于地区负荷及小电网，采用 PID 的调节规律，导叶开度随电网频率改变而自动调整。

　　开度调节模式， 水轮发电机组并入电网后采用的调节模式，该工况可以用于大电网及定开度运行。

　　功率调节模式， 水轮发电机组并入电网后采用的调节模式，该工况适用于大电网调节机组输出有功功率的运行工况。

　　2.3 调节模式的转换关系

　　机组开机进入空载工况运行时，调速器在频率调节模式下工作；断路器合，机组并入电网工作时，调速器自动进入功率调节模式工作；机组在并入电网工作的工况下，可以人为地使调速器工作于 3 种调节模式中的任一种模式；调速器工作于功率调节模式时，若检测出机组功率传感器有故障，则自动切换至开度调节模式下工作；调速器工作于功率调节或开度调节模式时，若电网频差偏离额定值过大，且持续一段时间，则调速器自动切换至频率调节模式工作。

　　3PWST-PLC 型调速器的特点

    3.1 适应式变参数补偿 PID 多点偏差增益控制法

　　PWST-PLC 型 调速器采用了适应式变参数补偿 PID 多 点偏差增益控制法，即将机组的转速和导叶反馈的变化速率用一个函数来描述，作为 PID 的被调节量进行运算，达到超前控制机组转速的目的。

　　具有控制结构自适应和参数自适应的调节功能，自动按工况改变运行参数、PID 调节参数及整机放大系数， 使调速系统始终工作在较佳的工况点的特点。

　　基本原理：根据系统状态和某些预先确定的超平面之间的关系来改变系统控制结构，当系统（受控对象）状态穿越系统状态方向空间的预先设定的切换超平面时，控制系统从一个结构自动转向另外一个确定的结构，以保证系统状态变量达到并约束在给定的滑模流形上，并使之自始至终沿着滑模流形滑行至系统状态空间的平衡点，从而使系统达到某个期望的指标。

　　根据偏差和偏差变化率来调整输出的多点偏差增益控制法；r（t）定为系统给定的偏差输入，c（t）为其输出响应，则定义偏差 e=r（t）-c（t），偏差变化率为=（ei-ei-1）/t,t 为采样周期 ,i 和 i-1 分别为本次的采样和上次的采样的偏差值， 设±e0为系统允许偏差（误差限，其中 e0误差上限，-e0为误差下限），设±0 为系统允许偏差变化率（其中：0 为误差上限，-0 为误差下限，限内为零带）。

　　系统的运行特性表征为系统偏差及偏差变化率的大小。 将系统偏差及偏差变化率的大小各自分类为 3 种情况。 这样的组合变化就有多种情况，每种情况都代表系统的一种工况。 根据工况的不同采用相应的控制策略。 根据这些由偏差、偏差变化率的组合而形成的多种工况采取相应的控制策略。 根据这些由偏差、偏差变化率的组合而形成的多种工况采取相应的控制策略，及时向控制对象进行增益增加或减少，从而达到控制目的和跟踪性能要求。 而每一时刻仅对应一种控制策略；因此根据偏差和偏差率实时变化所确定的工况，不断在多种控制策略中切换，直至系统的偏差被控制在预定的范围内。

　　多点偏差增益控制法根据被控偏差 e 及其变化率的实际运行状况抽象成多个工况点，从而给出相应的控制策略进行有效的控制，使之平衡于新的工况下运行。

　　±为系统允许偏差变化率决于系统精度要求根据具体调节过程决定。 系统动态响应时，K3+影响系统的延迟时间，K2+影响系统的上升时间，K4-影响系统超调，K2-影响系统的振荡次数，一般在确定了 K2+,K2-,K4-之后，来调节 K4+的值达到减小调整时间的目的。 在 Ki 均满足运行条件的情况下，K0与系统的稳态误差有关。 一般情况下，K4+≥K3+≥K2+≥K1+,K4-≥K3-≥K2-≥K1-,K0取较小值使得系统稳态时的振荡频率较小。

　　3.2 控制结构自适应和参数自适应的调节功能

　　补偿 PID:具有控制结构自适应和参数自适应的调节功能，自动按工况改变运行参数、PID 调节参数及整机放大系数，使调速系统始终工作在较佳的工况点。

　　在空载、负载开度、负载功率、负载转速运行工况下都有相应的 PID 调节控制参数与之对应，确保优良的控制效果和机组安全稳定地运行。

　　在空载工况下， 网频正常且为跟踪状态时的频差为：ΔF =FW - FJ

    机组并网运行后，空载无网频，或在不跟踪工况下，频差为：ΔF = FG - FJ

    （FW 电网频率，FJ 机组频率，FG 为频率给定值。 ）

    通过对频率差值， 或开度差值或功率差值进行 PID 运算后，得到一个与该差值所对应的开度输出信号，经过开度限制环节输出到液压承运系统来控制导水叶的开度，则导水叶的开度经AD 转换后与 PID 调节器的输出信号进行综合比较，放大输出，直到调整输出信号和导水叶开度所对应的信号之差为零。

　　水轮机调节系统的工作点可以由水头和接力器行程来确定，工况可以由工况回路来确定。

　　3.3 防机组飞逸

　　3.3.1 闭环开机及同期控制

　　调速器接收到开机令后，或从开机令发出到转速信号有效这段时间内，转速给定值跟踪实际的转速；当转速信号有效并且大于 70%, 进入空载转速 PID 控制， 转速给定值就以每秒（4%*Fr）（Fr 为 额定转速）速 率增加 ,同时空载转速 PID 算 法控制机组实际转速以相同速率上升；当转速大于（85%*Fr）时为速率切换点，这时转速给定值就以每秒（2%*Fr）速率增加，同时空载转速 PID 算法控制机组实际转速以相同速率继续上升；当转速大于（95%*Fr）时为速率的另一切换点，这时转速给定值就以每秒（1%*Fr）速率增加，同时空载转速 PID 算法控制机组实际转速以相同速率继续上升； 直到转速给定值增加到额定值（100% *Fr ~100.5% *Fr）， 如 果 电 网 的 频 率 在 正 常 范 围 内（49.5Hz~50.5Hz），调速器自动将电网频率取代转速给定值处于跟踪状态利于机组同期并网。

　　调速器的自动开机及同期转速控制采用按预先设定的最大和最小空载开度组成的开机曲线 PID 分段调节的方式进行自适应闭环开机规律闭环控制，机组的转速测量信号始终作为开机过程的闭环条件，不需要根据水头设定严格的空载开度和开机开度等值，确保了在任意水头的情况下有相同的快速开机同期过程。

　　这种根据机组转速变化的速率自动改变开机斜率和顶点，自动适应于任何水头的变化的开机规律方法，能尽量减少开机时间，保证在任何异常情况下不过速，不停机。

　　3.3.2 空载自动调节

　　调速器在空载运行工况时，始终将导叶开度控制在参数中设置的最大及最小空载开度值之间。

　　3.3.3 关键信号容错能力

　　A、频率容错

　　空载运行状态时，当调速器检测到机组频率故障，则自动将导叶关至最小空载开度，当检测到系统频率故障，自动跟踪频率给定；负载运行状态时，机组频率与系统频率互为容错，即当机组频率故障时，自动取系统频率作为被调节量；当系统频率故障时，自动取机组频率作为被调节量。

　　当机组频率与系统频率均故障时，仍可通过现地或远方手动控制机组的转速或有功功率（导叶开度）。

　　B、行程容错

　　通过主接力器上的位移传感器反馈量，实时自动诊断导叶行程输入，自动提示故障类别。 导叶行程信号消失后，保证水轮发电机组稳定在当前状态下运行； 调速器根据机组当前的开度、功率、转速对导叶传感器进行故障判断，确认当前导叶的实际位置。

　　3.4 自复中能力

　　机械液压系统的设计为断电自复中、事故归零。 调速器机械液压系统采用液压自复中，不需要长期通电的专用复归电磁阀控制，确保整个调速系统安全、可靠。

　　3.5 防空载泄水

　　机组停机时，调速器具有 1%开度左右的“压紧行程”并且锁锭装置自动投入，故在停机备用工况下调速器主配压阀保持在相对偏关的位置，可有效防止导叶漏水，确保机组保持在停机状态。

　　3.6 转速的测量

　　转速的测量分为残压测频和齿盘测频两种方式，残压测频为主用，齿盘测频为备用，残压取自发电机机端电压和系统侧电压，两种测量精度不低于±0.005%.

　　齿盘测频由齿盘、接近开关和微机测频单元组成，安装在水轮发电机组大轴上的齿盘与一对电磁式接近开关一起组成了频率信号产生单元。 由信号整形电路、滤波电路、单片机和机频信号输出电路一起构成了频率信号测量单元。 频率测量单元将测量出的机组频率以方波或数字量形式送到微机调速器。 当机组大轴转动时带着齿盘一起旋转，固定在支架上一对电磁式接近开关就产生了两个信号， 通过单片机将这两个信号组合、滤波、计算等处理后得一个与机组频率成正比的值，并将这个值以方波或数字量形式送到微机调速器。

　　3.7 频率跟踪

　　机组在空载运行时使机组频率按预先设定的频差自动跟踪系统频率或自动跟踪频率给定值（“频率给定”调整范围：45~55Hz）。

　　可自动或人为选择频率跟踪或不跟踪的状态，更利于机组与电网同步，调速器根据网频和孤立电网来自动选择设置频率跟踪或不跟踪状态（也可以人为手动设置）。 它能控制机组发电机频率与电网频率（或频率给定）相接近。

　　西门子可编程控制器作为调节控制的核心，程序执行时间小于 5ms. 空载运行时，将机端电压与电网电压之间的相角差参与 PID 运算，实现相位控制，保证相角差在零度附近摆动，便于实现快速自动准同期并网，有效防止由于频差过小同频不同相而造成并网时间过长的现象发生。

　　3.8 大、小网及孤网的判定

　　负载运行时，根据频率的变化以及负荷或开度的调整对频率引起的变化作为判断大小网的依据， 自动改变运行模式：在开度调节或功率调节模式下，当判断为小电网或电网故障自动切换到频率调节模式运行。

　　当转速变化率超过频率失灵区 N 个周期后，自动切入频率调节模式，并转至小网运行。 当频率变化率在频率失灵区范围内，一段时间后（可设定）自动切入开度调节或者功率调节模式，并转至大电网运行。

　　3.9 防假甩负荷

　　为防止断路器误故障，导致机组发生甩负荷事故，系统判断甩负荷的条件是必须同时满足断路器信号断开、机组频率上升和有功功率下降。 否则认为机组仍并网运行。

　　3.10 离线诊断及调试功能

　　通过触摸屏可随时人为检查、调整、设置调节参数和运行参数，并且可以用计算机进行程序的检查、修改和调试。 调速器具有下述离线及调试功能：系统硬件及软件故障检查，包括各硬件模块故障检查；调节参数检查及调试；程序检查及调试；修改和调整程序；检查、调试和电站计算机的通信及其他接口。

　　4 结语

　　全厂三台机组自投运以来， 仅发生一回在机组备用状态“开、停机时间螺母”松动导致调速器主配压阀抽动现象，在重新调整拧紧“开、停机时间螺母”后调速器恢复正常。

　　综上所述，通过 PWST-PLC 型调速器的特点，及其乐昌峡水电站全厂三台机组调速器投运的情况，表明该型调速器总体运行情况良好，为机组的安全稳定运行提供了可靠保证，对其他电站有较好的借鉴作用。