多喷嘴冲击式中小型水轮机组的调速器控制与特殊工况运行问题研究

摘要：近年来我国冲击式机组单机容量正在不断加大，对其安全性和稳定性也提出了越来越高的要求。基于此，本文以PLC控制下的单机容量3400kw，水头284米的卧式机组双喷针调速器为例，探讨了调速器控制与特殊工况运行的相关问题。

关键词：多喷嘴冲击式；水轮机组；调速器

随着我国社会经济的快速发展，我国水电事业也已经进入蓬勃发展阶段，预计到今年年末水电装机容量将达到3亿千瓦以上。我国水电事业的快速发展需要大量水电控制设备予以提供支持，而多喷嘴是中小型水轮机组是非常重要的组成部分，凭借其便于维护、结构简单等优势已经在四川、云南等高水头小流量电站中得到了广泛应用。近年来，我国水电制造技术取得了瞩目成绩，已经能够生产出多喷嘴机组和调速器，本文以PLC控制下的单机容量3400kw，水头284米的卧式机组双喷针调速器为例展开研究，详细探讨了控制和特殊工况下的运行问题。

一、PLC控制下水轮机组调速器

1、PLC控制调速器结构

通常情况下，调速器一般由两部分组成，一个是微机调节器，另一个是机械液压调节器。所谓机电转换装置指的就是能够实现信号转换的装置，即将电气数字信号转换为机械液压信号，并且可以实现反向信号转换。该装置在一定程度上会影响到调速器的可靠性，在文中所述调整器中一共包括两种这类装置，分别对导叶和桨叶进行控制。其工作原理数学模型为： ，其中 为旋转角速度， 为水轮机力矩， 为发电机组力矩。

2、PLC控制调速器特点

如图1所示，该调速器结构主要与以下几个特点：

图1 PLC控制下调速器

（1）前向通道，指的是图1中的u/N、y1和y，这三个通道按照从左至右的顺序依次传递，实现对信息的控制，只要是调速器都拥有这一主通道，u/N是PLC调节器的输出通道，在该通道上可以输出电气量和数字量，并且能够通过转换装置将输入信号转换为输出信号。y1为转换装置前向输出通道，该通道负责输出液压信号和机械位移信号。y为机械液压系统输出通道，主要负责将接力器位移信息输入进来，是输出信号的一种。（2）反馈通道，图1中标注的2-1、2-2、3-1、3-2、3-3均为同向前通信可能产生的相反反馈通道。3-1代表的是在转换装置中接力器唯一形成的数字或者是电气量，并将产生的这些量全部传送至PLC控制下的信号反馈通道；（3）综合比较点，比较点在图1中依次表示为A1、A2和A3。这些比较点代表的是上述两个通道的信息交汇点。A1、A2和A3分别是数字量、电气量和机械的比较点；（4）PLC调节器，在本文设计的水轮机组中，PLC调节器是实现控制的核心组件。其输出信号能够实现对机械液压系统的有效控制。

3、基于PID算法的双调节系统

在本文中我们采用的是伺服式双调节系统，该系统由计算机进行控制，属于一种闭环控制系统。在联协控制器下能够实现对桨叶以及导叶的分别控制，对于电液在转换时出现的控制失灵问题能够起到良好的抑制作用，该系统能够和PLC接口实现简化，这样一来，调节器结构不仅变得更加简单，同时稳定性和安全性也更高，即使是在定值或者是被控参量出现偏差时也能够将导叶输出量计算出来，通过联协控制器将桨叶开度值计算出来。由于篇幅限制，文中不具体演示PID控制算法过程。

二、冲击式机组特殊工况下的运行问题

1、负载运行

冲击式机组调速器的运行方式一共有三种，分别是负载频率、负载定开度以及负载恒功率运行方式，其中负载频率调节方式还可以细分为一次调频、小电网两种运行方式。在负载频率控制下，利用并联PID调节模式，频率偏差为被调节信号对象；在负载恒功率下，给定信号和实际功率信号之间存在一定的偏差值，将偏差信号叠加到一起，按照一定比例进行积分PID运算，给定信号在经过功率折算或开度折算之后需要开环作用于输出环节。在负载定开度下，给定信号和实际功率信号之间存在一定的偏差值，将偏差信号叠加到一起，按照一定比例进行积分PID运算，开度给定值需要开环作用于输出环节。

负载运行下判定大小网和孤网：在该方式下，通过对变化率的转换能够实现机组在大电网或者是小电网中运行判断，而且能够自行对参数进行调节，并实现工况的切换，这样一来，能够在孤网、大电网、小电网以及空载等工况下稳定运行。判断方法如下：如果是在负载运行状态下，则可以根据开度/负荷调整变化影响以及频率变化为依据进行判断。如果是在功率调节和开度的的调节运行状态下，如果判断为电网故障或者是小电网运行则实现自动切换。当变化超出范围周期之后，就会实现自动切换，并且在小电网下继续运行，如果变化并未超出周期范围，经过一段时间之后可以实现自动切换，并且在大电网下继续运行。

2、小网运行

当机组在小电网下进行运行时需要采用以下方法：（1）如果小电网负荷在30%以内，那么调速器喷嘴就能够实现自动投入，并且还能自动切换闭锁喷针，这样做的目的是在喷嘴切换过程中容易对负荷产生较大的波动影响，继而小电网的稳定运行无法保障，而采用这一方法能够有效解决这一问题。具体来说将折向器设到最大，限制喷嘴最大开度，对被控机组频率进行调节和控制。（2）当小电网负荷频繁变化并且负荷比较大时，此时喷针接力器动作也比较迟缓，其动作调整不可能跟上负荷变化。通常情况下，我们要投入全部的喷针，将其固定在开度较大的条件下运行，以折向器接力器实际动作情况为依据，当负荷变化幅度比较大时，接力器开关就能及时跟上变化速度。切换闭锁喷针，所有喷嘴开度都比较大时，通过计算值对其开度进行控制。

需要注意的是水头变化水轮机出力相同的情况下喷针开度并不同，因此需要对提调速器参数进行合理设置，使其满足实际工况。由于在PLC调速器中，主控制量是导叶，因此，我们只需做好导叶的控制即可。

图2 导叶调节结构

图中X为测量信号，bp为永态转差系数，Tn为微分下时间常数，KP、KI、KD分别是比例、积分和微分增益。按照下属公式求出输出增量进行不同工况下的导叶开度设置。

结语：

水电建设一直是我国最基础也是最重要的基础建设之一，在改善民生和促进经济增长方面有着举足轻重的作用，调速器在电力系统中是非常重要的组成部分，本文以PLC控制下的单机容量3400kw，水头284米的卧式机组双喷针调速器为例，探讨了调速器控制与特殊工况运行的相关问题。本文设计的调速器即使在不同水头条件下也能够实现轮叶和导叶的精确协调，大大提高了资源的利用效率。

参考文献：

[1]涂振祥.多喷嘴冲击式大型水轮机组的调速器控制与特殊工况运行问题研究[J].电力系统保护与控制，2009（16）.

[2]王丽娟.潘熙和.张应文.朱建勇.黄业华.水电站冲击式水轮机调速器技术发展历程及研究[J].长江科学院院报，2013（05）.