水轮发电机组调速自动控制系统存在的问题及其对策

摘要：作者针对水轮发电机组调速自动控制系统做了一些理论和实践的探讨，包括水轮发电机组调速自动控制系统存在的问题和缺少对电力系统稳定控制的作用的考虑，并对完善水轮发电机组调速自动控制系统的对策提出了建议。

关键词：水轮发电机组；调速自动控制系统

水轮发电机组调速自动控制系统经历了机械液压式调速器、模拟式电液调速器和数字式电液调速器几个发展阶段，取得了长足的发展。但是，随着大容量机组和大型互联电力系统的出现及其对电力系统自动控制要求的提高，对水轮发电机组调速自动控制系统(以下简称“调速系统”)提出了更高的要求，出现了许多需要解决的新问题。如自动发电控制(AGC)自动控制机组有功功率时调节品质问题，发电机组调速系统对电力系统稳定的作用问题等[1]。

1、水轮发电机组调速自动控制系统存在的问题

(1)机械液压式调速器和模拟式电液调速器，一般都没有有功功率反馈，机组有功功率调节由运行人员手动调节调速器的频率给定的大小来实现。由于运行人员的智慧和经验，有功功率的手动调节是稳定的。近年来，随着电力系统自动控制技术水平的提高，AGC进人了实用化阶段，要求机组调速系统能够根据AGC给出的有功功率值自动控制机组的有功功率.为了适应这种要求，出现了发电机组有功功率控制装置。这种装置接受AGC给出的应发有功功率指令，作用于机组调速器。由于调速器固有特性和控制策略方面的问题，有功功率控制装置自动控制机组有功功率时，或表现为超调量大、摆动时间长，或表现为调节“迟钝”。一时间，机组有功功率自动控制的调节品质成了水电站自动化领域里的一个突出问题。尽管通过控制策略的改进，使问题得到了一定程度的改善，但仍没有达到理想水平。有的研究者将机组有功功率反馈引人了调速器，根据AGC给定的功率和实发有功功率的偏差来调节机组有功功率，但“调节信号绕过了PID，绕过了软反馈”，因此这种控制模式也很难使调节达到最优状态。

(2)控制策略较落后，不能实现功率控制、开度控制、频率控制的要求和合理切换，不能实现频率故障、开度故障等容错控制策略。

(3)不能实现电网的一次调频功能，不能达到一次调频对频率死区、永态转差率、响应滞后时间等动作参数的要求。

(4)原调速器在试验时需外接多个试验器材，试验程序和方法较繁琐，数据记录不方便。

2、缺少对电力系统稳定控制的作用的考虑

2.1机组调速系统结构欠完善

目前，电力系统中运行的水轮发电机组调速系统，除了前面分析的频率反馈不完善。没有有功功率反馈以外，没有发电机功角反馈参与是机组调速系统不能对电力系统稳定起作用的重要原因之一。因为发电机功角变化是反映机组转速和有功功率变化最敏感的参数。另外，发电机端电压和无功功率变化也影响机组转速和有功功率。因此，应当设计具有发电机的转速(而不是发电机端电压的频率)、有功功率、功角、端电压和无功功率参与控制的发电机组调速自动控制系统。初步理论分析已经证明这种调速系统对于抑制机组频率和有功功率摇摆、提高电力系统稳定性具有明显作用。

2.2调速器存在死区

电液调速器的机械液压随动系统结构复杂，存在机械反馈(包括杠杆式反馈和直连式反馈)导致调速器存在死区。死区的存在直接影响了机组调速系统的调节品质，使其难以对电力系统稳定发挥作用。因此，简化电液调速器机械液压随动系统的结构，去掉机械反馈参与调速控制，根除调速器的死区，应该成为调速器研究的主要问题之一。如果做到这一点，就为调速器在电力系统稳定控制中发挥更大的作用奠定了基础。

3、完善水轮发电机组调速自动控制系统的对策

3.1协联关系运行提高了机组运行效率

电站较早时不能准确采集机组水位信号，且当时的控制器模拟量通道受限制未接入水位信号。改造后调速器接入水位信号并设置导叶与桨叶的协联关系数据，按协联关系减少了水轮机的综合耗水率，提高了水轮机的运行效率。

3.2协联关系运行减轻了机组振动摆动

水轮发电机组的振动摆度过大不但会影响机组的正常安全稳定运行，严重时甚至会引起机组和厂房的损坏，造成严重后果。电站曾采取一些措施来减轻振动，未能取得良好的效果，主要原因是机组未按协联关系运行，机组上导、推力、上机架等多个部位的振动摆动值较大。改造后导叶、桨叶在协联关系下运行，在试验和实际运行中通过手测与在线监测系统观察机组各部的振动摆动均符合国家标准要求，提高了机组的安全稳定运行程度，提高了水轮发电机组寿命[2]。

3.3改变控制结构，提高了控制调节性能

原调速器位移反馈信号取自中间接力器，液压随动由多级放大组成，机械液压部分结构复杂、元件较多，调速系统的稳定性和动态响应性较差，接力器不动时间、甩负荷动作时间等数据不能达到国家标准要求。通过改变调速器的反馈结构和方式，在导叶、桨叶的接力器和引导阀处安装不同类型的位移传感器，与原中间接力器共同形成多个闭环反馈回路，不改变调速器的机械液压部分，利用控制系统的软、硬件多闭环反馈提高了调速系统的调节精度、速动性和稳定性。

3.4监控系统和在线监测系统的功能完善

通过PCC的模拟量输出模块和双路配电器分别将导叶开度、桨叶开度信号送往机组监控系统和在线监测系统，在正常运行及事故情况下便于对事件进行分析，完善了监控系统和在线监测系统的功能。

4、结论

改善水轮发电机组调速自动控制系统中频率和功率反馈;增加功角、机端电压和无功功率反馈参与机组调速自动控制;开发合理控制方式;简化电液调速器机械液压系统的结构，根除调速器死区;应该成为水轮发电机调速器研究的主要问题。如果这样做了，就可以提高机组调速自动控制系统的调节品质，更充分地发挥调速器的作用。这不仅对提高电力系统频率的质量有益.而且也会对电力系统稳定控制起更大作用。

参考文献：

[1]王秀梅，丁仁山．二滩水电站调速器控制系统国产化改造[C]．北京：2010全国水电自动化技术学术交流研讨会论文集，2010

[2]南海鹏．水轮发电机组PCC控制[M]．西安：西北工业大学出版社，2002