关键词：调速器;控制系统;国产化;改造;配置;功能
引言：调速器是水电站发电机组的重要辅助设备，与电站二次回路或计算机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。水轮机调速器还可以与其它装置一起完成自动发电控制(AGC)、成组控制、按水位调节等任务。
1.调速器电气控制系统国产化原因
田湾河流域梯级电站的立式六喷嘴冲击式水轮机调速器采用了美国GE电气部分设计和武汉事达电气股份有限公司国产组装的模式，控制方式采用喷针比例阀操作，调速器机械部分由武汉事达电气股份有限公司自行设计和制造。由于当时国内六喷六折冲击式水轮机调速器领域的技术水平限制，存在设计运行经验不足，技术理念落后等缺陷，电气部分采用了进口组装美国GE的Micronet为主控制核心的调速器电柜。原设备零部件价格昂贵、技术不开放，虽安全稳定运行至今，但由于MICRONET控制器已停产，无法提供相应的备品备件。
2.原调速器电气控制系统存在的问题
田湾河公司所属金窝、仁宗海、大发三个电站的调速器最早一台投产于2007年10月，最后一台于2009年完成投产。经过多年运行后，原调速器主要存在下列问题:
2.1 当前的电气控制系统为单CPU运行,如果系统中的任何板件或者CPU出现故障时，将导致机组直接停运。
2.2田湾河公司6台冲击式机组调速器控制单元核心元器件均由美国GE公司提供，该模块(美国GE公司MICRONET控制器)的好坏直接决定6台机组是否能够安全运行。随着时间的推移，模块元件逐渐老化，2012 年10月其中一台机组调速器CPU出现模块老化故障，美国GE公司人员到现场检查认定无法修复，只能采用公司备存的唯一块CPU进行更换。同时，该公司告知我方已不再生产该类型号的CPU,其升级产品也不兼容，今后出现类似故障，只能全盘改造。这就意味着，将来该款CPU既没有备件可更换，又不能升级，只能淘汰，其命运全部掌控在美国GE公司手中。
3.调速器电气控制系统改造后的功能和新增优势
3.1流量控制新技术
六喷六折的导水机构是六个喷嘴，有六个接力器和六个喷针位置传感器，运行过程中投入运行的喷嘴数量会发生变化，喷嘴之间会发生切换，且喷嘴的开度与其流量呈明显的非线性关系，此时无法再采用开度控制模式。为此对冲击式机组调速器引入了流量控制模式的概念。使用流量控制的好处在于，当到达喷嘴切换点时，机组的流量(功率)不会忽大忽小，从而也不会在喷嘴之间反复切换，这样机组增减负荷的速率也很快。
3.2喷针与折向器双重调节技术
由于调速器六喷六折冲击式机组的压力钢管非常长，如果喷针关闭过快会导致压力钢管的压力急剧上升，严重的会导致压力钢管破裂，因此决定了喷针调节时不能关闭过快，同时又必须在极短的时间内切除射流，以防止出现飞逸，这次六喷六折调速器首次使用了喷针与折向器自动切换技术，利用功率信号消失、机组转速信号及喷针开度信号冗余判断来识别折向器的开启及关闭。
3.3一次调频的新技术
当频率超出频率死区后，一次调频在功率模式或者流量控制模式往往出现喷针未动作现象，因为频率计算偏差较小。从而导致计算的喷针实际动作量的偏差过小，而导致喷针未能动作。
此次六喷六折冲击式机组采用了叠加算法，即当一次调频动作过程内，叠加了功率死区或流量死区，使一次调频调节过程中无功率或流量死区，从而使一次调频能在频差超出0.01Hz即能动作。满足了电网的要求。
3.4 六喷六折调速器模型的输入及参数给定可切换性技术
新型MGC7000调速器模型采用状态切换、参数切换、输入信号切换。随调速器系统工作在不同模式下而切换其内部工作参数及输入参数；以及调速器装置参数组，依据调速器系统的状态变化、并配合状态切换装置而驱动调速系统装置中央处理器进行切换程序，以控制调速器装置的内部工作参数，使用切换功能，保证调速器在不同模式，不同的给定前提下，输入正确的参数及扰动量，简单可靠的模式切换器，使调速器模式易于实现所需的功能。
3.5调速器调节规律
调速器具有比例、积分、微分并联PID调节规律，频率采用PID调节，功率、开度采用PI调节。PID 参数具有足够的可调增益范围，并能适合被控系统的动态特性。
1）开机过程控制:调速器能实现最优开机过程控制，尽量减小开机时间。喷针以一定速度开启至第一开机开度Ykj1，喷针开启至Ykj1后，转入开机(2)过程。调速器进入Ykj1后，延时to开始测量机组；当检测到机组频率fg连续2s大于空载设定频率时，将喷针关闭至第二开机开度Ykj2,转入空载状态。此时若接收到停机指令。则转到停机过程。调速器在停机等待状态，在无关机指令的情况下，收到开机指令，即进入开机过程。下图为开机规律特性。
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喷针接力器开度Yga和电气开度限制L均同步开启至第一开机开度Ykj1 (图中A点);喷针接力器开度Yga=Ykj1，并维持不动，经过一段延时tA-B至B点(这时被控水轮发电机组的频率可以被可靠地测量)，开始测量机组频率。机组频率在图中C点已连续2s大于频率设定值，则将电气开度限制L由Ykj1 关至Ykj2，调速器投入PID调节，接力器在其控制下稳定于空载开度Yo ，开机过程结束，并转入空载状态。
2)停机过程控制:调速器能根据外部系统的操作命令、调速器工作状态及过速保护的动作信号等条件来判断不同的停机工况，实现机组的正常停机控制、事故停机控制和紧急事故停机控制。
4.改造的难点
由于本次改造只对调速器控制系统进行改造,机械部分未改动，故在输出执行环节存在着调速器机械部分与改造后的调速器控制系统之间接口的问题，即电液转换器如何接收调速器控制系统发出的电信号并转换成机械位移来控制喷针开度,改变进入水轮机的流量，从而控制水轮机发电机组的转速和出力的问题。如果接口问题解决不好，可能使调速器对比例阀无法正确控制，从而对接力器无法正确调节，最终导致调速器无法对机组进行调节控制。针对该问题，通过录
制功放板前后波形对比分析，以及对放大管、电阻、电容的规格、放大板电路进行不断的优化改进，经过查找、分析、改进及试验，最终通过优化功放板电路、改进电路板绝缘等方法解决了这一难题。
5.总结
田湾河流域梯级电站 6台调速器控制系统改造前后历经长达5年的时间。经过长期的运行实践证明,此次改造解决了原调速器存在的机组功率调节波动大、抗干扰能力差、测速装置和电源不冗余等问题，真正实现了调速器在线故障诊断及容错功能，安全可靠性和稳定性得到了极大提高;调速器静、动态特性及抗扰度均达到或优于原调速器，系统运行稳定。通过改造，运行维护人员深入掌握了关键技术，便于运行维护;选用国内生产的通用性元器件，很好地解决了备品备件的供应和技术支持问题，进一步降低了运行维护成本。
参考文献
[1]水轮机调速器技术规程
[2]长江三峡能事达电气系列水轮调速器技术说明
[3] 魏守平，王雅军等.数字式电液调速器的功率调节[J].电力系统自动化，2003 (4) .
[4]魏守平.水轮机调节[M].武汉:华中科技大学出版社，2009.
论文作者:吴京津,,田永能
论文发表刊物:《中国电业》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/26
标签：调速器论文; 机组论文; 控制系统论文; 水轮机论文; 电气论文; 喷嘴论文; 频率论文; 《中国电业》2020年第1期论文;