摘要：水轮机微机调速器，紫坪铺水电站新型微机调速器采用PID调节与机械液压随动系统的闭环控制方式。保证调速器的速动性和稳定性。本文对闭环控制输入输出原理和方式进行了简要分析。
关键词：调速器；PID；闭环；
一、概况
紫坪铺水电站装机4×190MW，采用立轴混流式水轮发电机组，电站机组并入四川电网，在系统中主要承担调峰、调频任务，而且机组起停频繁。水轮机调速器工作性能的优劣直接关系到水电站和机组运行的安全以及所生产电能的质量。紫坪铺水电厂使用东电HGS-E412型水轮机微机调速器。一种基于工业控制器为控制核心，采用伺服比例阀构成的液压随动系统为执行机构的水轮机调速器。由调速器电气柜、机械液压随动系统组成，具有硬件结构简单，性能优越，可靠性高，维护量小等一系列优势。
二、调速器闭环控制原理（图1-1）
水轮机调速系统是一个闭环自动控制系统。调速器根据电力系统负荷的变化，调节水轮机流量，以适应系统对机组出力的要求，达到控制水轮机组频率的目的。因此，对水轮机调速器闭环过程分析具有重要意义。
调速器接到调节给定信号（目标值），调节给定信号与导叶开度反馈信号（当前值）比较得到偏差信号，所得偏差信号提供给比例（P）环节、积分（I）环节和微分（D）环节的输入信号，比例（P）环节、积分（I）环节和微分（D）环节的输出信号相加得到PID调节的输出信号，此PID控制输出与导叶开度反馈信号进行比较，再与主阀反馈信号比较，得到的偏差信号送入伺服比例阀，使伺服比例阀依据此信号的极性和偏差值偏离平衡位置。伺服比例阀的位移会使调速器的主配压阀朝开方向或关方向移动，其动作速度与伺服比例阀的移动成正比。从而推动导叶开度朝开方向或关方向移动。完成一次循环调节。
三、紫坪铺调速器特点
1）抗干扰
在调速器闭环控制系统中受干扰的主要是模拟量信号，在实际应用中模拟量信号会受到很多内外因素的影响。除了模拟量转换的误差、A/D转换的分辨率，内部模拟电路产生的噪声和漂移，还会受到环境温度、电场、噪声、磁场等影响。这些干扰信号一般都是无规律的，而且波动不稳定，有大有小。信号的干扰会引起信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。这些异常的信号干扰会造成逻辑数据变化，从而引起导叶接力器频繁动作、误动、甚至可能导致死机。紫坪铺水电站调速器通过硬件和软件共同作用消除或削弱干扰信号的影响。提高采样值的可靠性和精度由于经过量化后的数字量与采样的模拟量的原值存在一定的误差，这个误差可以通过A/D转换后的二进制位数进行控制，位数越多，分辨率越高，精度也越高。在紫坪铺水电站选用美国公司MTS高性能、高可靠的、模拟量分辨率基本无限的直线位移传感器，用于导叶接力器位移的测量。输出为4～20mA电流信号， 软硬件抗干扰处理采集到的高精度信号通过模块隔离信号调节装置（又称作信号变送器）送入到具有滤波、隔离，能有效抑制外部干扰源的模拟量输入模块中。输入的信号在PLC程序中进行了故障检测，滤波处理等功能，大大的提高系统可靠性。
2）PID调节参数灵活性
PID调节参数根据运行工况和控制模式的不同， PID调节参数的增益Kp、Ki、Kd以及永态转差系数bp是不同，各自参数均可独立设置。PID参数灵活选择自适应对机组稳定控制。
比例（P）环节：
优点响应快，无滞后。只要一有偏差，立即就有相应调节做用。及时克服扰动，使被控制量很快回到给定值附近。缺点有静差。当扰动出现后。比例控制不能使被控量完全回到给定值。只能回到给定值附近，产生静差。
积分（I）环节：
优点能消除静差，输出信号和输入信号偏差之间没有相对应的关系，有差即动，无差则停。不停的动作来消除偏差。缺点调节动作缓慢。积分控制随时间而逐渐累积。因此积分控制有滞后，控制作用不及时。
微分（D）环节：
优点防止超调。微分控制作用根据偏差的变化速度来调节的。与偏差的大小无关，当发现偏差有加快变化的可能，马上就发出阻止其快速变化的控制信号。缺点有静差，当偏差没有变化时，分控制作用也停止。即使偏差本身很大，微分也不会动作。
机组在大小网模式下采用比例积分控制（PI）控制，既有比例控制作用的及时性、快速性，又有积分控制作用能消除静差的性嫩。在机组大小网可靠运行提供保障。
3）液压随动系统稳定性
液压随动系统是具有内闭环相对独立的电液随动系统，通过随动系统控制模块输出—偏差控制信号作用于伺服比例阀功率放大模块，从而控制接力器的开关。从随动系统控制原理图(图1-4)中可以看出该控制模块有两个闭环反馈环节，一个是由主阀反馈构成的内环控制，另一个为接力器反馈构成的外环控制，增益G0/G1、K1、G2/G3用于调整随动系统控制的动态响应特性与稳定性。“接力器反馈”将始终跟随“随动系统给定”而变化。随动系统参数整定的目的在于调节随动系统的响应速度，使随动系统不会因响应太快而产生超调，也不会因响应太慢而动作迟缓，最终目的是既要保证调速器的速动性，又要保证调速器的稳定性。
随动系统参数：
● GM Loop主阀内环参数整定：主要用来选择参数G2/G3、K2；
保证主阀位置反馈快速且无超调。
● GV Loop接力器外环参数整定：主要用来选择参数G0/G1；
保证接力器位置反馈快速且无超调。
四、结语
经过多年来的现场运行情况和分析试验，采用HGS-E型水轮机微机调速器的闭环控制系统，完全满足了调速器的速动性、灵敏度、稳定性和可靠性的要求，为紫坪铺水电厂的经济效益、安全运行提供了有力的保障。
论文作者:史 垒
论文发表刊物:《中国电业》2019年第11期
论文发表时间:2019/9/29
标签：调速器论文; 信号论文; 闭环论文; 偏差论文; 水轮机论文; 系统论文; 机组论文; 《中国电业》2019年第11期论文;