YWT—1000 16型调速器在机组改造工程中的应用研究

唐宏亮

摘 要：根据保流机组现场存在的问题，通过改造工程集中解决调速器的稳定问题。该文首先从电气与机械结构、调速系统工作原理入手了解YWT-1000/16型微机调速器，进而逐步研究其性能及稳定性。随后深入分析该调速器的开停机规律及其调节和控制系统，依据九点控制原理优化调节品质，并通过开机曲线技术使得机组空载无须考虑水头问题。

关键词：调速器；调节系统；开机规律

中图分类号：TK414.3 文献标志码：A

调速器被称为水电机组的心脏，由于调速器是调节频率的装置，优秀的调节品质决定了生產的电能的质量。该文中提到的保流机组位于黑龙江省牡丹江干流上，保流机组于1996年投产发电，目前调速系统陈旧老化严重，性能指标已达不到原设计要求，有些设备存在安全隐患，机械和电气故障频发。由于原调速器电液系统老化，导致调节能力和调节品质明显下降。在2017年6月份莲花电厂1#、2#保流机组增效扩容改造工程中，对2台保流机调速器进行全面的调试和分析。由于现在电网对发电机组的可靠性和稳定性要求越来越高，原调速器的主要缺陷急需解决，主要包括滑阀系统对油质要求高，油混水现象导致随动系统故障，严重则导致机组过速。开机规律采用开环控制，由于水头不同导致开机过程不平稳、并网时间较长。共用大厂高、低压气系统，气系统管路冗长烦琐导致维护困难，且不美观。

1 YWT-1000/16型微机调速器的结构与配置

调速器系统由电气和机械2个部分组成，电气系统配置包括三菱FX3U系列PLC，电液转换器采用数字阀，电气反馈为直线位移传感器，硬件配置包括电源系统、供继电器、电磁阀及人机界面、测频装置、导叶反馈。机械液压系统主要包括数字式电磁换向阀、紧急停机电磁阀、节流阀、减压电磁阀、制动电磁阀、压力管路过滤器、主接力器、导叶接力器反馈装置。油压装置为组合式，如图1所示。油压等级为高油压，包括回油箱、高压齿轮油泵、气囊式储能器、溢流阀等组成，接力器为外置形式。

2 调速系统工作原理

水轮机调节系统是一个本质非线性、参数时变的非最小相位系统，其控制性能、指标与稳定性是关键问题。由于水轮机调速系统是一个时变且存在随机扰动而又相对快速的控制系统，采用PID控制规律。结构上采用“积木”式模块结构，具有限时多任务功能，提高了系统的响应速度及可靠性。如图2所示，导叶反馈装置将导叶位置电信号传送给A/D模块转换环节，获取导叶位置信号及有功信号。由开关量输入模块采集二次的开机、停机、功率增加、功率减少等命令。CPU按调节规律分析计算出相应的导叶控制信号及状态信号（包括故障），送入输出模块完成控制输出和状态输出。通信单元负责与上位机通信，发送或接受上位机的命令。

3 YWT-1000/16型调速器性能调试及稳定性分析

3.1 调速器抗扰动能力测试

测试设备断线扰动和导叶变化值；在空载工况下人为断开机频，观察故障报警和接力器变化情况。导叶接力器保持空载开度不变，若在开机过程中断机频，导叶接力器应关至安全空载开度；在负载工况下，断开机频、网频，检查测频故障灯是否亮，并观察接力器行程变化情况。导叶接力器行程应不变；断开导叶接力器反馈、记录接力器行程变化情况，导叶接力器行程应不变。试验参数：机频：Fj=50.00 Hz，网频：Fw=50.00 Hz，永态转差系数：bp=0，暂态转差系数：bt=60，缓冲时间常数：Td=12，微分时间常数：Tn=0.2。

试验结论：见表1，调速器对各种扰动的处理过程表现良好，符合要求。

3.2 调速器稳定性测试

机组冲水后，将柜体面板上的导叶切换把手切至“手动”，此时触摸屏监视画面显示“导叶手动”，PLC开始跟踪导叶开度；将导叶开至安全空载开度的1.3～1.5倍开度，机组转动，机频上升至40 Hz左右将导叶关回至安全空载开度，然后，微调导叶开度，使机组频率逐渐稳定在50 Hz，完成开机过程。频率稳定后，检测机组3 min内的频率摆动。手动停机：将导叶开度关至0 %，机频逐渐将至0 Hz，停机完成。

Fmin=49.85 Hz

Fmax=49.96 Hz

（Fmin-50）/50=-0.30 %

（Fmax-50）/50=-0.08 %

-0.30%≤△f≤-0.08 %

（Fmin：最小频率，Fmax：最小频率，△f：频差）

3.3 调速器在空载运行情况下的频率摆动值

永态转差系数bp、暂态转差系数bt、缓冲时间常数Td、微分时间常数Tn、置空载运行参数，频给=50 Hz，机组在自动空载工况下运行。在机组处于自动空载工况时，测量机频在3 min内的频率摆动，即最高频率和最低频率，机频摆动对于大型机组应不超过±0.15 %，对于中小型机组应不超过±0.25 %，如果频率摆动超出范围，可调节PID优化参数比例增益Kp、微分增益KI、积分增益Kd

Bp=0，BT=60，TD=12，TN=0.2，E=0，Kp=1.2，Ki=1.3，Kd=1.0，Fmax=50.05 Hz Fmin=49.94 Hz

（Fmin-50）/50=-0.10 %≤△f≤（Fmax-50）/50=0.15 %

4 新老调速器的开机、停机规律分析

4.1 YWT-1000/16型调速器开机规律

4.1.1 基本开机特性：模型参考闭环开机规律

在开机过程中，调速器始终处于闭环控制。其频率给定值由参考模型给定，它是一条机组转速上升的理想过程线，实际的机组转速跟踪这一期望特性逐步升高；与开环开机规律相比，此种开机规律启动快速，又不会过速。此开机规律无须设置开机顶点，任何有效水头都可快速开机并网发电，fe：额定频率，f：开机频率，Y：导叶开度，t：开机时间。如图3所示。

4.1.2 模型参考闭环开机与开环开机规律的比较

开环开机规律实质上是对机组频率进行开环控制，因此需要具有空载开度的资料，而该资料往往不够精确，这也使得开机规律不够理想。开环开机规律的开机顶点难以确定，其受控于水头变化，需要知道不同水头下的空载开度。模型參考闭环开机规律有效地克服了上述开环开机的不足。在模型参考闭环开机规律中，机组转速始终处于控制之下，按期望的转速上升，接力器行程只是一个受转速控制的被动因素；在开环开机规律中，接力器行程是一个主动因素，因此存在一些不定因素。

4.2 YWT-1000/16型调速器停机规律

（1）接到停机指令后，导叶即由此时的开度，以第一停机速度将导叶关闭。

（2）导叶关闭至20 %（可以调整）开度时，即以第二停机速度将导叶关闭至全关位置，如图4所示Y：导叶开度，t：时间，a点空载，b点关20 %，c点停机。

5 YWT系列调速器的调节与控制

数字阀的优点是对油液的污染不敏感，工作可靠。主接力器在电磁阀控制下往返运动，带动导叶开关。导叶接力器反馈装置对应的输出为直流0 V～10 V。该调速器采用了一种新型PID控制器——九点控制器（基本型逻辑控制器），根据偏差与偏差变化率实际运行状况抽象成9个工况点（增强、稍加、弱加、微加、保持、微减、弱减、稍减、强减9种工况），从而给出相应的控制策略并进行有效控制。由于控制作用取决于被控对象的工况，因此相对被控对象具有适应性。

该型调速器具有频率调节、开度调节和功率调节3种控制模式。采用频率调节模式时，分为跟踪频给和跟踪网频的方式。跟踪网频方式运行时可实现机组频率跟踪电网频率，保证机组频率与电网频率一致，便于并网。

6 结语

通过对YWT-1000/16型水轮机微机调速器进行抗扰动能力、稳定性和控制能力的试验和数据分析。经过实践和对比，新型调速器性能指标表现良好。我厂保流机组位于地下厂房，工作环境潮湿，调速器油质无法得到保证这一问题，采用数字阀可以解决这一问题。避免了由于油质乳化导致随动系统故障，进而导致机组过速。采用模型参考闭环开机规律使开机规律更合理，与我厂其他型号调速器不同，无须设置开机顶点即开机开度，因此新型调速器不受水头变化的制约。因此YWT-1000/16型水轮机微机调速器完全满足现在水电站调节系统的要求，可以稳定、可靠、长期保证机组安全运行。

参考文献

[1]魏守平.水轮机调节系统的适应式变参数控制[J].水电能源科学，2003（3）：64-66.

[2]于洋.水轮机调节系统计算机仿真研究发展综述[J].广西水利水电，2004（3）：54-57.

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