水轮发电机冷却风机变频控制系统的设计

黎安军

（广东水利电力职业技术学院，广东广州 510635）

0 引言

随着水力资源的不断开发，我国高水头的水力发电得到了充分的利用，现正转向了低水头的水力发电的开发。在低水头的水电站中，灯泡贯流式机组以其效率高、造价低得到全面推广。但灯泡贯流式机组因受灯泡比的影响，发电机的直径要比常规机组小，对发电机的通风冷却不利。因此，灯泡贯流式机组一般设有风机冷却。本文就从节能角度出发设计了一套发电机冷却风机变频控制方案。该控制方案是利用发电机组的周围环境温度和发电机组实时输出功率作为变频调速控制方案的输入参量，加入PLC 的PID 控制算法，最终达到优化冷却风机冷却效果及节约电能的效果。

1 系统介绍

一方面为了使灯泡贯流式发电机组运行时发电机温度得到有效控制，减少机组老化，另一方面为灯泡贯流式发电机组增容做好准备，本文经过灯泡贯流式机组数据累计观察对比，设计了一套基于PLC控制的变频调速风冷却系统。这种水轮发电机冷却风机变频控制系统效果好，特别在机组负荷较高时，发电机温度相对其他普通风冷系统有明显降低。下面以一台单机负荷为16 000 kW的灯泡贯流式发电机组为例介绍本系统。一般情况下，每台发电机组配置6 台冷却风机，风机电机功率为10kW/台。为了使机组冷却风机系统更加完善，在保证发电机温度得到有效控制的前提下，更加节能（特别是枯水期机组在低负荷运行情况下），本系统设有风机分组和变频调速两层控制，当发电机在负荷低谷运行时，发热量小，冷却控制系统只启动3 台风机（在位置分布上隔开排列）低频运转。当发电机在负荷高峰运行时，发热量大，冷却控制系统启动6 台风机并且高频运转。不管是负荷高峰还是低谷，本系统都会使得发电机组最终停留在基本恒定温度th的工况下运行，控制原理如图1 所示。

图1 控制原理

基本恒定温度的控制系统最大限度节能，并使系统处于可靠运行的状态。基本恒温度th的值的选定非常重要。th的值偏大，可以节省冷却风机的耗能，但是，会使发电机组长期处在高温下运行，加剧发电机组的老化；th的值偏小，可以减少发电机组的老化，但是，冷却风机的耗能会上升，发电机组长期处于较低温度，线圈绕组容易形成冷凝水，绝缘容易击穿，发电机内部会发生短路[1]。本控制系统根据专家经验和试验结果确定基本恒定温度th在55℃～80℃之间。在此区间会分段按实时输出功率设置th控制值，PLC利用采集的温度参数和机组出力的参数进行运算比较最终决定th的值和控制电机的方式。

水轮发电机冷却风机变频控制系统主要由温度传感器、PLC、变频器、风道、动力控制线路以及6 台风机等组成。风道的设计主要是尽量降低风阻，风道的风阻会直接影响本系统的冷却效率。只要风道的风阻降到最低，其余的节能任务就交给了电气控制部分。

2 控制原理及系统任务的实现

2.1 控制原理

水轮发电机冷却风机变频控制系统主要由可编程控制器（PLC）担任控制“总指挥”，负责接收数据、分析数据、决定控制方案、输出控制。PLC通过AI模块接收温度传感器输出4～20 mA的模拟信号，采集各个温度参数。通过另一AI模块接机组功率计输出4～20 mA的模拟信号，采集机组出力。通过与变频器的通信控制风机实时频率和获取实时风机的转速。综合各种参数后输出模块DO控制交流接触器调节风机的运行方式[2]。根据水轮发电机开机的特性，PLC设定了一系列顺序逻辑控制流程。机组开机时，检测变频器是否启动，如果变频器未启动则将其启动，全部风机投入，在50 Hz（全功率）运行3小时后，发电机温度趋于稳定。这时PLC 进入一个查表（为专家经验数据表）的程序，表1为机组出力与温度th值对照表。

表1 基本恒定温度th值对照表

表中设有发电机不同出力段对应不同的基本恒定温度th值。若机组温度大于对应的th最大动态允许值时，冷却风机仍然以50 Hz（全功率）运行。当机组温度低于th最小动态允许值时，PLC给变频器发出降频指令；当机组温度高于th最大动态允许值时，PLC 给变频器发出升频指令。降频幅度与升频幅度均由PLC 内部的PID 算法决定，公式如下（公式1）：

说明：f ——冷却风机的实时频率；K——系统的经验系数；T——温度；Δ th——基本恒定温度变化量。

PLC自动控制继续保持50 Hz运行。当发电机温度低于目标范围下限，PLC 控制自动根据温度上升或下降变化调节风机频率增加或减少；当变频器工作在频率设定上限值，发电机温度仍然高于目标范围，PLC 控制所有风机保持50 Hz 运行；当变频器工作在频率设定下限值，发电机温度仍然低于目标范围，PLC 自动将所有风机电机保持在频率下限运行；当变频器在工作状态下，发电机温度稳定在目标范围内，PLC 自动保持输出频率不变。机组停机完成后，保留3 台在频率下限运行，投入加热器，2 小时自动轮换另外3 台风机，以单双号轮换运行，既节能又能保持发电机内部温度，避免发电机受潮。

2.2 运行方式

水轮发电机冷却风机变频控制系统主要有两种运行方式。

（1）全自动PID 控制法，使用可编程控制器内置PID公式算法（以公式1为算法）变频自动调节频率，系统自动完成对多台风机起动、停止、变频的全部操作过程，达到基本恒温控制。

（2）半自动温度——频点控制法，根据专家经验配合PID 控制法得到的数据，设置区间定频控制。即发电机组在相应的功率区间允许在某个温度区间内运行，若超出该区间允许温度变频器会提高现有风机转动频率，每超出该区间最高允许温度5 分钟一次，则风机转动频率向上加5 Hz。反之，每低于该区间最小允许温度20分钟一次，则风机转动频率向下减5 Hz。变化后的频率参照如表2。

在上述的两种控制方式中，不管机组处在何种工况里，只要温度出现突发上升（在较短时间内温度升幅较大）控制系统会启动6 台风机全功率输出冷却，同时发出发电机组温度异常报警。

表2 区间频率对照表

3 小结

本文介绍的水轮发电机冷却风机变频控制系统以“基本恒定温度”为控制目标。提高了风机冷却系统的效率，减少了不必要的能源浪费同时降低了发电机组的老化。

［1］谢云敏.水电站计算机监控技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［2］郑程遥.水电站计算机监控系统设计.安装与调试［M］.北京：中国水利水电出版社，2012.