基于PCC控制器的调速器控制策略研究与应用

常中原，张官祥，蒋小辉，陈自然，涂　勇

（1.中国长江电力股份有限公司向家坝电厂，四川 宜宾 644612；2.三峡大学科技学院，湖北 宜昌 443000）

0　引言

水轮机调速器是确保水电厂水轮发电机组安全稳定运行的重要辅助控制设备，作为被控机组的功率调节器和工况控制器，其动态特性和静态特性品质的优劣直接关系到整个水轮发电机组的安全与稳定运行，执行网调下达的功率调节指令，配合监控系统完成被控机组的开停机、负荷调整以及紧急停机等工况转换。调速系统配备冗余容错微机调节器，采用主、备运行方式。备用机自动跟踪工作机状态，当工作机有故障时自动无扰动切换到备用机。若上述两套系统同时故障时，自动无扰动切换到电手动控制方式下运行。微机调节器的控制器应能满足水轮机调速器的性能、功能和稳定性要求等指标，PCC控制器运用于水电厂调速器控制系统中，可以提高调速器的动态性能，充分发挥PCC控制器分时多任务处理的优势，使其操作简单，维护方便，功能和性能不断完善。

1　调速器性能特点

某水电厂采用PCC步进式水轮机调速器，是以PCC为核心控制器，步进电机/比例阀为控制对象，与液压随动系统配套组成。调速系统具有良好的可维修性，方便维护、检查、检修与调试，能利用微机对调速器的参数、控制逻辑进行实时监视和在线参数修改，同时控制逻辑完善、功能齐全、动态指标和静态指标均良好。

1.1　系统可靠性高

PCC调速器的电气部分由PCC控制器、电源系统、HMI、测速系统、变送器、继电器、频率测量板、位移传感器以及各功能模块等构成，为增加系统的可靠性，微机调速器采用微机调节器冗余容错系统，具有比常规PLC调速器更高的可靠性。具有电手动和开环机械手动功能，主配压阀具有断电自复中功能。机械液压系统中设有可靠的油过滤装置，液压部件的设计有防振、防卡、防止油粘滞的措施，以保证机械液压部件正常工作。调速器具有通过软件程序或自动化元件监测可判断出电液转换元件故障、主配压阀是否发卡等功能。冗余系统中的每一个通道，即从输入至输出以及电源，均采用相同配置，且为相互完全独立，在运行过程中，随时将其中一个通道退出而不影响调速系统的正常工作，且退出的通道能进行停电检修。微机调速器各部分的电源和导叶接力器位置传感器冗余配置。两套控制器的主接反馈和主配反馈信号各自独立采集，形成位移传感器的冗余设计；采用比例阀与步进电机两种形式的电液控制装置，形成电液转换冗余。调速器采用大量的冗余设计保证了调速器可靠稳定运行，大幅度提高了系统稳定性。

1.2　测频精度高

水轮机调速器采用多路冗余的测频方式，具有高可靠性的特点。一般调速器的测频通道有4路输入，分别为1路残压测频、2路齿盘频率和电网频率测量，频率输出为2路测值量，分别为机组频率和电网频率。其中，机端PT信号与齿盘信号为测量机组频率而设，它们相互冗余。因此测频容错能力较强。3路频率测量通道之间互为检错、纠错以及备用，当频率测量值大于设定阈值时，异常的频率测量值将被判断为错误值而自动丢弃，校正有效频率值，同时报频率故障信息，以便尽快查找故障原因，排除测频故障通道，这样通过多通道测频方式保证了频率测量的高可靠性。

为保证测速准确性，频率选择可根据控制逻辑进行选择，不同的工况选择不同的机组频率。其具体的频率控制逻辑为：当机组处于开机过程或停机过程时，优先选择齿盘测频信号，齿盘测频信号中优先选择齿盘1测频信号，当齿盘1测频信号故障时选择齿盘2测频信号，当齿盘2测频信号同时出现故障时，选择残压测频信号，当3路测频通道都出现故障时机频取0 Hz，并报机频故障。当机组处于空载态或负载态时，频率优先选择残压测频信号，当残压信号故障时选择齿盘测频信号，齿盘测频信号中优先选择齿盘1测频信号，当齿盘1测频信号出现故障时选择齿盘2测频信号，当3路测频通道均出现故障时机频取50 Hz，并报机频故障。当机组处于备用态或开机过程前30 s或停机过程时，将齿盘1信号、齿盘2信号、机频信号和网频信号置零且屏蔽所有频率故障信号。

1.3　电源系统稳定性高

调速系统的电源系统在保障调速器正常运行中起着至关重要、不可或缺的作用。电源系统如果出现了故障而没有被及时发现和解决，一旦发生事故，电气设备便失去了控制功能，因而，保障调速器电源供电系统的正常运行是保障机组安全的基础。

为了保证电源系统的可靠，水电厂调速器采用1路交流AC 220 V和两路直流DC 220 V双路供电方式。调速器系统的控制及信号电源采用DC 24 V供电，调速器电气柜及调速器控制柜内分别装设冗余的带滤波器及抗干扰装置的双电源变换模块，每个冗余电源模块采用交/直流并列供电（AC 220 V、DC220 V），电源模块的输出经过隔离装置后汇接在一起形成直流小母线，分别向微机调速系统、测速探头和转速装置及紧急停机操作系统等提供相互独立的供电回路。柜内装设电源监视继电器，对输入电源、输出电源等进行监视，若任一路开关电源发生故障时，系统中的电源监视故障指示灯会点亮，在任意一路输入电源正常的情况下，能保证调速系统的正常供电。

2　PCC调速器的控制策略研究

水轮机控制系统有功率调节模式、开度调节模式、频率调节模式3种主要的调节模式，而机组有停机备用态、开机过程、空载态、负载态和停机过程等多种运行工况，在不同的工作状态下采用不同的调节规律和自动控制模型，其功能及其相互之间的转换都是依靠PCC控制器调节完成。

2.1　闭环开机规律研究

目前，水电厂调速器的开机过程一般采用比较成熟的两段式开机规律，其具体的工作原理为：

当调速器收到监控系统下发的调速器开机令后，调速器首先将导叶开度开启至第1开度，即比空载开度大6%左右开度，此时机组转速正常上升；当转速上升至90%额定转速时，调速器通过电气开限将导叶开度回关至第2开度，即比空载开度大4%左右开度，并将空载开度赋给开度给定，同时根据PID选择逻辑投入相应的PID参数进行运算，直至机组转速上升至100%额定转速并开始跟踪系统频率，自动开机完成，并转入空载状态。这种方式虽然能够保证在开机过程中快速并稳定地将机组频率达到额定频率，导叶开至空载开度，但不能保证开机过程的整个环节全闭环，自动化水平不高。两段式开机规律波形图如图1所示。

水轮机调速器控制领域中PCC控制器逐渐采用智能化开机控制策略，即全闭环开机规律。调速器在开机过程中，根据水头值和机组特性在触摸屏或程序中设置两个开限，分别为开机开限和空载开限，开机开限能使机组快速启动，空载开限能使机组开机超调量小，并能够快速并网。机组在开机过程和空载态时，PCC控制器根据机组特征与运行工况，能够不间断地、适时选择调节参数，保证机组并网前的稳定运行。目前此方式在巨型水电站中使用较少，未来它将会是调速器控制领域的发展趋势。

图1　两段式开机规律波形图

2.2　无扰动切换控制策略

目前调速器电气部分采用双套控制器冗余控制，A套控制器控制比例阀，B套控制器控制步进电机。当A套主用时，发出切换阀控制令，控制切换阀切换到比例阀所在油路工作，从而实现比例阀控制，当B套主用时，切换阀控制令复归，控制切换阀切换到步进电机所在油路工作，从而实现比例阀控制。当主控制器工作时，从控制器的开度给定和功率给定跟踪机组实际值，从而当机组发生A/B套切换时能保证无扰切换。当某一套控制器主用时，主用控制器优先享有控制权，备用控制器依然进行采样运算但输出结果不参与控制，自动跟踪采集输出，这样实现无扰动主备切换。调速器的自动或电手动与开环机械手动操作方式进行切换、控制模式切换、两套电源切换、调速器冗余系统切换时，均能自动跟踪导叶开度，实现无扰动切换，确保水轮机主接力器的开度变化不超过其全行程的±0.5%。

某水电厂调速器在系统油压为6.28 MPa、当前水头为84.36 m、机组功率为300 MW的条件进行各种状态切换试验和控制模式切换试验，调速器的开度和功率变化满足无扰动切换要求，保持油压装置压力正常，机组频率控制在50 Hz附近，其负载切换试验记录如表1所示。

表1　负载切换试验记录表

2.3　频率自动调节控制策略

频率自动控制是水电厂调速系统中维持有功功率供需平衡的主要措施，其根本目的是保证电力系统的频率稳定。频率偏低，使水轮发电机转速下降，功率降低，造成机械出力下降；频率偏高，使水轮发电机转速上升，增加功率消耗，严重时会导致电网解列崩溃。因此，需对机组频率进行自动调节，维持机组频率在允许范围之内，提高机组运行的经济性。

按照调整范围和调节能力的不同，频率调整可分为一次调频和二次调频。水轮机调速器一般参与电厂的一次调频功能，其频率调节模式分为频率给定和频率跟踪两种。频率自动调节控制策略为：当频率调节模式为频率给定时，调速器以频率给定值为目标值，进行PID运算，从而驱动装置以此输出信号为标准值调节导叶开度，以使机频等于频率给定值，从而实现了频率自动跟踪频给。一般情况下，频率给定值通过软件设置或监控系统转速增减把手进行下发，空载态下频率给定扰动试验波形图如图2和图3所示，通常机组在运行状态下LCU很少对调速器进行频率增减操作。当频率调节模式切换为频率跟踪时，调速器自动以系统频率作为目标值，调速器通过PCC控制程序计算频差从而进行PID运算，在调节导叶过程中机频始终以系统频率为目标，实现机组频率自动跟踪电网频率的功能。调速器控制柜的操作显示面板上可以实现手动设置频率跟踪功能的投入与退出，机组在负载运行态下，控制程序预先设定机组频率的优选控制逻辑，一般情况下机组频率自动跟踪电网频率。

图2　B套主用齿盘测频扰动试验波形图（52～48 Hz）

2.4　功率自动调节控制策略

功率调节模式适用于机组并网运行、受水电站AGC系统控制的工况。机组在负载态下功率实现闭环调节，其控制模式有功率模拟量给定和功率脉冲量给定两种。机组并网后，功率控制模式默认为功率模拟量给定方式，当功率模拟量给定方式出现故障时控制方式切换为功率脉冲量给定。当功率给定方式出现故障时，机组控制模式切除闭环调节，进行半开环调节，同时调速器切至开度模式，跟踪调速器自身的功率采样值。在功率调节模式下，微机调节器的开度给定Yc不参与自动闭环调节，它实时跟踪实际的导叶接力器开度值，使得当由功率调节模式切换至频率调节或开度调节模式时，能实现无扰动切换。

2.5　适应式变参数PID调节控制策略

随着水轮机调节系统的被控制系统的非线性特性和工作状态及对象参数的变化，水轮机调节系统的动态过程及特性也会发生变化，这会导致有时系统可能不满足相关的技术要求。但是,又不可能人为地针对被控制系统的工作状态和技术参数的变化而随时改变水轮机控制系统的动态调节参数。常规的PID控制器是线性的，在用于控制具有多种不确定性、时变性和非线性系统时很难获得满意的控制品质。为了弥补常规PID控制的缺陷，提高系统的性能，可以采用水轮机调节系统的适应式变参数调节模式，水轮机调节系统本身能够随着被控制系统的非线性特性和工作状态及对象参数的变化,自行更换事先拟定好的与之相适应的调节参数组合,实时地对水轮机调速系统中的电液随动系统的PID参数进行在线调整，使PID控制器能根据输入变量和负载的变化作变参数调节，提高系统对时变性和不确定性等因素的处理能力和控制。

水电厂调速器PID调节参数一般分为空载PID参数、功率模式PID参数、开度模式一次调频PID参数和孤网模式PID参数。机组并入大电网运行工况时，按照电网对于一次调频的技术要求，选择PID参数，使其满足规定的动态性能指标。接受AGC系统的功率给定(或开度给定)指令，采用有开环增量△P的功率调节模式。在编程时一定要使△P为水头H和接力器行程Y的函数，即△P对H和Y适应式变参数，否则，在低水头工况整定的△P值将使在高水头下的功率调节出现大的超调和振荡，使得被控机组功率快速而单调地趋近功率给定 (或开度给定)值。

2.6　调速器主控逻辑

根据水轮机微机调速器对水轮发电机组的调节与控制情况，可将调速器的工作状态分为停机备用态、空载态、负载态、调相态等，在上述工作状态之间的转换过程：开机过程、停机过程和甩负荷。工作状态是水轮发电机组可以稳定运行的工况，转换过程实质上是属于水轮机调节系统的动态过程。微机调速器各状态或过程的转换关系如图4所示。

图4　微机调速器故障状态转换关系

3　PCC调速器的现场应用

将上述控制策略和研究结论实际应用于某水电厂，对该PCC水轮机调速器真实数据进行闭环运行和仿真试验。

（1）分段关闭试验。机组在静水中动作紧急停机电磁阀进行分段关闭，如图5所示，曲线1为接力器行程线，曲线2为导叶开度。第1段拐点为56.63%，对应接力器行程61.00%,第1段关闭时间为3.43 s；第2段拐点为5.88%，对应接力器行程为9.77%,第2段关闭时间为10.10 s,第2段关闭至20%开度时间为7.11 s。

图5　调速器接力器分段关闭曲线

（2）甩负荷试验。机组处于大系统状态，甩75%额定负荷波形如图6所示，其中曲线1是频率线，曲线2是导叶开度线。

图6　调速器甩75%额定负荷波形图

（3）过速试验。机组在正常运行期间，人为手动增加转速至电气二级过速动作值，使其水机后备保护的过速保护动作，如图7所示，曲线1为导叶开度线，曲线2为频率线，曲线3为主配位置线。如图所示，导叶从空载开度15.2%～93%时共用时29 s，当转速达到148%时其对应的最大开度为93%，导叶关闭时第1拐点为57%，关闭过程中导叶开度停留在20%开度的时间约为4.4 s。

图7　过速试验波形图

4　结束语

PCC式水轮机调速器的控制策略在技术上有重要创新，具有高可靠性、高技术性能的特点，设计合理，运行和调节控制效果良好，运行稳定可靠，基于适应式参数自调整PID控制策略和全闭环开机规律，实现水力机组工况的最佳调节，其动态特性有了明显改善，提高了调速器的可靠性和安全性，从而有效地保证了水电站机组的长时间稳定安全运行，对提高电力系统的稳定和经济运行有重要意义。

参考文献：

[1]张官祥,孙亚辉,常中原，等.基于MODBUS通讯方式的PCC智能调速系统的研究与应用 [J].水电站机电技术，2012,35(5)：43-45，75.

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[3]沈祖诒.水轮机调节[M].2版.北京：水利电力出版社.

[4]汤正义.水轮机调速器机械检修[M].北京：中国电力出版社.