水轮发电机调节系统自适应控制策略

凌胜军

（国投甘肃小三峡发电有限公司，兰州730050）

水轮发电机调节系统是电液调节装置和被控系统组成的闭环控制系统，被控系统是调节装置所控制的对象[1]，包括水轮发电机、引水管道、泄水管道等。电液调节是为实现水轮发电机控制的电气、机械液压、指示仪表等设备，包括控制器、电液转换器、液压放大设备、液压阀组、表计等。水轮发电机调节系统自动控制机组的转速；机组负荷调整，正常开停机，事故停机；满足电网对水电站机组AGC，一次调频等控制要求。

自适应控制策略是指在系统运行、处理和分析过程中，根据外部环境或自身的变化，不断采集控制设备和控制过程的信息，确定被控设备的状态，调整控制方式与控制参数等，使控制与所处理数据信息的特征相适应，取得最佳的控制效果，产生自适应控制策略。水轮机调节系统涉及电网、管道、水头及机组等，有开停机、空载及发电等多种工况的变化，调节系统与水轮发电机控制品质相关，关系到电网的供电质量，电网安全及水轮发电机自身的质量安全，调节系统要识别机组工况的变化，电网的变化，水头的变化及调节系统自身的变化与故障，具备自动适应的控制策略，调节系统的自适应控制策略包括调节模式，频率调节，水头及系统自身。

1 调节模式的自适应控制策略

水轮发电机调节系统的调节模式主要有频率调节、开度调节和功率调节3 种。水轮发电机调节模式转换如图1所示，调节模式的自适应控制策略在这3 种模式之间进行。开度模式的调节目标是导叶开度，功率模式的调节目标是机组的有功功率，开度模式和功率模式都是在机组并网带负荷的情况，开度模式和功率模式可通过把手或LCU 增减继电器的脉冲方式实现，功率模式还可通过与LCU 的通信或硬接线的模拟量方式实现，正常发电并网时调节系统在开度模式或功率模式。频率模式的调节目标是机组的频率，频率模式是调节系统在开机至空载及机组并网带负荷时出现，机组甩负荷后的调节也是频率模式。

图1 水轮发电机调节模式转换图Fig.1 Adjustment schema translation diagram of hydraulic generator

机组出口断路器合上并网后调节系统在开度模式或功率模式，当频率超差距离50 Hz 较大时，调节系统通过自适应将模式切至频率模式；当频率超差距离50 Hz 较小时，又自动切换至开度调节或功率调节模式。当调节系统工作在功率模式，系统检测到功率传感器测量值或变化率超过了系统设置的范围，判断功率传感器故障，将自动切换至开度模式。

频率调节、开度调节及功率调节是水轮发电机调节系统的主要调节模式，调节系统根据机组频率、断路器及传感器等来自动适应调节模式的控制策略，满足水轮发电机调节控制的要求。

2 频率调节的自适应控制策略

频率调节是水轮发电机经常出现的调节模式，机组开机至45 Hz 再到空载状态工作在频率模式，将机组控制在50 Hz，便于尽快的并网，减少同期的时间。并网发电时的频率调节模式是由电网频率偏差引起，除机组在开机空载时的频率调节是正常状态，并网时的频率调节是水轮发电机不稳定的调节模式，当调节系统检测到频率偏差较大时，根据控制策略自动切至频率调节模式，频率调节模式主要是一次调频和孤网。

2.1 一次调频的频率调节模式

一次调频是水轮发电机调节系统的基本功能，机组发电并网运行时，当电网频率偏差超过水轮发电机调节系统的频率设置死区时，调节系统根据静态特性，按照设置的永态转差系数改变水轮发电机导叶和桨叶的开度[2]，从而改变机组的功率，改善电网频率的偏差，调节系统的静态特性是机频相对值与导叶接力器行程相对值之间的关系曲线，对于水轮发电机，其导叶接力器行程相对值与有功功率值基本对应，静态特性也可理解为机频相对值与有功功率值之间的关系曲线。调节系统一次调频死区设定值不大于0.05 Hz，水轮发电机调节系统响应速度快，动作灵敏性高，能够快速的自动适应电网频率偏差，完成一次调频控制，保证电网频率的稳定性。

2.2 孤网的频率调节模式

孤网运行指电网中只有一台机组或本台机组容量在当前电网容量的比重较大[3]，是水轮发电机组与大电网解列或部分线路跳开，机组的出口断路器仍然闭合带少量负荷或厂用电的运行方式，电网频率偏差50 Hz 的量或频率变化速率超过孤网设定值，调节系统自动进入孤网的频率调节模式，孤网是事故情况或暂时性的运行方式。

调节系统的孤网模式应进行模拟和实际的电网试验。孤网控制参数模拟试验，当机组空载运行时，通过短接断路器和频率扰动使调节系统识别并进入孤网运行，按照孤网的经验参数或在模拟情况下频率扰动获得的参数，再进行实际电网的孤网试验，机组在大电网中带不少于25%的额定负荷运行，通过线路侧断路器的操作使调节系统满足孤网条件，试验中记录频率、功率、导叶行程等数据，进一步优化调节系统的孤网参数。水轮发电机调节系统控制策略应自动识别，判断孤网频率偏差和速率偏差，孤网以频率调节为目标，要求在孤网时调节系统能够控制机组稳定运行，频率不能有大幅的波动，孤网运行时频率本身已不稳定，此时调节系统闭锁一次调频，即孤网时一次调频的判断和调节不起作用，避免机组的频繁调节使频率更不稳定或引起电网事故。

3 水头的自适应控制策略

3.1 水头与负载时接力器开度协联关系的自适应

水头与负载时接力器开度的协联关系为水轮发电机的水头特性曲线，表示水轮发电机在转速、接力器开度为常数时，流量、效率、功率与水头的关系，水轮发电机水头关系曲线如图2所示，图2 中（a），（b），（c）分别为流量曲线、效率曲线、功率曲线。横坐标为水头数据；纵坐标分别是流量、效率、功率数据；曲线为导叶接力器开度；Hx为各导叶开度下从相应的空载水头引出点。

流量曲线图2（a），当接力器开度较小时，流量与水头基本为线性；当接力器开度较大时，流量与水头为非线性，流量整体随接力器开度增大而增加，导叶接力器从相应的空载水头引出，空载开度随水头变化不同。效率曲线图2（b），当接力器开度较小时，水轮发电机效率较低；当水头低于最高效率点时，水轮发电机的效率下降的急促；当水头高于最高效率点时，水轮发电机效率变化较平缓[4]。功率曲线图2（c），水头与功率接近直线，功率整体随接力器开度的增加而增加，接力器开度在高于空载水头Hx时引出，即大于空载开度时水轮发电机产生功率。

图2 水轮发电机水头关系曲线Fig.2 Water head relation curve of hydraulic generator

水头与效率、流量及功率相关，机组调节系统的控制策略自动适应水头的变化，控制接力器开度，并在满足功率和流量的情况下，使机组在高效率区间运行，同时，做到电站各机组调节系统整体优化的策略，实现水轮发电机导叶接力器开度随水头综合性能的最大化。

3.2 水头与启动开度限制、空载开度限制及负载开度限制的接力器开度协联关系的自适应

启动开度限制是机组开机时使转速快速提高的接力器最大开度；空载开度限制是机组在接近50 Hz 时，让机组稳定在空载状态下的接力器最大开度；负载开度限制是机组发电并网时接力器的最大开度。启动、空载及负载各开度限制的接力器开度都与水头相关，保护机组不会过速或过负荷并能够快速稳定运行，水头与各开度限制的接力器开度协联关系按照插值运算的自动控制来适应，调节系统输入几条不同的水头数据，这些水头包括水轮发电机设计的所有水头数据或满足计算要求的几条水头数据，不同的水头数据对应不同的接力器开度，机组实际运行的水头是按照插值计算的，系统输入的原始水头数据越多计算出的实际水头越准确。接力器各开度限制值设置时，按照水头高开度限制小，水头低开度限制大的规律。

机组运行中，调节系统根据水头数据调用接力器对应的开度值，机组长期运行后可根据实际情况，调节系统修改水头的协联关系，开度限制更好的适应水头的实际值，按照水头变化、机组工况变化自动适应启动开度限制、空载开度限制及负载开度限制的控制。

4 调节系统自身的自适应控制策略

调节系统自身的自适应控制策略是指与调节系统执行元件、反馈元件及被控系统故障或变化情况下自动适应的控制策略。

4.1 调节系统执行元件

调节系统的执行元件包括主配压阀、电液转换器、接力器。电液转换器作为调节系统的一级液压放大元件，主配压阀和接力器作为调节系统的二级液压放大元件[5]，接力器作用于导叶和桨叶，驱动水轮发电机打开或关闭。

4.1.1 主配压阀故障的自适应控制

主配压阀通过活塞的上下移动，控制压力油的流向和流量，进而控制接力器的方向和速度[6]，是调节系统的核心元件，主配压因操作压力油或阀套磨损等原因，引起阀芯动作不灵活，出现拒动的故障现象，主配拒动的故障信号是安装在主配阀芯开腔侧的行程开关发出的，调节系统正常时主配阀芯与行程开关有一定间隙[7]，当阀芯向开方向动作时触碰行程开关发出主配拒动的故障信号，即正常调节时可能发出主配拒动故障，而主配实际卡阻触碰行程开关也会发出主配拒动信号。因此，主配拒动故障信号结合转速升高和负荷变化来做自适应控制。机组在开机未并网时，出现转速升高与主配拒动故障信号可启动机组紧急停机流程；机组在并网发电状态，出现负荷异常波动（无外部增减信号）与主配拒动可将机组停机再进行检查；机组正常运行时，未出现转速升高或负荷异常波动，对主配拒动的故障信号可不做处理。

主配压阀的可靠性较高，出现主配拒动的故障现象较少，主配拒动对于调节系统和水轮发电机是较大的隐患，而主配拒动的识别较困难，依靠行程开关并不准确并容易造成误判。主配压阀带有反馈传感器，主配压阀依靠伺服比例阀或脉冲阀控制，将主配压阀、伺服比例阀、步进电机、主接力器和脉冲阀各反馈及电气控制信号在调节系统内进行分析、比较、判断，使用程序来识别主配拒动，提高主配拒动判断的准确性、可靠性，更好的控制主配压阀。

4.1.2 电液转换器故障时的自适应控制

电液转换器是完成电气控制与液压控制的转换元件，是调节系统发生故障较多的元件，调节系统通常设计两套电液转换元件，如图3所示，电液转换器采用伺服比例阀，两套并联互为冗余运行，控制油源同时接入两套伺服比例阀，一套为主用输出，另一套为备用不做输出，两套的输出再同时接入伺服比例阀的切换电磁阀，备用的伺服比例阀控制油压在切换电磁阀的截止位，当主用的伺服比例阀故障时，调节系统自动将控制权切为备用的伺服比例阀，同时伺服比例阀的切换电磁阀动作，将备用的控制油压至导通位，原主用的控制油压至截止位，以备用的伺服比例阀实现调节系统的液压控制，依靠冗余实现电液转换器的自适应控制。

图3 冗余伺服比例阀液压控制图Fig.3 Redundancy hydraulic control diagram of proportional servo valve

4.2 反馈元件的自适应控制策略

4.2.1 接力器行程反馈元件

水轮发电机导叶、桨叶接力器的行程反馈，是调节系统动作执行情况的依据，也是控制调节的体现和反应，反馈元件在调节系统的故障中占比较高，为提高反馈信号的可靠性，调节系统采用冗余方式的行程反馈设计，导叶、桨叶分别配置2 个性能参数相同的传感器互为冗余，传感器的输出一致，一个反馈传感器作为主用，另一个作为备用，以主用作为导叶、桨叶行程的判断依据，当控制系统检测到主用传感器故障时，将备用传感器切为主用作为判断输出的依据。

部分调节系统采用一个反馈传感器，当传感器出现断线、越限及跳变等故障时，调节系统根据当前机组的状态来自动适应控制策略；当机组在开机、空载及空转状态时出现接力器反馈故障，调节系统关闭机组或切手动关闭，再检查反馈传感器；当机组在并网发电状态时出现传感器故障，机组可保持当前状态不变，调节系统在自动方式不做输出控制或切至手动方式运行，再进一步检查处理。

4.2.2 频率反馈元件的自适应控制策略

调节系统的机组频率反馈通常采用PT 残压测频与齿盘测频互为冗余，当一路测频信号消失时采用另一路测频[8]，调节系统能根据频率信号的强弱或机组不同状态采用不同的测频反馈，当机组大修的首次开机或长时间停机的机组，PT 残压测频较低达不到采集要求，或机组在低转速时残压测频幅值较低，采集分析不准确，这些情况调节系统使用齿盘测频。在机组启动后及空载、发电状态时残压测频稳定可靠，调节系统使用残压测频。当PT 残压与齿盘均故障时，在开机、空载状态时关闭导叶或至空载位置并切手动，在并网时将网频作为机频信号用于控制调节或切手动控制，再进一步检查处理。满足机组不同状态及测频元件的状态自动适应的控制策略。

4.3 被控系统故障的自适应控制

被控系统包括水轮发电机、引水管道、泄水管道，引水和泄水管道为混凝土浇筑不可改变，被控系统主要是水轮发电机，被控系统故障是水轮发电机的各类事故信号，调节系统应能够识别各类故障情况。机械事故指机组轴承温度过高、低油压、振动、摆动异常等；电气事故指机组差动、过电流、失磁等，出现机械与电气事故时调节系统的紧急停机阀应立刻动作，防止机组转速升高。发生机组过速、手动按钮的紧急事故，除调节系统的紧急停机阀立刻动作外，还应启动事故配压阀、重锤关机或关闭主进水阀。调节系统能够准确自动识别水轮发电机的各类故障，实施准确的控制策略，防止事故和故障的扩大化，减少事故和故障带来的损害。

5 结语

水轮发电机调节系统的自适应控制策略是根据外部与系统自身的变化或故障，通过调节系统的程序自动计算和分析识别，改变调节参数、调节规律及调节方式，改变系统的控制输出，满足频率、水头及元件等不确定性，达到最符合的控制状态。水电站水轮发电机自适应控制策略在孤网的频率控制模式，水头与接力器开度的协联关系方面还可进一步试验、调整及优化，提高调节系统自适应控制策略的可靠性、安全性及稳定性。