1、水轮机调速器水位调节功能的研究与实践【摘 要】对于库容量少、蓄水能力差的水电站，水库水位在短时间内会有很大变化，如果任凭其剧烈变化，不但影响机组的出力，而且对机组本身造成不良的影响，因此，作为电站最重要的辅机设备，水轮机调速器要做出反应，这就需要实现水位调节模式，以满足机组的安全和稳定的运行。 【关键词】水位调节 控制调速器接力器 中图分类号：C935 文献标识码： A Research and practice of the water level control function in turbine governor TIAN Ya-junZHANG Guo-xunYU Yong-zhe
2、 （Tianjin Design control; governor; servomotor 1.概述 一般情况下，水电站的上下游水位都是比较恒定的，或者变化非常缓慢，不会影响到水电站的运行。但对于某些库容量很少，蓄水能力很差，而上游来水量又变化较大的电站，在运行过程中水位的变化就可能比较迅速和剧烈，比如土耳其 HIMMETLI 电站，在半小时的时间里，水位变化可能达到两米以上，这样就会改变机组的运行水头，影响机组的出力，若不及时迅速地做出相应调整，任凭水位继续变化，可能对机组造成更加不利的影响。因此迫切需要实现水位控制模式，以此实现水电站优化、稳定的运行方式。 2.水位控制的目的和实现方式
3、水位控制模式的具体目的：通过控制水轮发电机组的导叶开度来控制水轮机的流量，令水库水位保持不变，实现电站长期稳定运行。 在具体的实现方式上，若由监控系统来实现，则需要电站经过长时间运行后，积累大量经验运行数据，比如不同水头下，流量与有功功率的对应曲线，再通过监控系统调节有功功率，实现水位控制。 由于实现以上条件需要大量运行数据，实现难度较大，因此考虑在调速器中加入“水位控制模式” ，来进行水位调节。 3.水位调节实现的具体方案 以下是天津电气传动设计研究所有限公司研制生产的 TDBYWT 系列的调速器在水位调节功能的具体方案。 要实现该方案，监控系统方面的工作较为简单，只需从监控系统增加一根硬接
4、线到调速器，向调速器发出水位控制模式投入、退出的命令，然后利用通讯向调速器写入实时水位值和目标水位值。调速器方面，则要通过修改程序及少量接线来实现水位的 PI 调节，具体实现过程如下： 将调速器 PLC 的一个空余接点用接线连接到端子，用来接收监控硬接线发出的水位控制模式投入、退出的命令（与开机、停机等命令共用一个公共端） ，同时，在程序中将此空余接点作为控制水位调节模式投入/退出的标志，实现当监控的硬接点闭合时，水位调节模式投入；当监控的硬接点断开时，水位调节模式退出。同时，监控通过通讯向调速器写入实时水位值和目标水位值，为调节提供依据。 程序设计方面，由于水位调节是在机组并网带上负荷之后才
5、能进行的，因此在调速器并网后的子程序中加入一个分支，将并网指示信号作为进入此分支程序的判断条件。这样，当调速器出于空载态时，由于不执行并网后的子程序，所以无论监控的水位调节命令出于何种状态，水位调节均不投入；只有当断路器信号闭合，调速器出于并网发电状态时，才根据监控系统的信号来判断水位调节模式的投入和退出。 4.水位调节的原理 由于水位的变化相对较慢，因此只需运用比例和积分（PI）调节方式，具体实现原理如下： 当投入水位调节模式后，实际水位值和水位给定值两者相减即可得出实际水位值和水位给定值的差值 L，需要注意的是 L 的符号，在频率调节模式里，若实际频率低于给定频率，则需要增大导叶开度，增加
6、水轮机流量，使频率上升；而在水位调节模式里，若实际水位低于给定水位，则要减小导叶开度，减小水轮机流量才能实现水位的上升，因此要用实际值减去给定值，得出差值 L。 将 L 值送入比例环节和积分环节进行 PI 运算，得出接力器开度的计算值 y1，由于比例和积分参数均为正，因此当 L 为正时，计算值 y1也为正，表示要增大导叶开度，反之亦然。 如果接力器开度的计算值 y1 大于电开限，则最终输出的接力器开度的计算值 y1 等于电开限；为防止由于调节过度，造成开度过小，水轮机进相运行，特别设定了一个可调的开度值下限，当计算值 y1 小于此值时，则令最终输出的接力器开度的计算值 y1 等于此值；当 y1
7、 介于开度值下限和电开限之间时，则 y1 保持不变。 接下来进入实际的调节导叶开度的环节。y1 值与经 A/D 转换后接力器开度的反馈信号值 y 相比较，计算二者之间差值 y，y 通过数字放大后，经 PLC 将脉冲及正反转信号送至步进电机的驱动单元，驱动单元根据脉冲发生器信号，控制步进电机的转动角度和旋转方向。 与步进电机相连的摆杆将步进电机的转角转换成引导阀针塞的上下直线位移，从而控制主配压阀活塞的上下位移，使导叶接力器向开或关的方向运动，改变水轮机的流量。 当实际水位值低于水位给定值时，接力器开度计算值减小，其值与接力器反馈值之差 y 为负值，经数字放大后的数字信号使步进电机转动给定转角，
8、使主配压阀活塞上移，使压力油与接力器关闭腔相连，接力器向关闭向移动，减少水轮机的流量，使实际水位值上升，实际水位值趋近并等于水位给定值，且接力器开度 y 与接力器开度计算值 y1 相等时进入稳定状态。 当实际水位值高于水位给定值时，动作过程与上述相反，控制接力器的开度增大，增加机组的流量，使实际水位值下降，以使实际水位值自动跟踪水位给定值。 5.水位调节功能的实践 由于水位控制对象的变化速率较慢，控制效果无法达到立竿见影，因此水位调节参数应根据实际水位的变化情况选取，下面通过电站的具体实践来说明。 2012 年 7 月，依照业主安排，土耳其 HIMMETLI 电站进行了调速器的水位调节试验，此
9、试验主要考验调速器的水位调节能力。试验过程主要通过调整调速器的水位调节参数，以达到水位调节的的最优效果。具体来说，比例参数在试验过程中被适当调大，这样可以使调速器在水位偏差较大时有一个比较大的动作，加快水位趋近给定值的速度；而积分参数始终控制在一个较小的范围内，因为过大的积分参数会使导叶开度迅速变化，使水轮机的负荷变化剧烈，不利于电站的稳定运行。经过试验，最终确定比例参数为 3.6，积分参数为 0.3。在此参数下，水位调节达到最优的效果，当实际水位与水位给定值出现偏差时，调速器能根据偏差的大小迅速动作，调整导叶开度，并能在偏差持续存在的情况下进行连续的缓慢调节，起到了维持水库水位稳定的作用。
10、6.结论 土耳其 HIMMETLI 电站的水位调节试验是一次较为少见的水电站运行试验，水位调节需要调速器具有良好的 PI 调节性能，通过参数的合理选取，达到水位调节的最优效果，维持水库水位的稳定。它的试验成功为今后中小型电站的水位调节试验积累了宝贵的经验。 参考文献： 1魏守平.水轮机控制工程.武汉：华中科技大学出版社，2005.7 2孔昭年.水轮机控制系统的设计与计算.武汉：长江出版社，2012.9作者简介： 田亚君（1983） ，男，本科，助理工程师，在天津电气传动设计研究所有限公司从事水轮机控制设备的研究与设计。 张国勋（1984） ，男，本科，助理工程师，在天津电气传动设计研究所有限公司从事水轮机控制设备的研究与设计。 于永哲（1983） ，男，硕士，工程师，在宁波电业局从事电力系统继电保护、电力系统自动化控制工作。
