1PSWT-PLC 型調速器的構成

調速器由微機調節器和機械液壓系統兩大部分組成。微機調節器采用 PLC 控制系統， 完成水輪發電機組的開機、停機、增減負荷、緊急停機等自動調節任務。 機械液壓系統由比例閥、緊急停機和主配壓閥等組成；電液轉換機械由比例伺服閥+數字閥組成，具有自復中能力，能夠在調速器失電的情況下，保證調速器機械液壓系統維持在中位，從而維持接力器開度不變保證機組安全、可靠。

2PSWT-PLC 型調速器的工作方式

2.1 控制方式

調速系統有三種控制模式：遠方自動、現地自動和現地手動（現地手動分為現地電手動和現地純手動），三種控制模式的優先級依次為：現地手動（純手動、電手動）、現地自動和遠方自動。

自動運行、電手動和機械純手動三種控制模式，任意切換方便可靠，有三種控制模式完全無擾動地切換。 當電氣部分發生故障時，可無擾動地切換至純（機）手動狀態。

2.2 調節模式

微機調速器有 3 種主要的調節模式---頻率調節模式、功率調節模式和開度調節模式，其功能及其相互間的轉換都是由微機控制器當前工況自動完成。

頻率調節模式，又稱轉速調節模式，該工況一般用于地區負荷及小電網，采用 PID 的調節規律，導葉開度隨電網頻率改變而自動調整。

開度調節模式， 水輪發電機組并入電網后采用的調節模式，該工況可以用于大電網及定開度運行。

功率調節模式， 水輪發電機組并入電網后采用的調節模式，該工況適用于大電網調節機組輸出有功功率的運行工況。

2.3 調節模式的轉換關系

機組開機進入空載工況運行時，調速器在頻率調節模式下工作；斷路器合，機組并入電網工作時，調速器自動進入功率調節模式工作；機組在并入電網工作的工況下，可以人為地使調速器工作于 3 種調節模式中的任一種模式；調速器工作于功率調節模式時，若檢測出機組功率傳感器有故障，則自動切換至開度調節模式下工作；調速器工作于功率調節或開度調節模式時，若電網頻差偏離額定值過大，且持續一段時間，則調速器自動切換至頻率調節模式工作。

3PWST-PLC 型調速器的特點

3.1 適應式變參數補償 PID 多點偏差增益控制法

PWST-PLC 型 調速器采用了適應式變參數補償 PID 多 點偏差增益控制法，即將機組的轉速和導葉反饋的變化速率用一個函數來描述，作為 PID 的被調節量進行運算，達到超前控制機組轉速的目的。

具有控制結構自適應和參數自適應的調節功能，自動按工況改變運行參數、PID 調節參數及整機放大系數， 使調速系統始終工作在較佳的工況點的特點。

基本原理：根據系統狀態和某些預先確定的超平面之間的關系來改變系統控制結構，當系統（受控對象）狀態穿越系統狀態方向空間的預先設定的切換超平面時，控制系統從一個結構自動轉向另外一個確定的結構，以保證系統狀態變量達到并約束在給定的滑模流形上，并使之自始至終沿著滑模流形滑行至系統狀態空間的平衡點，從而使系統達到某個期望的指標。

根據偏差和偏差變化率來調整輸出的多點偏差增益控制法；r（t）定為系統給定的偏差輸入，c（t）為其輸出響應，則定義偏差 e=r（t）-c（t），偏差變化率為=（ei-ei-1）/t,t 為采樣周期 ,i 和 i-1 分別為本次的采樣和上次的采樣的偏差值， 設±e0為系統允許偏差（誤差限，其中 e0誤差上限，-e0為誤差下限），設±0 為系統允許偏差變化率（其中：0 為誤差上限，-0 為誤差下限，限內為零帶）。

系統的運行特性表征為系統偏差及偏差變化率的大小。 將系統偏差及偏差變化率的大小各自分類為 3 種情況。 這樣的組合變化就有多種情況，每種情況都代表系統的一種工況。 根據工況的不同采用相應的控制策略。 根據這些由偏差、偏差變化率的組合而形成的多種工況采取相應的控制策略。 根據這些由偏差、偏差變化率的組合而形成的多種工況采取相應的控制策略，及時向控制對象進行增益增加或減少，從而達到控制目的和跟蹤性能要求。 而每一時刻僅對應一種控制策略；因此根據偏差和偏差率實時變化所確定的工況，不斷在多種控制策略中切換，直至系統的偏差被控制在預定的范圍內。

多點偏差增益控制法根據被控偏差 e 及其變化率的實際運行狀況抽象成多個工況點，從而給出相應的控制策略進行有效的控制，使之平衡于新的工況下運行。

±為系統允許偏差變化率決于系統精度要求根據具體調節過程決定。 系統動態響應時，K3+影響系統的延遲時間，K2+影響系統的上升時間，K4-影響系統超調，K2-影響系統的振蕩次數，一般在確定了 K2+,K2-,K4-之后，來調節 K4+的值達到減小調整時間的目的。 在 Ki 均滿足運行條件的情況下，K0與系統的穩態誤差有關。 一般情況下，K4+≥K3+≥K2+≥K1+,K4-≥K3-≥K2-≥K1-,K0取較小值使得系統穩態時的振蕩頻率較小。

3.2 控制結構自適應和參數自適應的調節功能

補償 PID:具有控制結構自適應和參數自適應的調節功能，自動按工況改變運行參數、PID 調節參數及整機放大系數，使調速系統始終工作在較佳的工況點。

在空載、負載開度、負載功率、負載轉速運行工況下都有相應的 PID 調節控制參數與之對應，確保優良的控制效果和機組安全穩定地運行。

在空載工況下， 網頻正常且為跟蹤狀態時的頻差為：ΔF =FW - FJ

機組并網運行后，空載無網頻，或在不跟蹤工況下，頻差為：ΔF = FG - FJ

（FW 電網頻率，FJ 機組頻率，FG 為頻率給定值。 ）

通過對頻率差值， 或開度差值或功率差值進行 PID 運算后，得到一個與該差值所對應的開度輸出信號，經過開度限制環節輸出到液壓承運系統來控制導水葉的開度，則導水葉的開度經AD 轉換后與 PID 調節器的輸出信號進行綜合比較，放大輸出，直到調整輸出信號和導水葉開度所對應的信號之差為零。

水輪機調節系統的工作點可以由水頭和接力器行程來確定，工況可以由工況回路來確定。

3.3 防機組飛逸

3.3.1 閉環開機及同期控制

調速器接收到開機令后，或從開機令發出到轉速信號有效這段時間內，轉速給定值跟蹤實際的轉速；當轉速信號有效并且大于 70%, 進入空載轉速 PID 控制， 轉速給定值就以每秒（4%*Fr）（Fr 為 額定轉速）速 率增加 ,同時空載轉速 PID 算 法控制機組實際轉速以相同速率上升；當轉速大于（85%*Fr）時為速率切換點，這時轉速給定值就以每秒（2%*Fr）速率增加，同時空載轉速 PID 算法控制機組實際轉速以相同速率繼續上升；當轉速大于（95%*Fr）時為速率的另一切換點，這時轉速給定值就以每秒（1%*Fr）速率增加，同時空載轉速 PID 算法控制機組實際轉速以相同速率繼續上升； 直到轉速給定值增加到額定值（100% *Fr ~100.5% *Fr）， 如 果 電 網 的 頻 率 在 正 常 范 圍 內（49.5Hz~50.5Hz），調速器自動將電網頻率取代轉速給定值處于跟蹤狀態利于機組同期并網。

調速器的自動開機及同期轉速控制采用按預先設定的最大和最小空載開度組成的開機曲線 PID 分段調節的方式進行自適應閉環開機規律閉環控制，機組的轉速測量信號始終作為開機過程的閉環條件，不需要根據水頭設定嚴格的空載開度和開機開度等值，確保了在任意水頭的情況下有相同的快速開機同期過程。

這種根據機組轉速變化的速率自動改變開機斜率和頂點，自動適應于任何水頭的變化的開機規律方法，能盡量減少開機時間，保證在任何異常情況下不過速，不停機。

3.3.2 空載自動調節

調速器在空載運行工況時，始終將導葉開度控制在參數中設置的最大及最小空載開度值之間。

3.3.3 關鍵信號容錯能力

A、頻率容錯

空載運行狀態時，當調速器檢測到機組頻率故障，則自動將導葉關至最小空載開度，當檢測到系統頻率故障，自動跟蹤頻率給定；負載運行狀態時，機組頻率與系統頻率互為容錯，即當機組頻率故障時，自動取系統頻率作為被調節量；當系統頻率故障時，自動取機組頻率作為被調節量。

當機組頻率與系統頻率均故障時，仍可通過現地或遠方手動控制機組的轉速或有功功率（導葉開度）。

B、行程容錯

通過主接力器上的位移傳感器反饋量，實時自動診斷導葉行程輸入，自動提示故障類別。 導葉行程信號消失后，保證水輪發電機組穩定在當前狀態下運行； 調速器根據機組當前的開度、功率、轉速對導葉傳感器進行故障判斷，確認當前導葉的實際位置。

3.4 自復中能力

機械液壓系統的設計為斷電自復中、事故歸零。 調速器機械液壓系統采用液壓自復中，不需要長期通電的專用復歸電磁閥控制，確保整個調速系統安全、可靠。

3.5 防空載泄水

機組停機時，調速器具有 1%開度左右的“壓緊行程”并且鎖錠裝置自動投入，故在停機備用工況下調速器主配壓閥保持在相對偏關的位置，可有效防止導葉漏水，確保機組保持在停機狀態。

3.6 轉速的測量

轉速的測量分為殘壓測頻和齒盤測頻兩種方式，殘壓測頻為主用，齒盤測頻為備用，殘壓取自發電機機端電壓和系統側電壓，兩種測量精度不低于±0.005%.

齒盤測頻由齒盤、接近開關和微機測頻單元組成，安裝在水輪發電機組大軸上的齒盤與一對電磁式接近開關一起組成了頻率信號產生單元。 由信號整形電路、濾波電路、單片機和機頻信號輸出電路一起構成了頻率信號測量單元。 頻率測量單元將測量出的機組頻率以方波或數字量形式送到微機調速器。 當機組大軸轉動時帶著齒盤一起旋轉，固定在支架上一對電磁式接近開關就產生了兩個信號， 通過單片機將這兩個信號組合、濾波、計算等處理后得一個與機組頻率成正比的值，并將這個值以方波或數字量形式送到微機調速器。

3.7 頻率跟蹤

機組在空載運行時使機組頻率按預先設定的頻差自動跟蹤系統頻率或自動跟蹤頻率給定值（“頻率給定”調整范圍：45~55Hz）。

可自動或人為選擇頻率跟蹤或不跟蹤的狀態，更利于機組與電網同步，調速器根據網頻和孤立電網來自動選擇設置頻率跟蹤或不跟蹤狀態（也可以人為手動設置）。 它能控制機組發電機頻率與電網頻率（或頻率給定）相接近。

西門子可編程控制器作為調節控制的核心，程序執行時間小于 5ms. 空載運行時，將機端電壓與電網電壓之間的相角差參與 PID 運算，實現相位控制，保證相角差在零度附近擺動，便于實現快速自動準同期并網，有效防止由于頻差過小同頻不同相而造成并網時間過長的現象發生。

3.8 大、小網及孤網的判定

負載運行時，根據頻率的變化以及負荷或開度的調整對頻率引起的變化作為判斷大小網的依據， 自動改變運行模式：在開度調節或功率調節模式下，當判斷為小電網或電網故障自動切換到頻率調節模式運行。

當轉速變化率超過頻率失靈區 N 個周期后，自動切入頻率調節模式，并轉至小網運行。 當頻率變化率在頻率失靈區范圍內，一段時間后（可設定）自動切入開度調節或者功率調節模式，并轉至大電網運行。

3.9 防假甩負荷

為防止斷路器誤故障，導致機組發生甩負荷事故，系統判斷甩負荷的條件是必須同時滿足斷路器信號斷開、機組頻率上升和有功功率下降。 否則認為機組仍并網運行。

3.10 離線診斷及調試功能

通過觸摸屏可隨時人為檢查、調整、設置調節參數和運行參數，并且可以用計算機進行程序的檢查、修改和調試。 調速器具有下述離線及調試功能：系統硬件及軟件故障檢查，包括各硬件模塊故障檢查；調節參數檢查及調試；程序檢查及調試；修改和調整程序；檢查、調試和電站計算機的通信及其他接口。

4 結語

全廠三臺機組自投運以來， 僅發生一回在機組備用狀態“開、停機時間螺母”松動導致調速器主配壓閥抽動現象，在重新調整擰緊“開、停機時間螺母”后調速器恢復正常。

綜上所述，通過 PWST-PLC 型調速器的特點，及其樂昌峽水電站全廠三臺機組調速器投運的情況，表明該型調速器總體運行情況良好，為機組的安全穩定運行提供了可靠保證，對其他電站有較好的借鑒作用。