三峡电站大型水轮机全数字式调速器研究

1、=""""机 电收稿日期:2002-04-07作者简介:田子勤, 男, 长江委设计院机电处, 高级工程师 .文章编号:1006-0081(2002 016-0001-04三峡电站大型水轮机全数字式调速器研究田子勤, 王建华, 杨家胜(长江水利委员会设计院, 湖北 武汉 430010摘要:三峡电站水轮发电机组是世界上最大的水电机组之一, 在电力系统中主要承担调峰、 调频任务。 电站水头变幅大, 运行条件复杂, 调速器液压装置结构模式、 控制策略以及可靠性等直接关系到机组的安 全可靠、 经济运行, 同时对电力系统电网稳定, 提高电能质量也将产生深远的影响。主

2、题词:调速器; 应用研究; 最优设计; 三峡水利枢纽 中图分类号:T K 730. 41文献标识码:A三峡水电站设有左、 右岸两座坝后式厂房, 分别 装设 14台和 12台额定容量 700MW 的混流式水轮 发电机组, 是目前世界上最大的水电机组之一。电站 在汛期低水头段主要承担电力系统的基荷和腰荷, 汛 期亦有调峰任务; 非汛期在高水头段主要承担电力系 统调频、 调峰, 同时为满足下游航运要求, 仍保持一定 数量的基荷。电站水头和负荷变幅大, 运行条件复 杂, 因而, 水轮机调速器 6. 3M P a 液压装置的结构模 式、 控制策略以及油压装置的可靠性, 直接关系到机 组能否安全可靠, 经

3、济运行。近年来, 我国自行开发和研制的调速器在结构、 功能、 性能、 控制策略、 计算机仿真技术等各个方面都 进行了大量研究, 取得了一些实用成果, 与国际先进 水平的差距正在缩小, 但在调速器的总体设计水平, 制造工艺, 可靠性和适应式智能控制等方面与国际先 进水平仍存在一定的差距。为全面掌握水轮机调速 器制造中的关键技术, 使三峡右岸电站水轮机调速器 完全国产化, 我院承担了 “九五” 国家重点科技项目“三峡电站全数字式水轮机调速器研制” 专题研究。 重点研究以下 4个方面的问题:6. 3M P a 液压装置; 结 构模式、 调节规律和控制功能优化; 提高调速器制造 工艺和可靠性措施; 内

4、置式调试和维护系统。通过理论研究、 仿真试验研究、 电站现场试验研究等深入细致的工作, 提出了适应三峡电站具体情况 和运行特点的调速器液压装置, 探讨了基于适应式 P I D 调节规律和智能控制理论的全新模式和控制规律, 提出了具体的工艺改造措施, 提高了调速器制造 工艺水平和可靠性, 同时, 为适应调速器未来技术的 发展, 对智能式调速器的实时仿真与测试维护也进行 了有益的探讨。1调速系统总体要求三峡机组作为目前我国单机容量最大的水轮发 电机组, 在我国水电发展事业上起着举足轻重的作 用。调速系统作为水轮发电机组的关键辅机设备, 应 具有优良的性能, 良好的调节品质, 合理的构造, 优美 的

5、外观, 以保证机组的安全、 可靠、 稳定运行。综合国内外调速器的发展水平和三峡电站运行 特点, 拟定的三峡调速器的总体要求如下:(1 调速器应为最新一代的具有 P I D 调节规律 的全数字式电液调速器, 额定工作油压为 6. 3M P a , 导 叶接力器的全关和全开时间能在 8100s 独立可调, 并能进行两段关闭;(2 调速器除具有速度、 功率、 开停机和紧急停 机、 导叶开度限制、 频率跟踪控制等功能外, 还应根据 三峡机组的运行特点, 具有适应式控制、 在线自诊断 及其处理、 快速同步等功能;1(3 调速器机械液压调节部分采用成熟和先进 的技术;(4微机调速器采用双微机冗余容错系统加

6、独 立电气手动操作系统。能远方控制和现地自动、 电手 动控制, 能与电站计算机监控系统通讯并与其时钟同 步;(5 调速系统具有良好的可维修性, 方便维护、 检查、 检修与调试; (6 调速器的电气部分和机械部分单独设置。 机械液压系统有合适的油过滤装置, 液压部件的设计 应有防震、 防卡、 防止油粘滞的措施。电气系统应设 有过电压、 瞬变电压保护以及屏蔽保护。2全数字式调速器研究2. 16. 3M P a 液压装置调速器液压装置采用 6. 3M P a 压力等级用于导 叶接力器控制, 能够有效地减小控制元件的尺寸, 提 高控制能力和控制效果, 高油压等级的发展已经成为 大型调速系统的发展趋势。

7、但由于压力等级的提高, 给液压装置的系统设计、 参数选择、 结构设计、 元件选 择、 强度设计、 无渗漏和抗油污等提出了新的要求。 为了保证其可靠性, 有必要对调速系统中的机械液压 系统、 压力油源 (包括油泵、 安全阀和管路阀门等 和 储能装置 (压力油罐和压力空气罐 及其控制装置的可靠性进行研究。 图 1液压随动系统图(1机械液压系统。调速器液压随动系统的自 动控制回路采用电液比例技术和液压集成技术。系 统采用流量控制技术, 内环采用位移传感器反馈, 主 反馈引自接力器。调速器液压流量控制和反馈技术 的开发和使用, 实现了全液压手动闭环操作控制, 自 动运行时手动控制系统能够准确地跟踪接力

8、器的位 置, 实现自动到手动的无扰动、 无条件切换。液压随 动系统见图 1。 (2 油压装置。油泵控制阀组的液压集成技术 和插装阀技术, 将油泵控制阀组由传统的分离结构转变为先进的集成阀块结构, 在结构设计上有新的突 破; 新结构和新元件的应用, 使得阀块结构减少了系 统中的泄漏点, 当压力达到 6. 3M P a 或更高后, 仍能实 现无泄漏; 高可靠的压力插装阀及控制盖板, 使油泵 很容易实现空载启动和停止, 有效地保护油泵和电动 机, 同时降低油泵启动时巨大的启动电流对电源的冲 击, 避免影响其他用电设备的正常运行。油泵控制阀 组系统见图 2。图 2油泵控制阀组系统图(3油压装置控制柜。

9、采用可编程逻辑控制器 (P L C 为核心, 以计算机智能化程序控制取代传统的 继电器逻辑控制, 提高了可靠性, 方便了用户的维修 检查; 采用软启动器控制油泵电机, 实现了无触点、 无 噪声的电动机启停操作, 消除了传统交流接触器拉 弧、 火花及噪声; 由于采用 P L C , 控制柜既能接收开关 量信号, 又能方便地接收模拟量信号。 2. 2结构模式、调节规律和控制功能优化研究 目前, 国内外的调速器基本上都采用比较成熟的 P I D 调节规律,能够实现电站实时变参数控制方式, 但对于不同的电站采用的结构模式不同。由于三峡 机组单机容量巨大, 在系统中承担调峰、 调频任务, 负 荷变幅大,

10、 电站具有特定的运行条件、 机组自动化水 平和计算机监控系统的要求, 因而对调速器的软、 硬 件结构模式进行了研究, 优化选择调速器性能指标参 数, 进一步使调节规律和控制功能完善化和智能化, 研制出具有高可靠性、 高性能、 高可维护性指标的调 速器, 以满足三峡电站调速系统的需要。2. 2. 1结构模式的优化调速器总体结构由数字控制器和机械液压系统 两部分组成。在模式确定的情况下, 数字控制器的型 式直接关系到整机的可靠性; 而机械液压系统是实现 调速器的最优控制和提供足够液压操作容量的关键。数字控制器。数字控制器的容错方式主要研究 了全方位的双冗余模式, 不但整体结构采用双冗余,而且在传感

11、器、 模拟和数字 I /O 接口、电源等环节实 2现双冗余。三峡电站调速器微机控制器的结构, 采用 高档可编程控制器或者采用由两个 P L C 构成的二模 系统 +由工控机 (I P C 构成的监测、 诊断、 维护系统的 三机模式在控制功能和要求上都是可行的。数字控 制器的软件结构模式从软件工程和便于升级换代及 性能扩展的要求来综合考虑, 必须采用结构化和模块 化的方法进行设计。机械液压系统结构模式。重点研究内容是电液 转换元件的选择。国内调速器电液控制元件主要包 括伺服电机、 步进电机、 电液比例阀、 数字阀等。由伺 服电机 (直流伺服电机和交流伺服电机 与传动螺杆 作为电液转换元件组成的电

12、机伺服系统, 具有操作力 大, 结构简单, 工作可靠, 抗油污能力强的特点, 但控 制精度稍逊于伺服阀。由电液比例阀作为电液转换 元件的电液伺服系统, 具有结构简单, 成本低, 抗油污 能力较强的特点, 但控制精度不如电液伺服阀驱动的 电液随动系统。数字阀液压伺服系统可直接与计算 机接口, 不需要 D /A 转换器, 与电液伺服系统相比, 具有结构简单, 工艺性好, 重复性好, 抗油污能力强等 优点, 但控制精度稍逊一点。显然, 从动态特性和控 制精度来说, 采用电液伺服阀的电液随动系统较好; 从结构简单、 工作可靠性来说, 采用比例阀的电液比 例伺服系统、 电机伺服系统和数字液压伺服系统都相

13、 差不大; 从可与计算机直接接口来说, 则数字液压伺 服系统较优。2. 2. 2调节规律的优化适应式变参数 P I D 调节规律的优化。其基本思 想就是在动态过程中, 随工况点的变化 (即随着水头 及负荷的变化 采用其相应的最优控制参数。变参数 调节提高了控制系统的稳定性及性能。一方面, 变参 数调节解决了一套或几套固定参数不能适应被控对 象特性的改变, 不能保证全工域里控制的高品质和稳 定性; 另一方面, 变参数调节解决了以往控制系统中, 由于参数切换的不平滑而带来的控制上的扰动, 方便 地实现实时变参数调节。开停机规律的优化。针对开机过程中快速开机 和不过速的要求, 采用模型参考闭环开机规

14、律, 以机 组升速的期望特性作为开机过程中的频率给定, 机组 频率始终跟踪给定的频率曲线, P I D 参与调节, 形成 闭环开机。频率期望特性是与水头无关的, 不同水头 下, 可以采用同样的期望特性。这种开机规律大大改 善了性能, 缩短了开机时间, 既提高了机组应付紧急 事件的机动性, 又获取了更多的经济效益。停机规律 重点研究了二段关闭规律, 以满足水力过渡过程中转速上升和水击压力上升的有关要求。智能控制。调节系统的被控对象是一个高度非 线性、 高度复杂性、 高度不确定性并含有非最小相位 环节的系统。智能控制是解决传统的基于精确模型 的控制理论的新的控制思路和方法, 将人的高超控制 策略和

15、技能设计进调节器中, 使水轮机调速器知识 化、 智能化, 以有效的解决水轮机调节系统的控制问 题。课题重点研究了模糊智能控制、 神经网络控制和 神经模糊控制等多种形式。2. 2. 3控制功能的优化研究三峡电站调速系统的控制功能除了常规调速器 目前所具有的一般控制功能 (即开停机操作控制, 功 能调节控制, 自动调频控制, 事故紧急停机控制 外, 还应当具有比较完善的容错功能 (如网频断线容错, 机频断线容错, 反馈断线容错, 工作电源消失容错, 调 节器各模块故障容错 和优化控制功能 (空载按水头 自整定启动开度以及为减少空载耗水量, 确定最优启 动过程特性; 根据负荷自动修正导叶开度; 根据

16、机组 振动、 汽蚀情况自动变更导叶开度, 保证机组安全运 行 。2. 3提高调速器可靠性措施国产调速器在包括硬、 软件设计的系统可靠性方 面, 多年来进行了卓有成效的研究。在硬件上采取了 冗余、 隔离、 防干扰等措施。在软件上运用了故障诊 断、 容错等技术, 降低了故障率, 提高了故障处理能 力, 缩短了修复时间, 提高了可利用率。但在元器件 质量、 制造工艺、 材料及加工手段、 质量检查等方面与 国外相比, 还存在较大差距。为保证三峡 700MW 机 组用调速器的安全可靠性, 必须对以上不足方面开展 研究, 提出切实可行的措施, 并通过攻关解决国产化 问题。2. 3. 1调节系统故障分析国内

17、液压系统普遍存在着可靠性欠缺, 寿命不 长, 外型不美观等方面的问题。机械液压部件的故 障, 大致包括电液转换器的故障, 引导阀卡涩, 机械零 点飘移, 液压调节柜的抽动和滤油器阻塞等几个方 面。其中, 电液转换器的故障率占总故障率的 40%以上。2. 3. 2提高可靠性措施控制原理的改进。针对电液转换器的故障率在 液压调节柜故障中所占的比重较大这一特殊情况, 从 改进液压调节柜的控制原理入手, 增加一项液压容错 控制功能, 使得新的液压调节柜即使在伺服比例阀出 3田子勤 王建华 杨家胜 三峡电站大型水轮机全数字式调速器研究现故障的情况下, 液压调节柜本身仍能依靠其拥有的 闭环脉宽调节控制方式

18、操作水轮发电机正常发电, 并 且, 此种脉宽调节控制阀为锥式密封结构, 理论上不 会发生阀卡现象, 只是在这种情况下的控制精度略低 于伺服比例阀的控制方式。控制回路的改进。在液压控制回路中, 尽可能多 的采用液压集成技术, 以减少控制回路中的泄漏点, 缩短需要清洗管路的长度, 简化液压调节柜的机械结 构。电气反馈技术。调速器位移测量的可靠性对调 速器的可靠性和运行的稳定性是十分重要的。为提 高位移测量的可靠性, 采用旋转变压器作信号, 建立 新的测量原理, 使调速器在接力器位移测量方面得到 了极大的提高。电液伺服部件自修复技术。液压系统存在的发 卡问题是液压技术广泛应用的一个关键问题。国内 在

19、电气部分和反馈信息等方面成熟地应用了容错控 制技术, 而且在液压系统中 (主要是电液压伺服部件 中 发展了容错控制技术。为了防止液压控制系统发 卡而造成严重的后果, 国外近来提出了 “超前维修” 的 新概念。在研究中分析了国外液压行业在这一方面 的工作和成果, 并结合水轮机调速器实际情况提出新 颖的压力油杂质浓度的诊断方法, 在调速器的液压容 错技术的基础之上发展成为 “自修复技术” 。过滤系统和防污措施。过滤系统采用过滤性能 好、 精度高的材料, 克服以往的过滤精度低, 掉毛、 掉 粉等缺陷, 使用周期长。防油污通常采用装吸油过滤 器, 注入系统的新油过滤, 采用性能可靠的密封件, 安 置磁

20、性去污计, 控制油管路进行酸洗、 钝化, 安装油混 水信号器监测油中的含水量以及定期测试油质等多 种措施。2. 4内置式调试和维护系统为了保证调速器安全、 可靠地运行并具有良好的 调节品质, 在调速器的生产、 安装和检修等各个环节, 都必须十分重视对调速器的调试与系统维护。对调 速器进行测试、 检验, 除出厂试验外, 还必须进行水电 站现场试验, 这是一项耗时费力的工作。同时, 精密 测试仪器在运输途中摔裂、 损坏的事故经常发生。为 了避免精密仪器的装运、 搬动、 损坏, 减少调试与维护 时间, 近年来, 随着微机调速器逐渐成为调速器领域 的主流, 以及微机性能的不断提高, 国外先进的调速 器

21、生产厂家已趋向于将调试与维护功能集成于调速 器自身。内置式调试与维护功能将成为未来微机调 速器的必备功能之一。对三峡电站水轮机调速器内 置式调试和维护系统, 主要进行了以下几方面研究。(1系统优化。内置式调试及维护系统是一种 智能化的软件模块, 同时需要有一定的硬件资源的支 持。由于实现调速器的硬件可能是多种多样的, 因此 所研制的软件模块必须具有很强的模块化、 结构化, 并且是开放的和易于移植的。系统总体配置应考虑 能方便地实现调速器状态检测、 故障诊断和智能维护 功能。(2状态检测, 采用实时仿真、 自动测试等技术。 实时仿真技术。对水轮发电机组控制系统运动 规律的描述采用分布式物理图网建模方法。故障模 型描述调速系统内元件 (或单元 的故障模式及各种 故障模式下元件的特性和状