特大型水輪機調(diào)速器技術(shù)方案武漢三聯(lián)

特大型水輪機調(diào)速器技術(shù)方案武漢三聯(lián)第一頁，共21頁。特大型水輪機調(diào)速器

技術(shù)方案

第一部分：總體結(jié)構(gòu)第二部分：特色控制1、三段等加速度開機2、增強PID3、本機測頻算法4、一次調(diào)頻5、功率調(diào)節(jié)第三部分：油壓裝置第二頁，共21頁。第一部分：總體結(jié)構(gòu)調(diào)速器由電氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和機械液壓系統(tǒng)兩大部分組成。電氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)以德國西門子（Siemens）S7-400系列PLC為控制核心構(gòu)成，采用雙機冗余結(jié)構(gòu)，主要采集水輪發(fā)電機組的運行數(shù)據(jù)、接收來自機組控制系統(tǒng)的命令，并對各數(shù)據(jù)和命令進行分析和運算，產(chǎn)生控制信號控制機械液壓系統(tǒng)，完成對水輪發(fā)電機組的開機、停機、緊急停機、增減負荷、頻率調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)等操作。機械部分主要包括兩套互為熱備用的比例伺服閥、冗余結(jié)構(gòu)的電液轉(zhuǎn)換機構(gòu)、機械手動操作機構(gòu)、自動復中裝置、主配壓閥、緊急停機電磁閥等組成無明管、無杠桿、靜態(tài)無油耗、切換無擾動、直連結(jié)構(gòu)型的機械液壓隨動系統(tǒng)。。可編程控制器、HMI顯示屏、空開指示燈等采用德國西門子公司產(chǎn)品。伺服比例閥、緊急停機電磁閥和液控換向閥采用德國REXROH公司產(chǎn)品。第三頁，共21頁。電氣部分電氣控制柜配備含觸摸屏的面板的柜門，以便進行參數(shù)調(diào)節(jié)和設備維護電纜和管道入口布置在控制柜的底部。儀表和控制設備布置在控制柜的前面板上，以便監(jiān)控和操作。調(diào)速器控制柜可以容納調(diào)速器的所有電氣部件，包括連接外部系統(tǒng)的端子或接口設備。調(diào)速器控制柜尺寸：800×600×2260mm調(diào)速器的機械液壓部分布置在油壓裝置回油箱上。第四頁，共21頁?？刂破饕?guī)格S7-400PLC是基于PROFINETCPU的帶有全新性能特征的新一代硬件，具有更高的運算及通訊速度。

1.3.1CPU技術(shù)特點◆設計：S7-400采用模塊化結(jié)構(gòu)設計。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合以用于擴展。◆擴展：如果用戶的自動化任務需要多個中央控制器時，可對S7-400進行擴展，最多21個擴展機架:第五頁，共21頁。人機界面采用10.4“TFT真彩高清液晶觸措屏用為人機界面，人機界面除了常規(guī)的顯示操作外，還具有參數(shù)設置、故障分析、事件記錄、在線試驗、在線幫助等輔助功能。該HMI含有對發(fā)電機組控制和調(diào)節(jié)的重要參數(shù)特征，具備動態(tài)圖表報警顯示過程可變趨勢變更設定值及控制狀態(tài)顯示

HMI訪問安全性第六頁，共21頁。機械部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機械部分由比例伺服閥＋比例伺服閥＋機械手動組成機械冗余結(jié)構(gòu)。比例伺服閥為電液轉(zhuǎn)換元件，將電氣信號變成接力器行程，當比例伺服閥轉(zhuǎn)換器1作為主用時，比例伺服閥轉(zhuǎn)換器2作為備用，若電氣控制部分檢測到作為主用的電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)出現(xiàn)卡阻拒動時，電氣部分將自動切換到另一路電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)

第七頁，共21頁。閥套與閥芯的熱處理方法時，都采用高硬度，即硬對硬組合，靜止件閥套內(nèi)孔硬度為HRC58-62；運動件閥芯外圓硬度為HRC60-64。由于閥套與閥芯的滑動配合面采用硬對硬組合，在配合面為小間隙高硬度情況下，雜質(zhì)無法進入配合間隙，即使小雜質(zhì)進入，也會逐步被碾碎,不會嵌入配合表面。第八頁，共21頁。第九頁，共21頁。比例伺服閥具有以下主要特點：

(1)精度高、動態(tài)響應好

(2)驅(qū)動功率大

（3）結(jié)構(gòu)合理第十頁，共21頁。主配位置傳感器采用德國BOSCH產(chǎn)的差動變壓器型的位置傳感器，此傳感器精度高，輸出信號無漂移，是非接觸的無磨損壽命元件第十一頁，共21頁。三段等加速度開機方式調(diào)速器的自動開機同期轉(zhuǎn)速控制采用按預先設定的開機曲線和分段PID調(diào)節(jié)的方式進行閉環(huán)控制，不需要根據(jù)水頭設定嚴格的空載開度和開機啟動開度等值，在任意水頭的情況下有相同的快速開機同期過程。有多種加速度速率可調(diào)的閉環(huán)自動開機過程

發(fā)出開機令之前，或從開機令發(fā)出到轉(zhuǎn)速信號有效這段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速給定值均跟蹤實際的轉(zhuǎn)速；一旦轉(zhuǎn)速信號有效，就由空載轉(zhuǎn)速PID算法控制。一進入空載轉(zhuǎn)速PID控制，轉(zhuǎn)速給定值就以速率1（2Hz～3Hz）增加，同時空載轉(zhuǎn)速PID算法控制機組實際轉(zhuǎn)速以相同速率上升；到速率2切換點（42.5Hz），轉(zhuǎn)速給定值就以速率2（1Hz)增加，同時空載轉(zhuǎn)速PID算法控制機組實際轉(zhuǎn)速以相同速率繼續(xù)上升；到速率3切換點（47.5Hz)，轉(zhuǎn)速給定值就以速率3（0.5Hz)增加，同時空載轉(zhuǎn)速PID算法控制機組實際轉(zhuǎn)速以相同速率繼續(xù)上升；直到轉(zhuǎn)速給定值增加到50.25Hz，自動開機過程就完成。但這種開機方式對齒盤測頻的精度要求很高，因為整個過程它都要監(jiān)視頻率，并根據(jù)實測頻率改變開機速度，而殘壓測頻在低轉(zhuǎn)速下經(jīng)常測得不準或根本測不到，這時測頻主要就是齒盤測頻方式。若齒盤頻率也不穩(wěn)，即長時間內(nèi)測的頻率偏低，會使開度開的很大，實際頻率升得過快，過高。就會導致開機過程波動很大

第十二頁，共21頁。增強PID算法

上式中i<10,當輸入偏差變化比較快時，比例和微分作用正常投入調(diào)節(jié)控制，隨著調(diào)節(jié)的進行，輸入偏差的變化比較緩慢時，在相鄰的兩個采樣周期下被調(diào)節(jié)量的偏差之差在數(shù)值上幾乎等于零，此時比例和微分幾乎不參入調(diào)節(jié)了，而僅靠積分環(huán)節(jié)來調(diào)節(jié)就降低了動態(tài)性能。第十三頁，共21頁。增強PID算法

增強PID算法的精髓主要是在PID上增加了連續(xù)調(diào)節(jié)的PD環(huán)節(jié)。將連續(xù)十個周期采樣的被調(diào)節(jié)偏差放入一個數(shù)組，得到十個被控制偏差值⊿F，即⊿F(K),⊿F(K-1),⊿F(K-2)…⊿F(K-9)。在數(shù)組中同時記錄了偏差的正負標志和偏差的周期數(shù)，當檢測到當前偏差值與上周期偏差值相等時，選擇數(shù)組中與當前偏差符號相同的最大偏差值（數(shù)組中的最大偏差值被限制在某一范圍之內(nèi)），并根據(jù)最大偏差的周期數(shù)相應改變微分時間常數(shù)T1v和偏差的測量周期進行PD調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)完成后在數(shù)組剔除此偏差值。這樣就避免了在被調(diào)節(jié)量偏離目標值，但偏差變化緩慢時，比例和微分通道幾乎不起作用的現(xiàn)象。第十四頁，共21頁。調(diào)速器頻率（轉(zhuǎn)速）測量

頻率測量方式為PT殘壓＋齒盤冗余式調(diào)速器具有3路頻率測量回路，每路測頻范圍0.5Hz—120.000Hz，測頻采用的時基125ns，測頻精度達到0.0003125Hz

PT測頻由機組電壓互感器PT送來的機頻經(jīng)調(diào)速器測頻回路隔離、限幅、整形后的方波信號送到調(diào)速器高速輸入端，根據(jù)PLC或者PCC本機測頻原理進行PT頻率測量齒盤測頻雙電磁式接近開關(guān)方式：為提高齒盤精度，齒盤測速設計為雙電磁式接近開關(guān)，用于消除由于大軸擺度和震動、以及齒盤加工精度的誤差造成測頻信號的精度下降。雙傳感器信號經(jīng)過整形隔離后，同時送到調(diào)速器供測頻使用。兩個傳感器經(jīng)過齒盤同一個邊的時間差，只與齒盤旋轉(zhuǎn)的線速度有關(guān)，而與齒盤的加工精度、擺動、振動無關(guān)，齒盤測頻通過測量兩個傳感器的上升沿的時間，計算出頻率，提高了齒盤測頻的精度。互為備用單電磁式接近開關(guān)方式：如果雙接近開關(guān)方式工作時其中一個接近開關(guān)故障它自動切換到單接近開關(guān)齒盤測頻方式。單接近開關(guān)方式我們在調(diào)速器內(nèi)部采用了對單接近開關(guān)所測量的機組轉(zhuǎn)速用一個拋物線函數(shù)進行描述，將函數(shù)帶入調(diào)速器PID運算效果良好。第十五頁，共21頁。調(diào)速器內(nèi)部計算值的高精度算法

為了方便觸摸屏編程，一般調(diào)速器內(nèi)部計算值的算法為：50HZ對應頻率計算值10000的算法，相當于測頻精度為0.005Hz。50HZ對頻率計算值50000的算法；相當于測頻精度為：0.001Hz；一般算法中，當頻差變化0.005Hz時，頻差計算值有1個數(shù)值的變化，才能對控制輸出產(chǎn)生改變，在頻差變化小于0.005Hz時，機內(nèi)計算值沒有變化，故不會引起控制輸出的改變。而采用高精度算法后，頻差改變0.001Hz時，PID計算值就會產(chǎn)生相應的改變。由此可以得出在高精度的算法中，被控機組頻率或電網(wǎng)頻率的微小變化（如0.001Hz），通過調(diào)速器PID運算便能使輸出值產(chǎn)生相應的變化。提高了控制精度和頻率小偏差變化的調(diào)節(jié)能力。更有利于改善動態(tài)的調(diào)節(jié)品質(zhì)和負載一次調(diào)頻和小網(wǎng)運行能力。第十六頁，共21頁。一次調(diào)頻一次調(diào)頻和二次調(diào)頻的基本概念

一次調(diào)頻就是由發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)的自身頻率/功率特性對電網(wǎng)的控制，它主要是由發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)調(diào)節(jié)規(guī)律來實現(xiàn)的；二次調(diào)頻就是由發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)以外的設備向機組調(diào)速系統(tǒng)下達相應機組的目標功率值，從而產(chǎn)生電網(wǎng)范圍內(nèi)的功率/頻率控制。它主要是由電網(wǎng)自動發(fā)電控制系統(tǒng)AGC來實現(xiàn)的。

發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻靜態(tài)特性機組原始工況：靜特性曲線1(Pc1)上A點：機組目標功率Pc1；機組實際功率P1；機組頻率f1；調(diào)速系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)ep（速度變動率）。電網(wǎng)發(fā)生功率缺額，折算到機組的功率缺額：P3－P1；1）.一次調(diào)頻作用：電網(wǎng)功率缺額，引起電網(wǎng)頻率降低，如果不進行調(diào)節(jié)，發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)則按靜特性曲線1（Pc1），頻率應降至f3，各機組根據(jù)頻率偏差進行一次調(diào)頻，使機組增發(fā)了功率ΔPf=P2－P1，電網(wǎng)頻率為B點f2。雖然該機組與電網(wǎng)上其它機組一起進行了一次調(diào)頻，但電網(wǎng)頻率為f2，不可能恢復到擾動前的f1。2).二次調(diào)頻作用：若電網(wǎng)二次調(diào)頻將該機組的目標功率由Pc1修正為Pc2，則機組調(diào)速系統(tǒng)靜特性由特性曲線1（Pc1）變?yōu)樘匦郧€2（Pc2）。最后的調(diào)節(jié)結(jié)果為特性曲線2（Pc2）上C點：調(diào)速系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)（速度變動率）ep、機組目標功率Pc2、機組實際功率P3、機組頻率f1；電網(wǎng)的功率缺額得以補償，系統(tǒng)頻率也恢復到擾動前的數(shù)值f1。電網(wǎng)在負荷擾動后，電網(wǎng)頻率產(chǎn)生偏差，各機組的調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)頻率偏差Δf和功率調(diào)差系數(shù)ep進行一次調(diào)頻，在15″以內(nèi)的時間彌補了系統(tǒng)部分功率差值；在一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上，電網(wǎng)AGC再經(jīng)過二次調(diào)頻重新修正相關(guān)機組的目標功率值。因此，調(diào)速系統(tǒng)通過兩個信號輸入端：頻率（轉(zhuǎn)速）輸入端(一次調(diào)頻)和機組目標功率輸入端（二次調(diào)頻）對電網(wǎng)的頻率進行的調(diào)節(jié)，最終達到電網(wǎng)功率平衡和頻率恢復規(guī)定的范圍之內(nèi)第十七頁，共21頁。水電機組調(diào)速器的一次調(diào)頻功能的實現(xiàn)在調(diào)速器程序中設定了一次調(diào)頻專用的調(diào)差系數(shù)（速度變動率）、頻率人工失靈區(qū)（頻率死區(qū)）和PID參數(shù)，并且具有一次調(diào)頻投入后調(diào)節(jié)范圍的限制功能，能有效的抑制一次調(diào)頻過程中機組有功功率的變化幅度，轉(zhuǎn)速死區(qū)設定和PID參數(shù)的選擇能確定當電網(wǎng)頻率波動機組由正常發(fā)電運行工況轉(zhuǎn)換為一次調(diào)頻工況運行的響應時間及調(diào)節(jié)能力。調(diào)速器中仍能保留了頻率調(diào)節(jié)模式和頻率調(diào)節(jié)模式所對應的有關(guān)參數(shù)，不影響負載小電網(wǎng)和孤立電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)能力。一次調(diào)頻的投入、切除可以在調(diào)速器觸摸屏上密碼人為操作設定。并且，當電網(wǎng)頻率波動機組由正常功率或開度模式轉(zhuǎn)換為一次調(diào)頻工況時，調(diào)速器輸出無源接點信號到機組現(xiàn)地控制系統(tǒng)LCU。

第十八頁，共21頁。油壓裝置系統(tǒng)說明概述油壓裝置是向水輪機調(diào)速系統(tǒng)、機組自動化系統(tǒng)及元件提供安全、可靠和穩(wěn)定的工作油液的液壓能源裝置，是整個調(diào)速系統(tǒng)的有機組成部分，其安全性、可靠性與調(diào)速器同等重要。因此其系統(tǒng)設計、結(jié)構(gòu)設計以及元件的選用，都應特別重視。第十九頁，共21頁。油壓裝置系統(tǒng)設計

采用已有成熟使用經(jīng)驗的插裝閥技術(shù)，將液壓插裝與集成技術(shù)應用到油壓裝置中，采用兩只二通插裝閥加控制蓋板分