一種適用于抽水蓄能機組的微機調(diào)速器設(shè)計

金玉成 劉國富

(哈爾濱電機廠有限責任公司,黑龍江哈爾濱 150039)

一種適用于抽水蓄能機組的微機調(diào)速器設(shè)計

金玉成 劉國富

(哈爾濱電機廠有限責任公司,黑龍江哈爾濱 150039)

本文介紹了一種適用于抽水蓄能機組控制的微機調(diào)速器設(shè)計,該調(diào)速器采用雙冗余控制結(jié)構(gòu),利用西門子S7-400系列PLC搭建硬件平臺,針對抽水蓄能特殊水力特性和運行工況進行了控制功能的分析處理與編程實現(xiàn)。

抽水蓄能機組 調(diào)速器

水輪機調(diào)速器是由實現(xiàn)水輪機調(diào)節(jié)及相應(yīng)控制的機構(gòu)和指示儀表等組成的一個或幾個裝置的總稱，它是水輪機控制設(shè)備（系統(tǒng)）的主體。[1]目前，隨著核電站建設(shè)與新能源開發(fā)的迅速發(fā)展，我國抽水蓄能電站建設(shè)進入了一個高速發(fā)展的時期，抽水蓄能機組在電力系統(tǒng)中承擔著調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用以及吸收多余電能等任務(wù)，是電網(wǎng)中重要的儲能和調(diào)峰調(diào)頻節(jié)點。抽水蓄能機組過渡過程復雜，控制難度大，對調(diào)速器的總體設(shè)計要求較高，本文介紹了作者參與開發(fā)的一種適用于抽水蓄能機組的微機調(diào)速器。

1 調(diào)速器控制元件構(gòu)成

該微機調(diào)速器采用西門子S7-400系列PLC作為控制器，采用了冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了運行的可靠性。微機調(diào)速器可以實現(xiàn)防錯、容錯功能，并具備死區(qū)和零點漂移的動態(tài)補償功能，采用觸摸式高分辨率彩色觸摸屏作為人機界面利于狀態(tài)監(jiān)測及參數(shù)修改。[2]本設(shè)計方案的控制元件配置如表1所示。

程序設(shè)計中包含的組織塊(OB)、系統(tǒng)功能(SFC)、系統(tǒng)和標準功能塊(SFC)，通過功能塊的編譯和各塊間的功能調(diào)用來構(gòu)建程序。STEP7軟件可選擇多種不同的編程方法(梯形圖、功能塊圖、語句表、標準語言、順序控制、或狀態(tài)圖)，本設(shè)計方案采用功能塊圖(FBD)，通過邏輯框的組合直接表示調(diào)速器控制。

表1 控制元件配置表

圖1 抽水工況轉(zhuǎn)換流程圖

2 調(diào)速器控制方式設(shè)計

調(diào)速器電氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)有三種主要的控制模式即頻率控制模式、功率控制模式和開度控制模式，其相互間的轉(zhuǎn)可由調(diào)節(jié)器根據(jù)當前工況自動完成。

頻率控制模式，又稱轉(zhuǎn)速控制模式，該工況一般用于地區(qū)負荷及小電網(wǎng)或孤網(wǎng)，導葉開度隨電網(wǎng)頻率改變而按永態(tài)差值系數(shù)自動調(diào)整。開度模式是水輪發(fā)電機組并入電網(wǎng)后采用的控制模式，在這種模式下，接力器開度即機組所帶的負荷在某一頻率范圍內(nèi)不隨頻率變化而變化。功率模式也是并網(wǎng)后采用的控制模式適用于大電網(wǎng)調(diào)節(jié)機組輸出有功功率的運行模式，這時取給定功率與實際功率之差進行PI調(diào)節(jié)，達到調(diào)節(jié)實際功率按給定功率輸出的目的。

調(diào)速器采用并聯(lián)型PID調(diào)節(jié)規(guī)律作為調(diào)速器的控制基礎(chǔ)，程序內(nèi)部將判斷電氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制模式自動選取PID參數(shù)，PID公式如下：

3 調(diào)速器工況轉(zhuǎn)換控制

抽水蓄能機組調(diào)速器與常規(guī)調(diào)速器控制的重要區(qū)別在于增加了抽水工況和抽水調(diào)相工況及其他工況間的相互轉(zhuǎn)換。根據(jù)反復論證，我們設(shè)計了一套適合抽水蓄能機組應(yīng)用的工況轉(zhuǎn)換流程。當調(diào)速器收到來自監(jiān)控的抽水開機令，如果機組頻率達到額定，并且發(fā)電機出口斷路器閉合，則先把導葉開到抽水啟動開度。如果機組在抽水工況，在接到抽水調(diào)相命令時，則關(guān)閉導葉，機組進入調(diào)相狀態(tài)，在接到復歸調(diào)相命令時，則打開導葉到抽水協(xié)聯(lián)開度，在抽水工況等待向其他工況轉(zhuǎn)換。在抽水工況接收到快速轉(zhuǎn)換令時，調(diào)速器先把導葉關(guān)閉到較小的設(shè)定開度，然后發(fā)電機出口開關(guān)會跳閘調(diào)速器檢測到機組頻率低于10%額定頻率時，切換為發(fā)電開機，導葉開到啟動開度頻率逐漸變?yōu)?50Hz。圖1為抽水工況轉(zhuǎn)換流程圖。

4 結(jié)語

本調(diào)速器設(shè)計方案完成真機組裝后經(jīng)仿真測試，各項性能指標優(yōu)良，證明采用高性能PLC搭建硬件平臺，通過合理的程序設(shè)計是可以滿足大型抽水蓄能機組的使用要求的，未來將根據(jù)電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)等方面要求進一步完善控制程序的設(shè)計工作。

[1]魏守平.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)過程特性[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2012(1)：30-33+45.

[2]孔昭年.水輪機控制系統(tǒng)的設(shè)計與計算.長江出版社,2012.

國家科技支撐計劃項目：大型抽水蓄能機組控制系統(tǒng)裝置及系統(tǒng)集成技術(shù)研發(fā)(2011BAF03B03)。

金玉成(1983—),男,漢族,籍貫：黑龍江哈爾濱,工程師,現(xiàn)從事水輪機自動化及調(diào)速器系統(tǒng)設(shè)計工作。