论文部分内容阅读
摘 要：文章首先介绍水轮机调速器抽动的一般表现，对水轮机调速器抽动原因分析，提出了相应的防止抽动的对策，在提高水轮机调速器自动化运行可靠性的前提下，保障水轮机调速器运行在安定、可控的范围进而达到对水轮机组安全生产的需要。
关键词：水电站；水轮机；调速器；抽动故障；对策
引言
水轮机调速据抽动会严重影响水轮机调速器的功能，失去对水轮机运行速度的调节，给水轮机调速器带来性能和状态的威胁，使水轮机调速器失去对水轮机机组的调整与控制作用。下文主要分析水轮机调速器抽动故障及其消除对策。
1 水轮机调速器抽动的一般表现
水轮机调速器抽动，一般表现在液压系统出现机械性、周期性、往复性抽动，这会引发水轮机调速器主阀和引导阀出现幅度与频率不同的抽动问题，进而影响到水轮机调速器的稳定运行水轮机调速器抽动是安装、改造水电站水轮机机组中常见问题，如果不进行有效控制，整个水轮机调速器将会因机械震动而出现损坏，水轮机调速器的功能将会出现故障，进而不能发挥出水轮机调速器对水轮机机组的调整、限定作用，对整个水电站电力安全生产造成严重影响。
2 抽动原因
水轮机调速器系统结构如图1所示。水轮机调速器主配压阀阀芯位移传感器的作用是采集主配压阀活塞的位移，并将其转换为电气信号，作为调速器内环对控制输入的反馈，以检测主配压阀位置。水轮机调速器主要处在不调节的平衡工况下运行，主配压阀阀芯位移传感器多为导电塑料电阻轨型，其平衡点随着水轮机调速器系统随机抽动，很容易磨损，从而加剧了水轮机调速器系统的不平衡，引起机械液压系统的抽动。
水轮机调速器内比例伺服阀的控制算法为： （1）
式中：V为比例伺服阀驱动器的控制电压，取-10～+10V；K为水轮机调速器整机放大系数，一般取5～30；U为水轮机调速器的比例—积分—微分（PID）计算 值，取0～10V；Y为导叶开度反馈值，取0～10V；k为主配压阀阀芯位移反馈放大系数，一般取1～20；y为主配压阀阀芯位移反馈值（0～10V），内部计算一般以y等于5V左右为主配压阀阀芯在中间位置，y<5V时主配压阀阀芯在关位置，y>5V時主配压阀阀芯在开位置。
由式（1）可知：K和k一定时，当V>0，比例伺服阀驱动调速器开导叶；当V<0，比例伺服阀驱动调速器关导叶；当V=0，调速器在平衡位置，当Y和y跳动时，必将破坏平衡使V波动，从而引起主配压阀阀芯抽动。
在机组正常稳定运行工况下，分析K，U，Y，k，y都应是不变的数，但y是一个固定的工作点，调节完成后主配压阀的阀芯回到中间位置，主配压阀阀芯位移传感器也回到零点设定位置。由于在水轮机调速器上使用的主配压阀阀芯位移传感器是导电塑料电阻轨型，触点长时间在某一点频繁摩擦会造成导电塑料电阻轨磨损而使触点接触不良，从而降低了主配压阀阀芯回到中间平衡位置的精度，使得水轮机调速器调节频繁，引起主配压阀阀芯抽动的恶性循环。
我公司大洑潭水电站2号水轮发电机组调速器为例，该机组装机容量40MW，水轮机调速器控制装置安装在发电机层，到导叶接力器的管路有10m多长，机组在运行时振动较大，导叶反馈与导叶接力器为拉杆式硬连接，导叶反馈因振动导致随机性信号输出，造成主配压阀阀芯抽动，抽动变化值在0.3%～0.8%之间。导叶反馈的抽动引起比例伺服阀控制输出的迅速变化，振动使导叶反馈发生变化，控制系统无法进行收敛控制，比例伺服阀控制输出的迅速变化导致调速器主配压阀阀芯上下抽动。因此，导叶反馈信号波动较大也是引起该水轮机调速器抽动的原因之一。
3 防止抽动的措施
针对该水轮机调速器产生抽动这一问题，经过反复探讨和分析论证，确认水轮机调速器系统的控制部分存在不稳定现象，必须对程序进行改进，完善其性能。同时，在硬件上需要更换导叶反馈，改变安装方式、安装位置，并将主配压阀阀芯位移传感器由原来的导电塑料电阻轨型更换为差动变压器非接触式变送器，以避免其原点磨损。在做了充分准备工作的基础上，对该水轮机调速器采取了如下防止抽动的措施。
3.1 设置压紧行程
在停机备用状态下，设置电气压紧行程，即设置一个较小的负电压给比例伺服阀控制信号，有效地防止在停机备用状态下的主配压阀阀芯抽动。
3.2 对比例伺服阀控制进行滤波处理
在机组空载运行状态下，对主配压阀阀芯位移反馈进行滤波，尽量消除干扰信号，避免调速器抽动；在发电状态下，无增减信号且为非频率调节时，当控制输出和导叶开度差值很小时，将比例伺服阀控制信号清零，以便增加机组的稳定性和延长比例伺服阀的工作寿命；当需要调频、增减负荷或者甩负荷时，水轮机调速器将自动投入驱动控制。
3.3 设置比例伺服阀控制灵敏区和主配压阀阀芯位移死区
在负载、非频率调节、无增/减负荷且为比例伺服阀工作时，当接力器开度差值小于设定值，延时30s后，退出比例伺服阀的控制，用机械零位保持接力器开度不变；在增减负荷或出现甩负荷时，比例伺服阀控制自动投入。
在控制中设置主配压阀死区，剔除主配压阀阀芯机械固有死区的算法。在人机界面上可对主配压阀死区进行设置。
3.4 优化水轮机调速器参数
可以采用延时停止水轮机调速器数字阀输出的方式，这样可以尽量减少或避免水轮机调速器控制系统信号的震荡和变化，进而在保证水轮机调速器调节顺畅的基础上，实现对水轮机调速器抽动的预防在优化水轮机调速器参数后，应该及时在水轮机调速器主阀数组中，别除此偏差值这样就避免了被调节量偏离目标值但要注意，当水轮机调速器参数偏差变化缓慢时，水轮机调速器会产生比例和微分通道会几乎不起作用的现象，这就需要进一步调节水轮机调速器的参数，以便实现水轮机调速器功能的稳定，预防水轮机调速器抽动的发生。 3.5 优化开机过程
对开机到空载过程中的导叶开度突变比较大进行优化，使第1段和第2段的开机顶点分别由原来的A，B点降至M，N点，避免了开机过程中导叶波动范围较大的问题，增加了开机过程的稳定性。
3.6 消除电液转换器死区
因比例伺服阀、数字阀电液转换器实际行程为1mm，通过杠杆放大，主配压阀实际行程在2mm左右，而比例伺服阀、数字阀设计行程为±6mm，存在5mm死区，为消除该死区，进行加垫片处理。
3.7 更换导叶反馈及安装位置
导叶反馈采用直线电位器形式，安装在导叶接力器支座上，因此，开机后导叶反馈振动较大，反馈信号出现波动，使调速器发生抽动现象。通过改变导叶反馈装置形式，并将机械变换装置安装在水轮机层，避免了振动干扰。
3.8 更换主配压阀阀芯位移传感器
由于主配压阀阀芯在实际工作中的行程非常小，约为±6mm，为了提高控制精度，所选择的直线位移传感器有效行程就不能比实际动作行程大太多，而较小行程的直线位移传感器一般都为导电塑料电阻轨型。
根据差动变压器工作原理，该位移传感器套在线圈中的铁芯在管内移动，能实现位移测量。该传感器有效测量范围为±10mm，线性度≤2%，由DC±15V电源供电，并产生DC -10～+10V电压作为输出信号。其特点是测量过程无接触和无磨损，分辨率高而不受限制。
通过更换为该非接触式位移传感器，较好地解决了主配压阀阀芯位移传感器平衡点易磨损的问题。从使用情况来看，完全能够满足水轮机调速器长期运行的要求。
4 处理后的效果
水电机组并网运行的出力控制规律如下：Pg=Ps+Pf（3）
式中：Pg为机组当前有功出力；Ps为电网自动发电控制（AGC）所设定的机组出力目标值；Pf为一次调频偏差出力。
当一次调频功能退出或电网频差小于一次调频频率死区时，Pf=0，此时机组的出力完全等于电网AGC所设定的机组出力目标值，即Pg=Pf。
当机组运行在电网AGC所设定的机组出力目标值后，电网AGC退出，设置的比例伺服阀控制灵敏区开始作用，比例伺服阀控制退出，用机械零位保持接力器开度不变。在此状态下，如果|Pg-Ps|大于机组功率控制设定死区，电网AGC重新投入，会下发给调速器增加或减少导叶开度的信号，此时设置的比例伺服阀控制灵敏区失去作用，则迅速投入比例伺服阀控制并调整机组有功功率；如果电网频率与额定频率的偏差的绝对值大于一次调频的频率（转速）死区，调速系统一次调频根据电网偏离额定值的偏差自动投入运行。
电网AGC本身设置有3%～5%的允许死区，这就决定电网AGC下发给调速器的信号必然不是一直连续的信号，所以调速器在电网AGC没有下发信号期间退出控制，保持当前导叶开度，不影响机组的出力。可编程逻辑控制器（PLC）扫描周期一般为5～10ms，即检测到电网AGC变化并执行最多需要10ms，不会影响整个系统的响应时间。更换高精度的非接触式传感器，并在控制中设置主配压阀死区，剔除主配压阀阀芯机械固有死區的算法，在此环节增加了比例算法，比以往单纯的积分控制更为迅速，控制过程时间更短。增强PID算法的引用以及高精度非接触式传感器的使用，大大增加了调速器的控制精度。
5 结束语
由于水轮机调速器系统是一套自动控制系统，某一个环节出现问题，就有可能使整个调速器系统不稳定应该结合水轮机调速器的系统特点，从水轮机调速器抽动故障的原因出发，形成水轮机调速器性能完善、预防水轮机调速器抽动的措施，在提高水轮机调速器自动化运行可靠性的前提下，保障水轮机调速器运行在安定、可控的范围，进而达到对水轮机组安全生产的需要。
参考文献
[1]魏守平.水轮机调节[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.
[2]梁宏柱，叶鲁卿，孟安波.参数自适应模糊PID控制器及其在水电机组调速器中的应用[J].水电自动化与大坝监测，2003.27（6）：26-29.
[3]魏守平，罗萍.数字式电液调速器的微机调节器[J].水电自动化与大坝监测，2003.27（3）：35-38，48.
关键词：水电站；水轮机；调速器；抽动故障；对策
引言
水轮机调速据抽动会严重影响水轮机调速器的功能，失去对水轮机运行速度的调节，给水轮机调速器带来性能和状态的威胁，使水轮机调速器失去对水轮机机组的调整与控制作用。下文主要分析水轮机调速器抽动故障及其消除对策。
1 水轮机调速器抽动的一般表现
水轮机调速器抽动，一般表现在液压系统出现机械性、周期性、往复性抽动，这会引发水轮机调速器主阀和引导阀出现幅度与频率不同的抽动问题，进而影响到水轮机调速器的稳定运行水轮机调速器抽动是安装、改造水电站水轮机机组中常见问题，如果不进行有效控制，整个水轮机调速器将会因机械震动而出现损坏，水轮机调速器的功能将会出现故障，进而不能发挥出水轮机调速器对水轮机机组的调整、限定作用，对整个水电站电力安全生产造成严重影响。
2 抽动原因
水轮机调速器系统结构如图1所示。水轮机调速器主配压阀阀芯位移传感器的作用是采集主配压阀活塞的位移，并将其转换为电气信号，作为调速器内环对控制输入的反馈，以检测主配压阀位置。水轮机调速器主要处在不调节的平衡工况下运行，主配压阀阀芯位移传感器多为导电塑料电阻轨型，其平衡点随着水轮机调速器系统随机抽动，很容易磨损，从而加剧了水轮机调速器系统的不平衡，引起机械液压系统的抽动。
水轮机调速器内比例伺服阀的控制算法为： （1）
式中：V为比例伺服阀驱动器的控制电压，取-10～+10V；K为水轮机调速器整机放大系数，一般取5～30；U为水轮机调速器的比例—积分—微分（PID）计算 值，取0～10V；Y为导叶开度反馈值，取0～10V；k为主配压阀阀芯位移反馈放大系数，一般取1～20；y为主配压阀阀芯位移反馈值（0～10V），内部计算一般以y等于5V左右为主配压阀阀芯在中间位置，y<5V时主配压阀阀芯在关位置，y>5V時主配压阀阀芯在开位置。
由式（1）可知：K和k一定时，当V>0，比例伺服阀驱动调速器开导叶；当V<0，比例伺服阀驱动调速器关导叶；当V=0，调速器在平衡位置，当Y和y跳动时，必将破坏平衡使V波动，从而引起主配压阀阀芯抽动。
在机组正常稳定运行工况下，分析K，U，Y，k，y都应是不变的数，但y是一个固定的工作点，调节完成后主配压阀的阀芯回到中间位置，主配压阀阀芯位移传感器也回到零点设定位置。由于在水轮机调速器上使用的主配压阀阀芯位移传感器是导电塑料电阻轨型，触点长时间在某一点频繁摩擦会造成导电塑料电阻轨磨损而使触点接触不良，从而降低了主配压阀阀芯回到中间平衡位置的精度，使得水轮机调速器调节频繁，引起主配压阀阀芯抽动的恶性循环。
我公司大洑潭水电站2号水轮发电机组调速器为例，该机组装机容量40MW，水轮机调速器控制装置安装在发电机层，到导叶接力器的管路有10m多长，机组在运行时振动较大，导叶反馈与导叶接力器为拉杆式硬连接，导叶反馈因振动导致随机性信号输出，造成主配压阀阀芯抽动，抽动变化值在0.3%～0.8%之间。导叶反馈的抽动引起比例伺服阀控制输出的迅速变化，振动使导叶反馈发生变化，控制系统无法进行收敛控制，比例伺服阀控制输出的迅速变化导致调速器主配压阀阀芯上下抽动。因此，导叶反馈信号波动较大也是引起该水轮机调速器抽动的原因之一。
3 防止抽动的措施
针对该水轮机调速器产生抽动这一问题，经过反复探讨和分析论证，确认水轮机调速器系统的控制部分存在不稳定现象，必须对程序进行改进，完善其性能。同时，在硬件上需要更换导叶反馈，改变安装方式、安装位置，并将主配压阀阀芯位移传感器由原来的导电塑料电阻轨型更换为差动变压器非接触式变送器，以避免其原点磨损。在做了充分准备工作的基础上，对该水轮机调速器采取了如下防止抽动的措施。
3.1 设置压紧行程
在停机备用状态下，设置电气压紧行程，即设置一个较小的负电压给比例伺服阀控制信号，有效地防止在停机备用状态下的主配压阀阀芯抽动。
3.2 对比例伺服阀控制进行滤波处理
在机组空载运行状态下，对主配压阀阀芯位移反馈进行滤波，尽量消除干扰信号，避免调速器抽动；在发电状态下，无增减信号且为非频率调节时，当控制输出和导叶开度差值很小时，将比例伺服阀控制信号清零，以便增加机组的稳定性和延长比例伺服阀的工作寿命；当需要调频、增减负荷或者甩负荷时，水轮机调速器将自动投入驱动控制。
3.3 设置比例伺服阀控制灵敏区和主配压阀阀芯位移死区
在负载、非频率调节、无增/减负荷且为比例伺服阀工作时，当接力器开度差值小于设定值，延时30s后，退出比例伺服阀的控制，用机械零位保持接力器开度不变；在增减负荷或出现甩负荷时，比例伺服阀控制自动投入。
在控制中设置主配压阀死区，剔除主配压阀阀芯机械固有死区的算法。在人机界面上可对主配压阀死区进行设置。
3.4 优化水轮机调速器参数
可以采用延时停止水轮机调速器数字阀输出的方式，这样可以尽量减少或避免水轮机调速器控制系统信号的震荡和变化，进而在保证水轮机调速器调节顺畅的基础上，实现对水轮机调速器抽动的预防在优化水轮机调速器参数后，应该及时在水轮机调速器主阀数组中，别除此偏差值这样就避免了被调节量偏离目标值但要注意，当水轮机调速器参数偏差变化缓慢时，水轮机调速器会产生比例和微分通道会几乎不起作用的现象，这就需要进一步调节水轮机调速器的参数，以便实现水轮机调速器功能的稳定，预防水轮机调速器抽动的发生。 3.5 优化开机过程
对开机到空载过程中的导叶开度突变比较大进行优化，使第1段和第2段的开机顶点分别由原来的A，B点降至M，N点，避免了开机过程中导叶波动范围较大的问题，增加了开机过程的稳定性。
3.6 消除电液转换器死区
因比例伺服阀、数字阀电液转换器实际行程为1mm，通过杠杆放大，主配压阀实际行程在2mm左右，而比例伺服阀、数字阀设计行程为±6mm，存在5mm死区，为消除该死区，进行加垫片处理。
3.7 更换导叶反馈及安装位置
导叶反馈采用直线电位器形式，安装在导叶接力器支座上，因此，开机后导叶反馈振动较大，反馈信号出现波动，使调速器发生抽动现象。通过改变导叶反馈装置形式，并将机械变换装置安装在水轮机层，避免了振动干扰。
3.8 更换主配压阀阀芯位移传感器
由于主配压阀阀芯在实际工作中的行程非常小，约为±6mm，为了提高控制精度，所选择的直线位移传感器有效行程就不能比实际动作行程大太多，而较小行程的直线位移传感器一般都为导电塑料电阻轨型。
根据差动变压器工作原理，该位移传感器套在线圈中的铁芯在管内移动，能实现位移测量。该传感器有效测量范围为±10mm，线性度≤2%，由DC±15V电源供电，并产生DC -10～+10V电压作为输出信号。其特点是测量过程无接触和无磨损，分辨率高而不受限制。
通过更换为该非接触式位移传感器，较好地解决了主配压阀阀芯位移传感器平衡点易磨损的问题。从使用情况来看，完全能够满足水轮机调速器长期运行的要求。
4 处理后的效果
水电机组并网运行的出力控制规律如下：Pg=Ps+Pf（3）
式中：Pg为机组当前有功出力；Ps为电网自动发电控制（AGC）所设定的机组出力目标值；Pf为一次调频偏差出力。
当一次调频功能退出或电网频差小于一次调频频率死区时，Pf=0，此时机组的出力完全等于电网AGC所设定的机组出力目标值，即Pg=Pf。
当机组运行在电网AGC所设定的机组出力目标值后，电网AGC退出，设置的比例伺服阀控制灵敏区开始作用，比例伺服阀控制退出，用机械零位保持接力器开度不变。在此状态下，如果|Pg-Ps|大于机组功率控制设定死区，电网AGC重新投入，会下发给调速器增加或减少导叶开度的信号，此时设置的比例伺服阀控制灵敏区失去作用，则迅速投入比例伺服阀控制并调整机组有功功率；如果电网频率与额定频率的偏差的绝对值大于一次调频的频率（转速）死区，调速系统一次调频根据电网偏离额定值的偏差自动投入运行。
电网AGC本身设置有3%～5%的允许死区，这就决定电网AGC下发给调速器的信号必然不是一直连续的信号，所以调速器在电网AGC没有下发信号期间退出控制，保持当前导叶开度，不影响机组的出力。可编程逻辑控制器（PLC）扫描周期一般为5～10ms，即检测到电网AGC变化并执行最多需要10ms，不会影响整个系统的响应时间。更换高精度的非接触式传感器，并在控制中设置主配压阀死区，剔除主配压阀阀芯机械固有死區的算法，在此环节增加了比例算法，比以往单纯的积分控制更为迅速，控制过程时间更短。增强PID算法的引用以及高精度非接触式传感器的使用，大大增加了调速器的控制精度。
5 结束语
由于水轮机调速器系统是一套自动控制系统，某一个环节出现问题，就有可能使整个调速器系统不稳定应该结合水轮机调速器的系统特点，从水轮机调速器抽动故障的原因出发，形成水轮机调速器性能完善、预防水轮机调速器抽动的措施，在提高水轮机调速器自动化运行可靠性的前提下，保障水轮机调速器运行在安定、可控的范围，进而达到对水轮机组安全生产的需要。
参考文献
[1]魏守平.水轮机调节[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.
[2]梁宏柱，叶鲁卿，孟安波.参数自适应模糊PID控制器及其在水电机组调速器中的应用[J].水电自动化与大坝监测，2003.27（6）：26-29.
[3]魏守平，罗萍.数字式电液调速器的微机调节器[J].水电自动化与大坝监测，2003.27（3）：35-38，48.