东方电气HGS型微机调速器在金安桥水电厂的应用设计
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[摘要]适应负荷的变动不断地调节水轮发电机组的有功功率输出，维持机组的转速（频率）在规定范围内，这就是水轮机调节的基本任务。水轮机调速器与油压装置是水电站的辅助设备，它承担了水轮机调节的主要任务――维持被控水轮机发电机组的转速（频率）在允许范围内，并与电站二次回路和自动化元件一起，完成水轮发电机组的自动开机、正常停机、紧急停机、增减负荷等操作控制功能。
[关键词]转速；水轮机调节；控制功能
中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）06-0019-02
一、引言
金安桥水电站位于云南省丽江市境内，是金沙江中游河段水电规划“一库八级”开发方案的第五级电站，也是金沙江上第一个筹建、截流、投产的大型水电站。电站总装机容量2407/kW（坝后式厂房内安装4台单机容量607/kW的混流式水轮发电机组），是目前我国由民营企业控股建设的最大规模水电站。工程主要由碾压混凝土重力坝、右岸溢流表孔及消力池、右岸泄洪（冲沙）底孔、左岸冲沙底孔、坝后厂房及开关站等永久建筑物组成。电站多年平均发电量110.43亿kW・h，是国家西电东送的骨干电站之一。
二、调速器的主要配置及控制功能
水轮机调节系统是一个包含有水流、机械、电气运动的复杂的闭环自动调节系统，由调速器电气柜、机械液压随动系统组成。实质就是：根据偏离额定值的转速偏差信号，调节水轮机的导水机构和轮叶机构，维持水轮发电机组功率与负荷功率的平衡。其原理框图如图1所示。
金安桥水电厂调速器控制系统为模块化的硬件结构，易于维护、可靠性高。采用hgs-EAl2型，以PCC控制器为硬件核心，组成冗余双通道控制结构（接力器位置反馈、导叶主阀位置反馈、伺服比例阀输出均采用冗余配置），以彩色液晶触摸屏作为操作显示接口。除控制器系统外，还包括电源系统、频率测量回路、导叶位移测量回路、主阀位移测量回路以及与液压系统相连的接口电路。调速器在接到水轮机开机信号后将以最快的速度把机组调节到额定转速。机组并网后，调速器将自动切换到开度调节/功率模式状态，运行人员可通过触摸屏选择调节模式。功率调节模式下，如果功率信号缺失，调速器将自动切换到开度调节状态。如果处于手动状态，则调速器不再参与调节，而是处于自动跟踪状态，从而允许运行人员将手动切换到自动状态而不出现接力器波动。其原理框图如图2所示。
机组自动开机、停机过程：机组自动开机前，调速器“自动”灯亮，调速器无故障报警输出。监控系统向调速器发出开机令，调速器接到开机令后将导叶以一定速度开启至某一开度，使机组转速快速上升，当机组频率大于5&/o时，则进入开机转速控制模式。当机组转速到达95%后，调速器将进入空载转速控制模式，当电网频率跟踪功能投入且网频正常时将自动跟踪网频，此时接受来自同期装置的频率“给定增加/减少命令”，调整机组频率，以便于并网。当机组并网后，调速器导叶开度将略为向开方向打开一定开度以防止机组发生进相，电气开限将打开至当前水头下的最大允许开度，调速器将自动进入开度控制或功率控制模式。在开度模式下，电气柜处于远方操作时，通过远方指令“给定增加/给定减少”修改导叶开度给定值，从而改变机组出力，当处于现地操作时，则通过电柜触摸屏上增加/减少按钮增减导叶开度至需要开度，以此调节机组功率。在功率模式下，电气柜处于远方操作时，通过远方指令“功率给定增加/减少”修改功率给定值，从而直接修改机组出力，同时，也可通过现地控制盘（监控系统）向调速器下发功率设定值，调速器接到功率设定值后将自动调节机组功率值至设定功率值。当处于现地操作时，则可通过电柜触摸屏上增加/减少按钮增减功率设定值到需要功率输出。调速器在自动状态下接到机组停机令后，导叶将从当前导叶开度开始以一定的速率关至全关位置，同时导叶开限将给定为5%，以保证机组完全关闭，使主阀始终处于关方向，调速器处于停机状态。
三、调速器试验
（一）无水试验
1.静态特性试验
试验目的：检验调速器的转速死区和非线性度
方法一
①置调速器处于空载状态，或负载状态频率调节模式（模拟发电机断路器合），置永态转差系数bp=6%，PID参数取最小值bt=3%、td=3s、tn=Os，频率给定值=50Hz。不跟踪指示灯亮。
②把电气开限L开至全开，增加开度给定将导叶接力器开至50%左右的行程。
③用稳定的频率信号源输入频率信号，升高或降低频率使接力器全开或全关：调整信号值（变化值0.3Hz），使之按一个方向单调升高或降低，在导叶接力器行程每次变化稳定后，记录本次信号频率值及相应的接力器行程值，分别绘制频率升高和降低时的调速器静态特性曲线。两条曲线间的最大间距就是转速死区。
2.手自动切换试验
A.试验目的：检验调节系统在工作方式切换时的响应过程。
B.试验方法：将调速器自的5VXi频信作为模拟机频和网频送入调器的机频网频输入端，将接力器开至任意开度，模拟机组断路器合处于并网负载运行状态。操作调速器手自动切换把手使调速器在手动、电手动和电自动之间相互切换，记录切换前后接力器开度的稳态值并计算出差值所占接力器总行程的百分比。
3.电源切换试验
A.试验目的：检验调速器在工作电源和备用电源切换时的工作情况.
B.试验方法：将调速器自己的5VXi频信作为模拟机频和网频送入调器的机频网频输入端，将接力器开至任意开度，模拟机组断路器合处于并网负载运行状态。切换调速器工作电源：
a、断交流 b、合交流，断直流 c、断交流 d、合交流，合直流
分别记录下电源切换前后接力器行程的的稳态值并计算其差。
c.国家标准：GB/T 9652.1-1997（（水轮机调速器与油压装置技术条件》4.6.10.1电气装置的工作电源和备用电源相互切换时或多微机电调的工作机和备用机相互切换时接力器行程变化相对值不得大于1%。
4.模式切换试验
A.试验目的：检查调速器模式切换稳定性
B.试验方法：将调速器自的5VXl频信作为模拟机频和网频送入调器的机频网频输入端，将接力器开至任意开度，模拟机组断路器合处于并网负载运行状态。操作调速器的模式切换按钮，记录下操作前后接力器行程的稳态值，计算出两次行程之差占额定行程的百分比.
5.故障试验
A.试验目的：检验调速器在各种故障情况下诊断及容错能力。
B.试验方法：将调速器自的5VXl频信作为模拟机频和网频送入调器的机频网频输入端，将接力器开至任意开度，模拟机组断路器合处于并网负载运行状态。分别断开机频信号、接力器反馈信号、功率反馈信号分别模拟机频故障、导叶反馈断线故障和功率反馈断线故障。记录下故障前后接力器行程的稳态值。
c.国家标准：GB/T 9652.卜1997《水轮机调速器与油压装置技术条件》4.6.10.3对于大型电调和重要电站的中型电调，当测速装置输入信号消失时应能保证机组负荷，同时要求不影响机组的正常停机和事故停机。
限于篇幅，有水试验从略。自动方式的空载工况下，选取空载频率扰动试验获得的最优参数作为调速器的空载调节参数。并在该组调节参数下，测定机组在3min内的频率摆动值。手动各种工况下稳定运行。在手动空载工况下（发电机励磁调节器在自动方式下运行）运行时水轮发电机组转速摆动相对值对应于大型调速器不超过±0.2%；GB/T 9652.卜1997《水轮机调速器与油压装置技术条件》4.4.1规定对大型调速器转速摆动相对值不超±0.15%。如果手动空载方式转速摆动相对值大于规定值，其自动空载转速摆动相对值不得大于相应手动空载转速摆动值。