调速器电气控制系统简介

二、调速器电气控制系统

调速系统正常运行时应处于自动模式。发电启动至并网阶段，调速器处于频率调节模式。机组并网后，调速器运行于功率模式，根据监控系统指令，自动调节机组有功。当出现功率反馈回路故障时，调速器无扰动切换至开度调节模式，不再接受功率调节指令，此时调速系统调节导叶开度稳定在当前值。

（一）调速器电气系统简介

调速器电气控制柜一般由调速器控制单元（即调节器）、转速监测单元、电源供给单元以及人机界面等部分组成。图4-2-6所示是TC1703XL调速器电气部分配置图。

1.调速器控制单元

调速器控制单元（即调节器）由主用CPU、备用CPU、切换CPU、输入输出模块等组成。在正常情况下，主用CPU运行，并输出信号进行调速器系统的调节、控制，备用CPU同样保持运行与控制计算，但没有信号输出。切换CPU主要作为主、备用CPU的相互切换。当主用CPU故障时，自动无干扰地切换到备用CPU运行。输入输出模块主要负责和外围设备如监控等系统的信号联络。

图4-2-6　TC1703XL型调速器电气部分配置图

2.转速监测单元

转速监测单元由测速的CPU模块、测速装置、转速输出继电器等组成。CPU模块用于处理采集的转速信号。当转速监测单元故障时，发出报警信号，锁定在当前值，并闭锁机械刹车投入。测速一般包括齿盘测速和残压测频测速。齿盘测速信号通过转速继电器输出参与机组顺控，残压测频信号来源于机端电压互感器二次侧信号，通过信号隔离器，实现信号隔离、变换功能，即将来自机端电压互感器的正弦波信号与调速器电气柜电气隔离，再变换成同频率的方波信号，直接送至频率测量模块，用于机组转速的控制。

3.电源供给单元

电气柜电源装置采用双重化配置。电源供给单元由外部交流220V和直流110V供给，通过电源模块转换成5V、24V等级电压供调节器的CPU模块、输入输出模块等使用。电源供给单元还设置有电源监视系统，若电源故障，即发报警信号。若两路外部电源同时故障，调速器发紧急故障报警，机组执行停机流程。

4.人机界面

调速器电气柜人机界面用于操作员在现地进行状态监视、参数设置、试验测试等操作，以及故障报警显示。图4-2-7所示是TC1703XL调速器电气柜人机界面图。

（二）调速器电气系统控制功能简介

调速器在机组发电方向启动时以最快的速度把机组转速调节到额定转速。机组并网后，调速器自动切换到开度调节状态。在机组并网状态下，调速器可运行于开度调节模式或功率调节模式，运行人员在现地可通过人机界面选择调节模式，也可在远方通过开关量输入选择调节模式。在功率调节模式下，如果功率信号缺失，调速器将自动切换到开度调节模式。此外，对于抽水蓄能电站，调速器还具备调相运行模式和水泵运行模式等。

1.发电方向启、停

当调速器电气部分正常且处于自动状态时，调速器可以自动开机。在调速器接收到开机脉冲命令时，调速器将把导叶打开到启动开度，当机组频率达到45Hz时调速器投入PID运算，调节机组转速至额定转速。此开机方式能使机组快速而稳定地达到额定转速。水轮机进入空载运行后，通常设定值为电网频率，而在网频故障时，机组频率跟踪频率给定，频率给定的整定值（以相对值的百分数表达）在每次开机命令后被重新设置到100%。天荒坪抽水蓄能电站机组发电方向启动过程的转速和导叶开度变化如图4-2-8所示，机组作拖动机的启动过程功率和导叶开度变化曲线如图4-2-9所示。

图4-2-7　TC1703XL型调速器电气柜人机界面图

图4-2-8　水泵水轮机发电方向启动过程转速和导叶开度变化曲线

图4-2-9　机组作拖动机启动过程功率和导叶开度变化曲线(www.xing528.com)

当调速器接收到停机脉冲命令后，调速器将快速关闭导叶接力器至全关。

2.频率调节

频率调节模式主要运行在机组空载、背靠背拖动或者机组孤网（linecharge）运行状态，按照PID调节规律控制机组转速跟踪电网频率或频率给定值。

3.功率调节

功率调节模式主要运行在机组并网（非孤网）发电状态，其跟踪的是功率设定值，它追求的是机组功率的稳定。当调速器进入功率调节模式后，功率设定值作为被跟踪量，调速器根据实际功率与设定值的偏差进行PI运算，并根据计算结果开启或关闭导叶。此时，调速器接受负荷增减指令，或接受负荷设定值。

4.开度调节

开度调节模式主要运行在机组并网（非孤网）发电状态，其跟踪的是调速器导叶开度给定值，它追求的是导叶开度的稳定，而不考虑外界因素（如水头、功率）的变化。开度调节模式将比功率调节模式更稳定及可靠，避免了功率信号故障时调速器的误动作以及在同一水道其他机组开机，加减负荷时，本台机组功率由于水头的变化而变化，导致导叶开度波动的情况。但开度调节模式承担一次调频的调节效果却不如功率调节模式。

5.孤网运行

当机组在并网状态下由于外部电网频率发生变化超过调速器程序内部设置的范围（该范围可在触摸屏上修改）时，调速器即进入孤网运行方式，此时的调节方式以频率作为判断依据，不再接受外部的功率或者开度信号。调速器进入孤网运行方式有两种情况：

（1）由于外部频率的变化使调速器自动切换到孤网运行方式。此方式在程序中进行一定的延时，以防止外部频率的干扰或者瞬间变化导致越限而进入孤网模式。

（2）调速器通过监控系统给出的命令人为地切换到孤网运行方式。此种方式适合于负荷不稳定的小网。

以上两种方式都需要外部命令才能对孤网运行状态进行复归，但是当外部频率处于越限状态时，外部命令是不能对孤网状态进行复归的。不论调速器处于何种运行状态，都有反馈信号送给监控系统。

6.一次调频

调速器在开度调节模式及功率调节模式下均可参与一次调频，但其调节的效果却有差别。

当机组频率（电网频率）超过人工失灵区设定值范围（50.05～49.95Hz）时，调速器一次调频功能被激活。设机频为50.10Hz，此时超过频率死区0.05Hz（即0.1%），若调节系统的调差率e_p设为4%，此时调节后的功率应在原功率基础上减少0.1%/4%，即减少2.5%额定功率，对于300MW机组而言，应减少7.5MW的有功。而对于开度模式而言，对于同样的频率变化，由于调速器的永态转差系数b_p值为4%，此时应减少的导叶开度为2.5%，其对应的功率变化却不是2.5%额定功率（比该值少），故其一次调频的效果比功率调节模式差。

7.调相工况

对于水泵水轮发电电动机组，调相工况可分为水轮机方向调相和水泵方向调相。此时，机组并在电网中，转轮处于压水状态，导水叶处于全关，有关的水环排水液压阀、蜗壳排气液压阀打开。调速器在发电或水泵工况时，若收到调相模式指令，调速器将复归原有调节模式（开度调节模式、功率调节模式、转速调节模式或水泵模式），进入调相模式。此时调速器导叶开度设定值将变为零。在调相模式转发电或抽水工况时，调速器收到调相解除指令后，先处于停机模式（仍关导叶至零），待接收到调速器启动指令后，导叶开启，调速器进入发电或抽水工况。

8.水泵工况

机组在水泵工况启动过程中，待机组的溅水功率保护动作，导叶首先开至程序设置的启动开度1，经一定延时，待水道内的水流平衡一些之后，再开至二级水头协联开度2，再经一定的延时，待机组的引水系统水力振荡逐渐减弱之后，导叶开至优化开度3。优化开度3由调速器的调节器根据水头和频率实时计算。抽水工况停机时，调速器接到停机指令后将导叶开度设定值设为零，导叶关至零开度。图4-2-10所示是机组泵工况启动过程中吸收的功率及导叶开度变化曲线。

9.甩负荷过渡过程

在抽水蓄能电站中甩负荷是一种常见的现象。水轮发电机组发生甩负荷后，巨大的剩余能量使机组转速上升很快，调速器迅速关闭导叶，并经过一段时间的调整，重新稳定在空载工况下运行。在甩负荷过程中，除了调节保证计算所关心的最大转速上升值和最大水击压力上升值外，还要对甩负荷动态过程的品质指标的优劣进行考核。图4-2-11所示是机组甩负荷过渡过程有关参量的变化曲线。

图4-2-10　机组泵工况启动过程中吸收的功率及导叶开度变化曲线

图4-2-11　机组甩负荷过渡过程有关参量变化曲线