調速器成組調節在孤網運行中的應用

陳 艷，李學禮，張 輝，張中亞

（天津電氣傳動設計研究所，天津 300180）

前言

巴基斯坦納塔爾水電站位于巴基斯坦北部城市吉爾吉特，電站安裝三臺雙噴嘴沖擊式水輪機組，總裝機容量為3×6MW，主要為吉爾吉特提供工業和居民用電，由于該地區沒有成熟的電網系統，因此該電站為孤網運行模式，且早晚負荷變化較大，居民用電時的電器損壞或大風天氣的線路短路以及大型電機的起停都會引起負荷的劇烈變化，給機組造成較大的沖擊，給電站的調節系統帶來了艱巨的考驗。

1 電站參數

1.1 壓力鋼管參數

電站原設計為從前池分別由三根壓力鋼管引水至三臺機組（一機單管方式），后電站因施工條件原因更改為由一根壓力鋼管引水至廠房附近，然后分三根岔管引入三臺機組（一管三機方式），其引水系統參數見表1。

表1

圖1 壓力鋼管的布置圖

由以上數據可計算出水輪機引水系統的水流慣性時間常數TW為2.116s。

1.2 水輪機組參數

型號：CJA475-W-112/2×11

水頭：412m

流量：1.734m3/s

額定功率：6.25MW

額定轉速：750r/min

發電機GD2：13.5tm2

轉輪GD2：0.2tm2

由以上數據可計算出機組慣性時間常數 Ta為3.378s。

GB/T9652.1-2007《水輪機控制系統技術條件》規定沖擊式調速器的工作條件為：水輪機引水系統的水流慣性時間常數Tw和機組慣性時間常數Ta的比值不大于0.4，而本電站的Tw與Ta的比值為0.626，遠遠超出了標準規定的工作條件。

1.3 調速器參數

調速器采用天津某研究所生產的專用于雙噴嘴沖擊式機組的TDBWCT-2型步進電機PLC微機調速器，其調節方式為并聯PID調節模式。主要參數見表2。

表2

2 問題描述

在電站試運行過程中，我們發現整個系統的穩定性很差，頻率波動非常大，穩定性達不到，甚至在負荷變動較大時，導致系統振蕩機組無法運行，主要存在以下三種現象：

（1）三臺機組同時空載運行時，機組能保持轉速穩定，而當其中任意一臺機組并網發電且所帶負荷超過一定值時，其余兩臺空載機組頻率劇烈抖動且無法達到額定頻率；

（2）隨著負荷增大，機組頻率波動增大；當三臺機組總負荷超過14MW時，3號機組壓力脈動加劇，調速器調節速率加快，導致整個系統頻率擺動加快，最終造成系統崩潰；

（3）當機組突然減少部分負荷時，如機組頻率升高至折向器投入時，將導致頻率變化較快、較大且難于穩定，極端時甚至會使折向器反復投入和退出，導致系統振蕩。

3 原因分析

經過對上述現象的分析，我們認為造成該現象的原因主要有以下幾點：

3.1 機組的水流慣性時間太大

國標 GB/T9652.1-2007《水輪機控制系統技術條件》第3.3條規定“水流慣性時間常數Tw與機組慣性時間常數Ta的比值不大于 0.4”，而本電站的Tw/Ta值可達到0.626，遠遠超出了標準規定的工作條件。在水流慣性時間常數Tw為2.166s不變的情況下，機組轉動慣量（GD2）應不小于 21.46t·m2，而目前機組轉動慣量僅為 13.7t·m2，比要求小 7.76t·m2；

3.2 壓力鋼管布置不合理

由于壓力鋼管的水平段較長且岔管距離較短，導致機組的水流特性隨著噴針開度的增大而急劇變化，其相互之間的水流影響也隨著噴針開度的增加而加劇，而機組轉動慣量的過小將水流影響進一步放大。當2臺或3臺機組并列運行時，若其中任意一臺并網運行且其開度增大到一定范圍，此時如果有負荷較大的波動，調速器對頻率的快速調節就很容易引起壓力鋼管的壓力脈動，而壓力的脈動將進一步影響調速器的調節，從而加劇壓力的脈動，最終導致系統的震蕩。而相比較1號、2號機組岔管，3號機組岔管相對較長，在負荷加大時水流特性相對較差，容易引起壓力脈動，導致系統無法穩定，造成系統崩潰。

3.3 機組轉動慣量過小

當機組突然減少部分負荷，而機組頻率上升至折向器投入點時，折向器投入，水流被迅速切斷，在剩余負荷的作用下，機組頻率下降，由于機組轉動慣量過小，機組頻率迅速下降，導致調速器的快速開啟噴針接力器，當頻率下降至折向器退出點時，折向器退出，此時機組頻率上升，但同樣是由于機組轉動慣量過小，導致機組頻率上升過快，從而引起折向器反復投入和退出，系統進入震蕩。

4 解決方案

針對以上現象，進行了一系列的試驗，以解決由于水流和機組轉動慣量帶來的不利影響。

4.1 靜特性及空載擾動試驗。

（1）靜特性試驗見表3

表3

（2）空載擾動試驗

單機經空載擾動選擇調速器運行參數，機組穩定后的擺動值見表4。

表4

空載時改機組頻率跟蹤網頻為跟蹤頻給，避免了機組頻率跟蹤網頻時引起的壓力共振，從而解決了任意一臺機組并網發電時，其他機組頻率抖動且并網困難的問題。

采用變參數、變調節模式及有功負荷的成組調節等多種方法在一定范圍內改善3臺機組并列運行時的系統振蕩問題。

4.1.1 變參數

由于水流工況惡劣程度隨著負荷加大逐漸加劇，導致機組頻率擺動也不斷加大，空載時的PID參數已不適應運行要求，因此隨著負荷不斷加大，PID參數也需要有所變化，根據機組所帶負荷的大小，我們選擇了三組PID參數，見表5。

表5

其工作方式如下：

當空載及單機負荷在 3MW 以下時采用第二組數據；單機負荷超過3MW時采用第三組數據。

當頻率波動超出49.5Hz～50.5Hz范圍兩分鐘時，無論機組所帶負荷多少，優先采用第一組數據，待頻率穩定后，退出第一組數據，根據負荷大小選擇其他兩組數據。

4.1.2 變調節模式

試驗發現，當系統出現頻率擺動時，只有2號機組退出PID調節，才能夠有效地緩解系統的擺動，因此我們根據頻率的波動狀況來控制2號機組的PID的投入及退出，具體如下：當機組頻率 90s內在49.3Hz～50.7Hz之間擺動次數達到3次時，2號機組調速器PID調節退出，進入開度調節模式；當頻率在120s內一直穩定在 49.32Hz～50.67Hz之間，PID將自動投入，調速器進入頻率調節；考慮到機組的安全運行，當2號機組PID調節退出時，如調速器收到斷路器分閘信號、停機令及頻率達到折向器投入點時，2號機組的PID將自動投入。

4.1.3 成組調節

由于該電站是孤網運行，調速器需要根據負荷的變化隨時調整電網頻率，但如果三臺機組均作為調頻機組，勢必會引起機組負荷的拉鋸，此時調速器負荷的成組調節就顯得格外重要了。但由于電站設備訂貨較早，其監控系統為繼電器型，負荷的成組調節無法通過監控系統與調速器系統相互配合完成，因此負荷的成組調節只能由調速器獨立完成。

在現場運行發現，當負荷達到14MW時，3號機組對負荷的波動反應最劇烈，原因為3號機組岔管比較長，在負荷加大時水流特性相對較差，容易引起壓力脈動，壓力脈動促使調速器調節速率加快，調速器的不斷調節反過來又會加劇壓力脈動，即此時調速器的調節及壓力脈動會互相影響，很快就會引起整個系統的壓力脈動及頻率波動，導致系統無法穩定，造成系統崩潰。

考慮到3號機組的水流特性較差，我們最初的方案是將3號機組作為基荷機組，1號、2號機組作為調頻機組。但在試驗中發現，當負荷加大時，1號、2號機組的正常調節仍然會引起3號機組岔管的壓力脈動，造成系統無法穩定。

根據以上試驗現象分析，3號機組的壓力脈動無法從根本上消除，因此只能想辦法盡量減小壓力脈動對整個系統的不利影響，基于以上分析，我們將3號機組改為調頻機組，1號、2號機組為基荷機組，最終的試驗證明，這種組合下1號、2號機組的壓力脈動被減小了，3號機組壓力脈動帶來的不利影響在整個系統中被最大限度的削弱了，完全可以滿足機組的正常運行要求。

4.2 通過成組控制三臺機組的折向器來減小折向器對系統甩部分負荷的不利影響

由于電站選用的是沖擊式機組，折向器是防止機組飛逸的重要設備，當機組頻率因為突甩負荷頻率升高到某一設定值時折向器投入，切斷水流以降低轉速，當頻率降低到某一設定值時折向器退出，在試驗中發現，當電力系統突然減少一定負荷且折向器投入時，由于機組轉動慣量較小，在機組剩余負荷作用下，頻率將迅速下降。根據現場實測，當折向器投入點為56Hz時，當機組所帶負荷為 5000kW，突然減少至1500kW負荷時，頻率在40us內由57Hz快速下降至49Hz，頻率的快速下降導致調速器調節速率加快，噴針接力器迅速打開，當折向器退出時，頻率又會快速上升，周而復始，機組難以穩定。因此在機組轉動慣量小的缺陷下，折向器的投入及退出點的選擇直接影響到機組的安全、正常運行。

鑒于折向器對機組甩部分負荷時帶來的不利影響，我們從以下兩個方面考慮折向器投入及退出：

（1）盡量減少折向器的投入次數；

（2）控制折向器的投入時間。

當兩臺機組或三臺機組同時運行時，可以通過負荷變動的多少來控制折向器投入的機組個數。以三臺機組同時運行為例：當在突然減少負荷量較小時，通過折向器投入點參數的控制讓1號機組的折向器先投入，如果此時轉速繼續上升，依次讓2號、3號機組的折向器投入，這樣可以最大化地減小折向器投入對機組帶來的不利影響，即使當突然減少負荷量比較大三臺機組折向器均需投入時，因為三臺機組折向器投入退出點設置不同，即投入退出的時間不同，也可以最大程度抵消折向器投入所帶來的不利影響，通過現場試驗及后來的運行觀察，完全可以滿足運行要求，三臺機組投入退出點設置見表6。

表6

5 結語

在采用變參數、變調節模式、調速器有功負荷的成組調節及折向器成組控制等多種處理方法后，我們對調速器進行了甩負荷和突減 25%負荷試驗，其試驗數據如下：

甩負荷試驗：甩100%負荷時，調速器可迅速穩定在空載狀態，甩100%負荷試驗時相關數據見表7。

突減25%負荷試驗見表8。

表7

表8

從試驗結果及將近兩年的運行觀察來看，在這種惡劣的工況下，以上處理方法收到了明顯的成效，調速器調節性能良好，能夠最大程度地削弱電站水工對機組帶來的不利影響，極大的改善了納塔爾電站孤網運行的穩定性。

6 建議

對于孤網運行的沖擊式機組，機組的轉動慣量應根據引水系統參數及機組參數進行詳細計算，以滿足孤網運行時負荷突然增加和突然減少對機組穩定運行的需求，同時也應考慮壓力鋼管的布置以最大程度消除水流對系統的影響。