水電機組調節系統考慮黑啟動及孤網運行控制策略

沈春和，唐戢群，高曉光，任衛衛

(1.貴州電力試驗研究院，貴陽 550002；2.貴州創星電力科學研究院有限責任公司，貴陽 550002)

水電機組調節系統考慮黑啟動及孤網運行控制策略

沈春和1，唐戢群1，高曉光1，任衛衛2

(1.貴州電力試驗研究院，貴陽 550002；2.貴州創星電力科學研究院有限責任公司，貴陽 550002)

對電廠側調節系統黑啟動及孤網運行的控制策略進行詳細研究有著重大的意義，以確保電網事故時，發揮作用，在最大可能情況下起到抑制電網全黑的發生，即使解裂為孤網，也能夠迅速恢復負荷。針對試驗過程中和黑啟動、孤網運行中可能出現一系列問題結合現場實際進行了分析研究，提出了水電機組調節系統考慮黑啟動及孤網運行控制策略，從調節系統的運行方式、運行模式、運行參數、頻率控制等方面進行詳細分析及論述，為減少事故損失，合理配置黑啟動中的控制，快速恢復系統供電，提供一些理論及實踐依據。

水電機組；黑啟動；孤網運行；調節系統；控制策略

0 前言

黑啟動是指電力系統大面積停電后，在無外界電源支持的情況下，由具備自啟動能力機組啟動并恢復系統的供電。孤網 [孤立] [孤島]運行是指電網中只有一臺或本臺機組容量占當前電網容量比重相當大的運行方式[1]。

水力發電廠 (包括抽水蓄能電廠)的水輪發電機組是黑啟動的首選電源。水電機組一般具有自啟動能力，結構簡單，輔機少，廠用電少，啟動快，無功吸收能力強，是理想的黑啟動電源，所以區域電力系統往往選擇水電機組作為黑啟動電源，但電網黑啟動及孤網運行過程中的網架結構薄弱，頻率、電壓都處于極不穩定的快速變化過程中，穩定性存在著很大的復雜性和不確定性[2]。水電廠的黑啟動及孤網運行作為特殊情況下的特殊運行方式，要滿足一定的條件。如果事先沒有一套行之有效的黑啟動預案、操作程序及控制策略，很難在短時間內恢復發電。

目前，國內外很多電網及研究機構都開展了黑啟動及恢復的試驗和仿真研究[3-13]，為進一步深入探討積累了豐富的經驗。從相關的研究論文來看，多是針對電網側黑啟動策略的研究，以及電廠側黑啟動帶廠用電，尚缺乏電廠側孤網運行策略的深入研究，尚未發現有相關文章對黑啟動及孤網運行調節系統的控制策略進行詳細的報道。且各調節系統生產廠家的孤網模式設置各不相同，很多運行中的調節系統中沒有孤網模式或即使有孤網模式，也尚不能實際運行。水電廠一般以帶廠用電為目的，即開機空載帶廠用電，加之孤網模式在大網常規運行中，很少用到，很少有條件進行實際孤網試驗及調試，致使對孤網運行模式重視不夠，目前對電廠側調節系統孤網運行的管理及研究尚處于薄弱環節，必須加以研究，值得重視，對電網的安全穩定有著重要的意義。所以有必要對孤網運行模式的控制策略進行詳細的研究，以確保電網事故時，能夠發揮作用。在最大可能情況下起到抑制電網全黑的發生，即使解裂為孤網，也能夠迅速恢復負荷。本文以東風和烏江渡電廠帶線路黑啟動試驗及貴州電網公司黑啟動及孤網運行穩定性研究與優化研究項目為基礎，針對試驗過程中和黑啟動孤網運行中可能出現的頻率擾動、并網控制等問題結合現場實際進行了分析研究，提出了水電機組調節系統考慮黑啟動及孤網運行控制策略，為減少事故損失、合理配置黑啟動中的控制，快速恢復系統供電，提供一些理論及實踐依據。

1 調節系統運行方式

考慮黑啟動及孤網運行的機組應具備手動和自動兩種運行方式，在開機和帶負荷調節過程中，兩種方式可以無擾動切換，且調節曲線連續、光滑。機組黑啟動時具體采用何種方式主要是看運行人員的要求以及黑啟動時電廠的實際情況。如果計算機監控系統或自動回路失靈時可用手動方式開機，優勢是可靠，缺點是步驟較為繁瑣，速度慢。自動方式開機機組升速控制穩定，操作簡單。由于黑啟動或孤網運行時，與機組正常開機及運行時環境有所不同，如黑啟動時，沒有網頻等。為滿足黑啟動要求，調速系統可以從監控系統接收一個 “孤網運行”命令，此時監控系統和調速系統等可以安裝預先設定好的黑啟動開機條件進行開機，以保證機組能夠在特殊條件下，順利自動開機。例如：某電廠黑啟動試驗中，由于LCU設置問題，在沒有網頻的情況下，LCU自動閉鎖，不能自動開機，只能手動，延長了黑啟動時間，此種情況應在在LCU設備檢修期間增加考慮機組黑啟動的特殊情況，以提高黑啟動速度。

在孤網運行時，在電網負荷出現大幅波動的情況下，很有可能導致機組的出力、頻率及導水機構產生小幅快速振蕩的情況，如機組導水機構不能快速擺脫振蕩，就會面臨低油壓緊急停機事故的發生。此時應立即將調速系統切為手動運行，通過人工調節負荷，消除振蕩，對電網的快速恢復至關重要。2008年年初由于冰災引起貴州電網多次出現大面積停電事故，大花水水電站孤網運行，帶福泉、貴定、麻江、甕安等縣市生活用電時，曾多次出現振蕩問題，通過切手動運行，人工調節負荷，消除振蕩后投入自動[14]，保證了電網的迅速恢復。

2 調節系統運行模式

水輪機調節系統應能對空載運行頻率調節模式、并網運行開度調節模式、功率調節模式、孤立運行頻率調節模式以及一次調頻模式分別設置相應的調節參數，調節模式切換時調節參數能自動切換。要求具備孤網運行能力的機組要具備完整的空載頻率模式，一次調頻模式、開度模式及孤網頻率模式。

水輪機調節系統應具有孤網自動識別能力，帶孤立負荷能穩定運行。當機組與大電網解列或部分線路跳開 (但發電機出口斷路器依然閉合)或帶孤立負荷運行時，水輪機調節系統應能自行判斷并切至孤立運行模式。即當頻差超過設置門檻值時應自動切入孤網頻率模式。電網出現問題后，往往是先由大網解裂為小網，此時如調節系統能夠自動識別孤網，將會有效抑制電網的癱瘓，快速恢復供電范圍，對減少電網事故的擴大及迅速恢復電網的供電有著極其重要的意義。

門檻值的設置要根據當地可能會出現的孤網負荷情況及其機組的特點進行設置，關于門檻值的設置，目前沒有統一的規定，水電廠一般設置為0.2 Hz至0.5 Hz。在GB/15945—2008電能質量.電力系統頻率偏差中規定：電力系統正常運行條件下，頻率偏差限值為±0.2 Hz，當系統容量較小時，偏差限值可以放寬到±0.5 Hz。根據DL/ T1040—2007電網運行準則要求，汽輪機應在48.5 Hz～50.5 Hz范圍內能夠連續運行，所以在± 0.5 Hz內帶動汽輪發電機組啟動并網是沒有問題的。另外根據IEEE446—1995〈工業和商業用的應急和備用電力系統〉和BS EN50160：1999《公共配電系統的電壓特性》，0.5 Hz是許多最終用戶設備頻率波動的最大容限[15]。所以，在系統容量較小的孤網運行模式下，門檻值設置為0.5 Hz以下是能夠基本能夠滿足要求的，但一般不宜大于0.5 Hz，極端情況下除外。另外，門檻值應能在人機界面上直接設定或更改，以便于黑啟動或孤網運行時根據實際情況及調度命令靈活調整。

水輪機調節系統孤立運行模式的投入和退出，應允許人工切換，其狀態宜在人機界面上有明顯標識。

水輪發電機組在并入大網運行中，一次調頻基本處于投入狀態，但由于一次調頻的調節參數一般較快，所以，水輪機調節系統在孤立調節過程中應閉鎖一次調頻控制參數，以避免頻率調節過程不穩定或出現垮網事故。閉鎖后，孤網運行狀態下，為開度模式和孤網頻率模式，此時一次調頻運行要通過運行人員手動方可投入。

3 孤網運行參數

3.1 孤網運行參數的特點

孤網頻率的穩定性與水輪機調速器參數關系密切。由于空載時水流不穩定造成壓力脈動、功率擺動等現象，故我國一般將空載作為穩定性最不利的工況，然而，實際上水輪機還存在一種更為惡劣的工況，即單機帶負荷或并入小電網的情況。因為無負荷時，機組的機械慣性時間和自調節系統完全取決于機組本身；而當機組帶負荷孤網運行，負荷容量較小，又有較大比例的純電阻性負荷時，負荷的自調節系數較小，引水系統水流慣性時間常數較大，水錘效應影響大，因而調速器速度與機組慣性、水流慣性不同步，就會導致系統穩定性很差。需要針對孤網的實際情況，整定適合孤網運行的調速器參數，以保證系統的穩定運行[16]。

3.2 孤網運行參數的基本要求

孤立運行模式下，水輪機調節系統宜采用PID調節，PID調節參數、人工頻率/轉速死區、永態轉差系數等參數應結合電網實際情況通過試驗優化選擇，且投入微分參數，微分對大波動的作用不大，但是對系統的穩定將起到較大作用。

水輪機調節系統應能保證機組在單機帶負荷、孤立運行工況下的穩定運行，不出現大范圍的波動，頻率變化衰減度 (與起始偏差符號相同的第二個轉速偏差峰值與起始偏差峰值之比)應不大于25%。

3.3 孤網運行參數的初步整定方法

孤網帶負荷是水輪機調節系統最惡劣的工況，特別是對于水錘效應較大的引水系統。此時為了保證調節系統的穩定性，需要整定穩定性較大的調速器參數。針對這種外送通道故障而形成水電機組帶地區負荷的情況，國內專家根據仿真及水電站試驗經驗，推薦值如下[16]：

但是以上整定原則都是根據特定的數學模型、特定的水輪機傳遞函數和特定的品質指標提出的參數整定推薦值，因而具有一定的局限性，可以作為初始參數的參考值，也可將空載參數作為孤網運行的初始參數，一般情況下，孤立電網運行工況下調速器的比例增益和積分增益要顯著大于機組空載運行工況[17]，而實際上的運行參數要通過現場試驗來確定。

3.4 孤網運行參數的試驗方法

調速器處于真實發電運行狀態或模擬的孤立運行狀態，調整孤立發電的相關調節參數，通過較大幅度的負荷/頻率擾動，記錄頻率、開度/有功等信號的變化過程，選擇一組穩定性好、頻率變化衰減度小的調節參數，以供孤立調節使用。

也可以進行實際孤立調節試驗，即機組并網運行，帶不少于25%的額定負荷，待負荷穩定后，通過線路開關的操作，使機組突然切入孤網，觀測并記錄頻率、接力器位移/有功等信號在大網轉孤網過程中的變化，及其隨后的孤立運行中的調節過程，驗證調節過程是否正常穩定，并進一步調整、優化調節參數。

在孤網運行過程中，也可以通過突然開啟大功率用電器，如深井泵等，進行負荷擾動，一般負荷量不宜超過發電機組額定容量的5%，調整和優化孤網參數。

3.5 孤網運行中的永態差值系數

永態差值系數是水輪機控制系統和調節系統靜S態特性的重要參數。與頻率永態差值系數bp相類似的是功率永態差值系數ep，在實際孤網運行程序中一般只引入bp概念，對于水輪機微機調速器的頻率調節模式和開度調節模式，其靜態特性是機組頻率與接力器行程之間的特性。實際上bp的大小，決定了機組孤網調頻能力，其值越小，調節速度越快，值為0時為無差調節，大于零時為有差調節。孤網模式下，一般情況下bp值取0%。

4 孤網運行頻率控制

機組在黑啟動和孤網運行過程中，機組處在一個很小的系統運行，機組出力和負荷的微小變化會引起頻率大幅波動。調速器要具備完善的孤網運行模式功能，合適的控制參數，較高的測頻精度，以保證機組調速器具有良好的響應來保證頻率穩定。測頻精度是調速器的調節品質的基礎，一般要求測頻分辨率不大于0.002 Hz。同時也要考慮恢復負荷的能力及速度。通常首先恢復小的直配負荷，而后逐步帶較大的直配負荷和電網負荷。應當按照負荷的重要等級，并考慮電網的穩定及恢復速度有序恢復，每次投入的負荷應控制在機組發電容量的2%～5%。站內有多臺機組時可根據所帶負荷情況將其他機組開啟與黑啟動機組并列運行。當站內有兩臺以上機組并入孤網時，可根據實際情況對調節系統進行分別設置，以防止機組間相互搶負荷出現振蕩，如采取其中一臺手動運行，另一臺自動運行進行頻率調節的方式。多臺機組自動運行時，可采取以下方式避免大的波動，一是設置不同的頻率調節門檻值，二是通過對調節參數進行微調，使得各機組間的頻率調節速率存在差別。必要時，通過手動運行的方式消除大范圍波動。增加負荷的速度必須兼顧考慮加快恢復時間和保證機組頻率穩定。允許接入的最大負荷量，不應使系統頻率較接入前下降0.5 Hz[18]，國外的經驗為每一次增加的負荷不應超過發電容量的5%，以保證運行頻率在合理的允許范圍內，維持有功平衡。

負荷恢復過程中，系統應留有一定的旋轉備用容量，旋轉備用容量一般不低于系統發電負荷的30%，黑啟動的同時可恢復的負荷要根據機組的容量及運行要求，密切配合調度人員和電廠運行人員逐步恢復，不能操之過急。每一步操作都要監控頻率和重要節點電壓水平，否則容易導致黑啟動失敗。

5 結束語

本文針對水電機組調節系統，提出考慮黑啟動及孤網運行的控制策略，從調節系統運行方式、運行參數、運行模式、頻率控制等方面進行了詳細論述，為水電廠黑啟動機組調節系統的設置及快速恢復系統供電，提供了理論依據。

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Research on the Control Strategy of Hydro Turbine Regulating System Considering Black Start and Isolated Operation

SHEN Chunhe1，TANG Jiqun1，GAO Xiaoguang1，REN Weiwei2
(1.Guizhou Electric Power Testing and Research Institute，Guiyang 550002，China；2.Guizhou Chuangxing Electric Power Research Institute Co.，Ltd.，Guiyang 550002，China)

A detailed study of control strategy for power plant side of the regulating system about black start and isolated operation is of great significance，in order to ensure the power grid accident when，play a role，to suppress the occurrence of power grid black at the maximum possible，even split into isolated network，can quickly restore load.In this paper，a series of problems that may arise in the process of test，black start and isolated operation combined with the actual scene is analyzed.put forward the control strategy of hydro turbine regulating system considering black start and isolated operation，are analyzed and expounded from the aspects of operation mode of regulating system，operation model，operation parameter，frequency control，in order to reduce the accident loss，rapid restoration of power supply，provide some theoretical and practical basis.

Hydro turbine and generator units；black start；isolated operation；regulating system；control strategy

TM73

B

1006-7345(2015)05-0057-04

2015-04-14

沈春和 (1982)，男，碩士，工程師，貴州電力試驗研究院，從事水電機組機網協調及調節控制系統調試及研究工作 (email)shenchunhe＠126.com。

唐戢群 (1964)，男，高級工程師，貴州電力試驗研究院，從事水輪發電機組及其調速系統的性能試驗與研究工作 (email)tang.jiqun＠163.com。

高曉光 (1981)，男，碩士，工程師，貴州電力試驗研究院，從事水電機組機網協調及調節控制系統調試及研究工作 (email)3279788＠qq.com。

貴州電網有限責任公司科技項目--黑啟動機組孤網運行穩定性研究與優化 (K-GZ2012-138)。