水電廠兩臺機組水力干擾過渡過程分析

付亮，鄒桂麗，寇攀高，魏加富

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

水電廠兩臺機組水力干擾過渡過程分析

Analysis on hydraulic interference process of 2 units in hydropower station

付亮，鄒桂麗，寇攀高，魏加富

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

采用數值計算的方法深入分析了某水電廠7，9號機組存在的水力干擾現象，分析了影響水力干擾的各個因素，優化了運行方式，指導了水電廠的安全運行。

水力機械；水力干擾；仿真計算；調速器

某水電廠7，9號機組共引水隧洞，兩臺機組間存在水力聯系，同水力單元的1臺機組甩負荷或大幅度的增減負荷所產生的沿管線壓力變化和流量變化，將引起其他運行機組工作水頭的變化和引用流量的變化，即形成所謂的水力干擾。由于某水電廠9號機組作為防汛備用機組，無論是機組容量、引用流量、壓力鋼管尺寸等均大大小于7號機組，因此當9號機組正常運行時，若7號機組甩負荷或進行大幅度的增減負荷，必然會引起9號機組產生較大的出力波動，帶來的直接后果是機組的超額定出力運行，對機組的運行穩定帶來不利影響。為準確研究兩臺機組存在的水力干擾，特別是7號機組對9號機組的干擾，有必要采用數值仿真的手段，明確水力干擾的產生機理，優化機組的運行方式，保障機組的安全運行。

水力干擾過渡過程介于大波動和小波動過渡過程之間。相比小波動過渡過程，水力干擾引起的壓力及流量的變化要劇烈的多，不能忽略引水系統及水輪機的非線性特征；相比大波動過渡過程，水力干擾研究中關心的是機組的調節品質，因此也不能按照大波動過渡過程的研究方法忽略水輪機調速器的調節作用。

對于水電機組存在的水力干擾現象，國內外學者進行了大量的研究，大多是采用數值計算的方法分析了水力干擾產生的機理和影響因素〔1－4〕，但是其研究成果多集中在水電站的設計階段，所采用的調速器模型均較為簡單，也未對調速器不同的控制模式進行分析，難以指導實際水電機組的運行。

文中采用數值仿真的計算方法分析了某電廠7號機組甩負荷對9號機組帶來的影響，分析了9號機組調速器分別工作在開度模式和功率閉環模式下的水力干擾的調節過程，分析了影響水力干擾過渡過程調節品質的主要影響因素，從減輕7號機組對9號機組的水力干擾角度出發，優化機組的運行方式和控制策略。

1 基本參數

該水電廠7，9號機組引水系統采用 “一洞兩機”的設計，如圖1所示，其中自分岔點至上游水庫引水洞長約110 m洞徑為12.7 m，7號機組至分岔點壓力管道長約220 m直徑為12.4 m，9號機組至分岔點壓力管道長約305 m，直徑為4 m。兩臺機組主要參數如表1所示。

圖1 引水系統布置簡圖

2 仿真模型

2.1 輸水系統數學模型

有壓輸水系統水擊基本方程如式 (1)，(2)所示。

式 (1)和式 (2)是一組擬非線性雙曲型偏微分方程，解此方程組最常用的數值分析方法是將該2個偏微分方程轉換成4個常微分方程進行求解的特征線法〔5〕。

表1 機組主要參數

2.2 水輪機數學模型

由于水輪機特性具有嚴重的非線性，采用模型綜合特性曲線描述，2臺機組水輪機特性曲線如圖2所示。在計算中，將模型綜合特性曲線轉換為單位流量與單位力矩隨單位轉速的變化曲線。

圖2 水輪機綜合特性曲線

2.3 調速器數學模型

一般機組在并網運行時，調速器以功率調節或開度調節模式運行，2種調節模式如圖3所示。

圖3 水輪機調速器數學模型

2.4 發電機數學模型

目前在水電站過渡過程中比較常用的是水輪發電機的一階模型和三階模型。一階模型中發電機僅作為具有一定慣量的旋轉剛體來考慮，而發電機三階模型同時考慮了發電機的機械慣性、電磁功率和勵磁繞組磁鏈的變化。在計算分析中只考慮發電機的一階模型。其基本方程式如下式:

3 仿真分析

3.1 仿真工況

為分析某7號機組對9號機組帶來的水力干擾，進行相應的仿真計算分析，分別計算7號機組在甩負荷過渡過程中9號機組正常運行時有功功率變化過程，計算分別在9號機組水輪機調速器開度控制模式及功率控制模式下進行。主要工況如下:

工況一 上游水位169.0 m，下游水位97 m，機組接近最高水頭運行，7號機組甩額定負荷，9號機組調速器在開度控制模式下以額定功率運行；

工況二 上游水位160.0 m，下游水位97 m，機組在額定水頭63 m下運行，7號機組甩額定負荷，9號機組調速器在開度控制模式下以額定功率運行；

工況三 上游水位169.0 m，下游水位97 m，機組接近最高水頭運行，7號機組甩額定負荷，9號機組調速器在功率控制模式下以額定功率運行；

工況四 上游水位160.0 m，下游水位97 m，機組在額定水頭63 m下運行，7號機組甩額定負荷，9號機組調速器在功率控制模式下以額定功率運行。

3.2 仿真結果

仿真計算結果如表2所示，9號機組有功功率變化過程如圖4所示。

表2 9號機組水力干擾仿真結果

通過仿真計算結果可以看出:7號機組甩負荷會造成相鄰的9號機組出力波動，甚至會出現短暫的超額定出力運行。各工況下9號機組出力變化幅度及超額定出力運行時間有所差別，相比最高水頭工況，額定水頭工況下9號機組出力波動幅度大超額定出力運行的時間長，如表2所示。在所計算的4個工況中，9號機組出力變化的最大幅值出現在額定水頭調速器功率控制模式工況下，其值為28.73 MW，超額定出力運行時間最長工況為額定水頭調速器開度控制模式工況下，運行時長為14.0 s。同時在額定水頭下，調節過程達到20 s后9號機組功率出現了周期波動，而最高水頭工況下卻無此現象，整個調節過程衰減較快，這說明額定水頭工況下水輪機的特性給整個調節系統的穩定性帶來了不利影響，造成系統阻尼降低從而引起了功率的周期振蕩，這也說明了9號機組出力調節過程的性能與水輪機的運行工況密切相關。

圖4 9號機組水力干擾仿真結果

3.3 調速器控制模式及控制參數的影響

通過表2可以看出，調速器控制模式對7號機組甩負荷時所造成的9號機組出力波動的最大幅值影響較小，額定水頭下，調速器在開度模式下9號機組最大出力為28.61 MW，功率模式下9號機組最大出力為28.73 MW，兩者無明顯差別。

相比開度模式，功率模式下調速器能夠較快的抑制因7號機組甩負荷所造成的9號機組出力波動，從而可以減小9號機組超額定出力運行的時間，如圖6所示。在額定水頭下，調速器開度模式下9號機組超額定出力運行時間為14 s，功率模式下9號機組超額定出力運行時間為7.2 s。同時由于7，9號機組共引水道，7號機組甩負荷后造成引水隧洞流量減小，整個引水系統水力損失減小，9號水輪機實際工作水頭增加，此時如果調速器在開度模式下運行，9號水輪機導葉開度不變，機組存在一定超額定出力運行的風險，若調速器工作于功率模式，調速器能夠自動調節導葉開度保證機組實發功率跟蹤功率給定值，有效避免因水力損失減小所引起的機組超額定出力運行的風險。

當調速器工作于功率模式下，不同調速器PID控制參數對9號機組出力波動過程影響的計算結果如圖5所示。

圖5 不同調速器參數下9號機組有功功率變化

通過計算結果可以看出調速器參數對9號機組出力波動的最大值影響較小，減小調速器參數9號機組出力波動最大值略有增加。調速器參數改變對9號機組出力波動過程有一定的影響，調速器參數越小，調速器的相應速度越快，能夠減小機組在超額定出力運行的時間。

4 結論

對于一洞多機的水電機組，運行過程中不可避免的存在著水力干擾，針對某水電廠7，9號機組，建立了水力干擾過渡過程仿真模型，以數值仿真分析為手段分析了7號機組對9號機組的水力干擾現象，分析了調速器不同控制模式、不同控制參數及不同工況下的水力干擾過渡過程，通過研究得到以下主要結論:

1)7號機組甩滿負荷時會嚴重影響相鄰的9號機組，產生最大超額定出力3.7 MW運行的情況，超出力最大幅度占額定出力的14.8%；

2)對不同工況下的水力干擾進行了計算分析，相比其他工況，額定水頭工況下7號機組甩額定負荷造成的9號機組功率變幅大，調節時間長，且在調節過程中還出現了功率的周期振蕩。

3)相比開度模式，功率模式下調速器能夠較快的抑制因7號機組甩負荷直接造成的9號機組超出力現象，減小9號機組超出力運行的時間。同時7號機組甩負荷后造成引水隧洞流量減小，整個引水系統水力損失減小，9號水輪機實際工作水頭增加，此時若調速器工作于功率模式，能夠自動調節導葉開度保證機組實發功率跟蹤功率給定值，避免因水力損失減小所引起的機組超出力運行的風險。

4)調速器參數對9號機組超出力波動的最大值影響較小，減小調速器參數9號機組出力波動最大值略有增加。調速器參數改變對9機組出力波動過程有影響，調速器參數越小，調速器的響應速度越快，能夠減小機組在超額定出力運行的時間。

〔1〕姜杏娟，陳嘉謀.具有分叉放水的水電站調節保證計算及其分析 〔J〕.大電機技術，1989(2):56-62.

〔2〕孫美鳳.高水頭引水式水電站機組之間干擾問題研究 〔D〕.南京:河海大學，2003.

〔3〕丁景煥.水電站水力干擾過渡過程及其穩定性研究 〔D〕.武漢:武漢大學，2007.

〔4〕周建旭，胡明.擴建增容引水式水電站運行的安全穩定性分析〔J〕.水利水電技術，2006，37(10):54-57.

〔5〕Wylie E.B，Streeter V.L.Fluid Transientsin Systems〔M〕.Englewood cliff:Prentice Hall，1993.

TV732.5

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1008－0198(2016)06－0056－04

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.016

2016－07－13 改回日期:2016－08－04