抽水蓄能機組背靠背工況下的頻率控制策略及典型故障研究

吳 昊，陳鳳華

（1.中國南方電網有限責任公司調峰調頻發電公司廣州蓄能水電廠，廣州 從化 510950；2.中國南方電網有限責任公司調峰調頻發電公司惠州蓄能水電廠，廣東 惠州 516100）

抽水蓄能機組背靠背工況下的頻率控制策略及典型故障研究

吳 昊1，陳鳳華2

（1.中國南方電網有限責任公司調峰調頻發電公司廣州蓄能水電廠，廣州 從化 510950；2.中國南方電網有限責任公司調峰調頻發電公司惠州蓄能水電廠，廣東 惠州 516100）

由于抽水蓄能電廠在電網中作用的特殊性，其在電網負荷低時需要快速響應開啟抽水工況，而背靠背是抽水啟動的兩個方式之一。本文通過對抽水蓄能機組背靠背拖動工況下的自動頻率控制策略進行分析，以典型拖動失敗事件為案例，研究得出故障原因，提出故障解決辦法及預防措施。

抽水蓄能；自動頻率控制；背靠背拖動；故障研究與解決

1 引言

抽水蓄能機組在電網中，主要起到調峰調頻、事故備用、黑啟動等重要作用，由于用戶對電能質量的要求越來越高、電網的穩定運行指標越來越嚴格，配備抽水蓄能機組已成為區域大電網的發展趨勢。

由于蓄能電廠在電網中作用的特殊性，其具有發電、抽水、發電調相、抽水調相和停機穩態5個穩定狀態，且蓄能機組啟停頻繁，為了幫助電網“削峰填谷”，其在夜間電網負荷低時需要快速響應電網負荷開啟抽水工況。蓄能機組由停機穩態達到抽水工況，首先在抽水調相工況下達到并網，這就需要由拖動裝置使機組達到并網條件，靜止變頻器（SFC）就是利用晶閘管將工頻交流電輸入變成連續可調的變頻交流電輸出的裝置，該裝置是抽水蓄能機組的主力拖動裝置。但目前，SFC在我國蓄能電廠的應用上還面臨著造價高、國外技術壁壘、設備可用率偏低等問題。而背靠背啟動方式作為備用的啟動方法顯得額外重要。拖動工況由于涉及兩臺機組，一臺作為發電機、一臺作為電動機，且涉及的開關與刀閘多、回路廣，程序流程復雜，對程序設計及一次設備的配合、二次設備的控制水平提出較高要求，更對運行維護人員的設備運維水平及故障查找能力提出新的挑戰。

本文通過對抽水蓄能機組拖動工況下的自頻率控制策略進行分析，以廣州蓄能水電廠某次典型拖動失敗事件為案例，研究得出故障原因，提出解決辦法及預防措施。可作為專業技術人員研究蓄能機組拖動工況原理和解決類似故障的參考，亦可為設備廠家和科研調試人員提供技術依據。

2 拖動工況下的控制策略與調節原理

2.1 預啟動過程及拖動主軸的建立

在蓄能機組預啟動階段，無論是發電、抽水還是拖動工況，主要進行機組輔助設備的啟動，為后期機組動作準備。如：投入機組冷卻水系統、開啟母線風機、調速器油路建壓及開通、開啟循環油系統等。

背靠背啟動過程同SFC拖動一樣，均需建立電氣軸，實現一個電能由拖動機組傳輸到被拖動機組的傳輸通道。該電能輸送通道由拖動機出口開關、拖動刀閘、拖動母線、被拖動刀閘建立，如圖1所示。

圖1 背靠背拖動的能量傳遞

2.2 自動頻率控制

在拖動階段，最終目的是使被拖動機組實現并網，以吸收電網側功率達到“削峰”的作用。故此階段的被控參數為機組頻率，而由于電氣主軸的建立，勵磁系統通過轉子電流使被拖動機組作為拖動機的負載，故背靠背的兩臺機組頻率一致。

在此階段，拖動機組控制流程與發電啟動時基本一致，其作為發電機運行，水輪機帶動大軸使轉子轉動，勵磁加在轉子上，并使定子產生反作用磁場，待這兩個磁場達到動態平衡，定子即產生了和水輪機同樣頻率的穩定電壓。而被拖動機組作為電動機，拖動裝置（SFC或一臺發電機）發出電壓通過電氣軸加在電動機定子上，電動機的定子從而產生交變磁場，勵磁加在轉子上，亦產生感應磁場，二者達到動態平衡時，被拖動機轉子轉速與拖動裝置的轉速達到一致。

但需說明的是，由于此時拖動機組帶著另一臺機組在運行，其頻率控制策略不可簡單沿襲發電，而應作出調整。而為減輕拖動負載，在拖動時被拖動機組應通過高壓氣將水壓至轉輪以下，僅留少量水形成水環留作潤滑冷卻，以此減小摩擦阻力。

法國ALSTOM生產的TSLG型調速器拖動頻率控制邏輯見圖2。在第一階段，調速器收到拖動指令后，調速器的導葉開度設定值首先由參數VT_BBLC設定為一個預開度，用于啟動水輪機，該過程持續時間由BB_TMP1控制。BB_TMP1時間后進入第二階段，調速器投入拖動一級開限LO_BB1，轉速繼續上升，這個開限一般比預開度小，這將使導葉開度回調，但機組轉速仍會繼續上升，待機組轉速升至VT_BBMN后進入第三階段。第三階段，調速器進入升速階段，此階段不再直接控制導葉開度而是控制機組頻率，調速器以一個固定速率增加機組頻率設定值，同時為避免大幅超調，在此階段調速器投入拖動二級開限LO_BB2，直到機組到達50 Hz。

上述策略由調速器內部的順序控制程序設定，通過過程控制閉環負反饋系統實現。在此過程控制系統中，第一第二階段的控制參數為導葉開度，第三階段的控制參數為機組轉速。以第三階段為例，如圖3所示，控制環由設定值（機組轉速曲線）、反饋值（經微分處理的機組頻率）、PI調節和限制模塊等組成。當反饋傳感器測定的機組頻率與設定值產生偏差時，PI環節起作用，并向該偏差值的反方向進行調節，直至偏差為0。而限制模塊起到減小超調、穩定輸出的作用；微分環節則有利于提前得知機組頻率變化趨勢，提高控制特性。

該邏輯是當今采用的主流控制邏輯之一，但并不唯一，比如福伊特公司生產的調速器的拖動邏輯與此大同小異，均是將機組啟動后再使其轉速以斜坡曲線形式上升。

圖2 調速器拖動頻率升速示意圖

圖3 調速器拖動邏輯框圖（第三階段）

3 典型拖動失敗

綜合以上對拖動邏輯的論述可知，在拖動工況下典型故障無非以下3種：電氣主軸建立失敗；拖動或被拖動機自身出現故障，導致拖動失敗；拖動動力不足導致機組轉速上升過慢，流程超時。下面以廣州蓄能水電廠A廠某次典型拖動失敗事件為案例，進行故障研究。

3.1 故障簡述

2014～2015年，廣蓄A廠出現兩次3號機組拖動4號機組失敗事件，查詢機組流程，失敗的直接原因為開始拖動后，機組轉速未在規定時間內上升。

3.2 故障現象

拖動主軸已建立，拖動機導葉已按設定值打開，兩臺機組勵磁投入正常，兩臺機機端電壓幾乎為零（正常應隨著轉速上升而上升至19 kV），機組輕微蠕動、隨后拖動失敗。根據監控系統EVENTLOG記錄信息可以看出，在被拖動機勵磁開關合后，轉速未在規定時間內上升，導致超時跳機。（廣蓄A廠下位機程序設定：被拖動機組勵磁開關合后，需在30 s內上升至5%額定轉速，否則拖動失敗。）

3.3 初步判定直接原因

動力不足導致機組未轉，超時啟動失敗。

3.4 統計分析及推斷

在之前3號機組成功拖動4號機組的記錄中發現，從被拖動機4號機組勵磁開關合到轉速上升到5%額定轉速，耗時在25～27 s左右不等；而3號機組拖動2號機組或2號機組拖動1號機組等不涉及4號機組的拖動啟動，此過程耗時均在22～24 s之間。

遂懷疑4號機組阻力偏大或說固有特性相對較差，故而導致其他機組需要提供更大的動力才能將其拖動成功。而之前3號機組調速器所設置的拖動參數很可能處于一個較臨界位置，所以有時候拖動成功但用時較長（達到5%轉速耗時27 s），而有時又會拖動失敗。

3.5 根本原因分析

從拖動工況的頻率控制策略上說，該策略通過順序程序將過程控制優化，科學可靠，成功率高。從機組RTU程序允許的啟動時間設定上說，拖動機組勵磁開關合后，在30 s內上升至5%額定轉速，已經是一個相對寬裕的設定，且故障時機組只是輕微蠕動，沒有升速跡象。

對于根本原因是4號機組阻力偏大的懷疑，如下3點可以佐證。

（1）發電工況轉速上升數據

分析4號機組正常發電時的轉速上升速率，與其他機組進行比較。導葉開啟后，同樣時間內（7 s）4號機組較其他機組轉速上升確實慢，見表1。

表1 廣蓄A廠4臺機組發電工況轉速上升情況

（2）建模仿真試驗

廣東電網電科院輪機所配合廣蓄電廠進行了機組原動機及調節系統參數實測與建模工作。水輪機及其調節系統可分成3個系統分級建模：調節系統模型、執行機構模型和引水道水輪機模型。通過試驗得到靜特性、永態轉差率、頻率死區、接力器反應時間常數等參數。

首先，根據參數實測結果將參數帶入調速器模型中，使用TGM2000建模平臺軟件仿真導葉開度的頻率階躍響應曲線，并與實測動態頻率擾動導葉開度波形進行了對比，得出該自定義調速器模型（包括調節系統模型、執行機構模型）與實測曲線吻合度較高，滿足南方電網企業標準《中國南方電網同步發電機原動機及調速系統參數測試與建模導則》要求［5］。

而后，使用TGM2000建模平臺根據實測數據使用改進的最小二乘法（LS）或遺傳算法（GA）辨識得到引水道水輪機模型，亦均滿足標準要求。

最后，將三級模型進行組合后使用TGM2000平臺進行仿真校驗，自定義調速器模型、辨識得到的引水道水輪機模型能夠準確模擬導葉開度、有功功率的頻率階躍響應過程，相關誤差符合規程要求。

經整合，在采用LS法辨識的情況下，廣蓄A廠4臺機組液壓隨動系統-引水道水輪機傳遞函數分別如下。

使用MATLAB仿真模塊得出廣蓄A廠1號～4號機組“液壓隨動系統-引水道水輪機”傳遞函數階躍響應仿真曲線，如圖4所示，圖中橫坐標為時間，縱坐標為標幺值。

依據該階躍響應曲線計算得出4臺機組固有調節時間（取5%為穩定范圍）分別為：5.154 s，4.962 s，3.231 s，10.0 s。可見，4號機組液壓系統調節時間確實偏大，也就是說相比其他機組，4號機組其需要更大的動力才能及時升速。

（3）發電空載開度

廣蓄A廠4臺機組空載開度設置如表2，此數據也可佐證4號機組在開機時達到空載狀態確實需要更大動力。

圖4 廣蓄A廠1號～4號機組“液壓隨動系統-引水道水輪機”傳遞函數階躍響應仿真曲線

表2 廣蓄A廠4臺機組發電空載開度

3.6 解決措施及后續建議

經過以上分析得出結論：在不改變控制策略及機組RTU程序設定的情況下，根據能量守恒，為滿足控制需求，必須使控制參數適應4號機組相對稍差的響應特性，即：適當加大機組拖動參數，克服拖動阻力，為拖動工況提供足夠大的水力支持。運維人員決定以增大拖動程序中第一階段的預開度和第二階段的開度限制的方式達到此目的。經多次試驗調試出適配參數后，3號機組背靠背拖動4號機組成功，錄制波形顯示機組拖動平穩、與勵磁系統配合正常，轉速上升時間符合要求（24 s）。

因廣蓄A廠調速器控制系統為新投運設備，但改造后并未進行過所有機組的互相拖動試驗，故障后運維人員意識到4臺機組自身特性不一，故后續廣蓄電廠已著手進行4臺機組的互相拖動試驗，防止再次出現因動力不足導致拖動失敗的情況。

4 結論

本文以廣州蓄能水電廠某次典型拖動失敗事件為案例，結合頻率控制這一典型過程控制策略的研究，通過建模仿真、數據統計和調試試驗，得出故障較深層次原因，進行了歸納總結，提出了解決辦法及預防措施。

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［4］呂宏水，馮 勇，朱曉東，等.抽水蓄能機組背靠背啟動的研究［J］.水電廠自動化，2006（4）：182-189.

［5］沈 斌.某抽水蓄能電站靜態變頻器（SFC）原理簡介［C］//2009年南方十三省（區、市）水力發電工程學會聯絡會暨學術交流會電氣拖動論文集.廣西：水力發電工程學會，2009.

［6］中國南方電網有限責任公司.Q/CSG 11402-2009中國南方電網同步發電機原動機及調速系統參數測試與建模導則［S］.廣州：中國南方電網，2009.

TV743

B

1672-5387（2016）07-0023-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.007

2016-03-21

吳 昊（1990-），男，助理工程師，從事抽水蓄能機組監控及調速系統的原理和缺陷研究工作。