亭子口電站機組功率模式的設計和應用

馮磊

（嘉陵江亭子口水利水電開發有限公司，四川 蒼溪 628400）

亭子口電站機組功率模式的設計和應用

馮磊

（嘉陵江亭子口水利水電開發有限公司，四川 蒼溪 628400）

亭子口電站1～4號機組（容量為4×275 MW）分別于2013年8月初、8月底、2014年4月、5月投產，4臺機組試運行過后在上位機監控調整小負荷過程中均產生過波動現象，無法調整至目標值，引起超調，波動范圍較大，影響機組安全穩定運行，同時也產生不合格電量。通過此次改造設計，徹底解決了有功調節過程中的超調現象，減少了大量不合格電量，提高了經濟效益。

監控系統；有功調節；超調；不合格電量

0　引言

亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內，是嘉陵江干流開發中唯一的控制性工程，是以防洪、發電及城鄉供水、灌溉為主，兼顧航運以及攔沙減淤等其他綜合利用工程。

計算機監控系統采用南瑞自控公司生產的SSJ-3000型，基于UNIX/Windows操作系統跨平臺的全分布開放系統結構的NC2000監控系統軟件，系統由實時數據服務器、歷史數據庫服務器、操作員工作站、工程師工作站、培訓工作站、語音報警服務器、調度通訊服務器、廠內通信服務器、WEB服務器、LCU（包括機組LCU、公用LCU、開關站LCU和大壩LCU）等組成分布式體系；其中下位機采用法國Schneider公司Unity Quantum系列PLC。調速器系統由長江三峽能事達股份有限公司生產，型號為NSD-MGC4004PS-D150/6.3，PLC為施耐德M340型，雙控制器比例閥+伺服電機組成的單調節型調速器。其中A機為控制伺服電機，B機為控制比例閥，互為熱備冗余。

1　有功調節過程中小負荷波動的現象

1.1現象

亭子口公司4臺機組試運行過后在上位機監控調整小負荷過程中均產生過波動現象，無法調整至目標值，引起超調，波動范圍較大，影響機組安全穩定運行，同時也產生不合格電量。目前計算機監控系統對機組功率有功調節采用脈沖調節方式。該方式是由監控系統根據所設定的功率值，通過監控系統機組現地控制單元PLC程序的PID來計算，將計算的結果以脈沖的形式通過繼電器開出給調速系統（調節有功），以實現機組有功閉環調節。具體事件如下：

（1）2014-07-12 09∶25，3號機有功從30MW調整至200MW后，負荷在191～218MW之間波動，現地將3號機調速器切至機手動模式，再切回自動模式后波動現象消失，負荷穩定在200MW。

（2）2014-07-22 03∶55，1號機組負荷由200MW增至210MW后，1號機組負荷在197～229MW之間波動，現地將1號機調速器切至機手動再切回自動，負荷穩定在209MW左右，檢查機組運行正常。

（3）2014-08-01 00∶20，4號機組負荷由200MW減至190MW后，4號機組負荷在171～210MW之間波動，現地將4號機調速器切至機手動再切回自動，負荷穩定在192MW左右，檢查機組運行正常。

（4）2014-08-10 22∶30，4號機組有功從230MW降至220MW后，機組有功在210～230MW之間波動，約2min后負荷穩定在220MW。

（5）2014-08-15 01∶40，2號機負荷由200 MW減至50MW后，機組負荷經多次調整均不能穩定在50MW。

1.2負荷波動波形圖

小負荷波動錄波波形圖如圖1～圖4所示（1：有功實際值，2：開度實際值）。

圖1　3號機小負荷波動波形圖2014-07-07

圖2　4號機小負荷波動波形圖2014-08-01

圖3　2號機小負荷波動波形圖2014-08-15

圖4　1號機小負荷波動波形圖2014-08-19

2　存在問題及原因分析

2.1存在問題

針對以上4臺機組在開度模式下調節負荷過程中出現的小負荷波動現象，經過多次對監控系統、調速器系統排查、分析，排除了由于功率變送器、導葉位移傳感器、測頻模塊、伺服電機、繼電器等硬件故障引起的小負荷波動現象，引起超調導致負荷波動現象的主要原因為監控系統與調速器系統兩者之間的調節速率配合問題。

2.2原因分析

機組在并網狀態下，調速器系統僅有開度模式，有功功率調節主要由監控系統來完成閉環控制，監控系統比較當前機組有功給定值和機組功率實際反饋值，計算出兩者差值，換算成相應的增減調節脈沖寬度給調速器系統，調速器作為一個隨動系統接受監控系統輸出的增減脈沖來調整機組有功，最終達到有功功率調節的目的。

2.2.1機組監控系統有功功率邏輯[1]

機組監控LCU有功功率調節模式在開度模式時，功率閉環在機組監控側。當機組監控有功功率給定值與有功當前實際反饋值差值大于機組監控LCU調節死區1%P n時，機組監控LCU才會輸出增、減脈沖至機組調速器電氣調節柜，調速器再根據增、減脈沖速率來調整導葉開度，最終改變機組有功功率。計算公式如下：

△P=[增最小脈寬×（正最大有功-負最大有功）]/[（最大脈寬-最小脈寬）×比例系數]

機組在遠方調節負荷過程中監控系統主要的調節參數有：

調節周期=6 s，最大脈寬=1 s，增功率最小脈寬=100ms，減功率最小脈寬=100ms，比例系數=5；監控系統根據所需調整有功負荷的大小計算需要調整脈寬值（范圍在100ms～1 s之間），再將此脈寬值下發至調速器，調速器再根據PLC程序中設置的調速器導葉開度給定遠方增減脈沖速率進行調節。

2.2.2機組調速器系統脈沖執行邏輯

機組調速器系統作為隨動系統，在開度模式下，接受機組監控LCU增、減脈沖，調速器電氣控制系統根據監控下發脈寬長度來控制導葉開啟或者關閉。導葉實際動作情況由機組調速器導葉開度給定遠方增脈沖速率與調速器接受到的脈沖長度決定。

調速器在遠方自動方式下調節參數：調速器導葉開度給定遠方增脈沖速率100ms對應2.5%開度；調速器導葉開度給定遠方減脈沖速率100ms對應2.5%開度。

機組監控LCU主任務為循環模式，掃描周期平均約為80ms，機組監控LCU調節死區為1%P n，最小調節脈寬為100ms，當機組有功功率實際反饋與機組有功功率給定的差值大于設定調節死區時，機組調速器收到機組監控LCU開出的平均最小脈寬對應的平均開度值約為2.0%。

2.2.3針對機組監控與調速器控制邏輯，重點檢查方向

（1）檢查在有功調節引起小負荷波動過程中，一次調頻未動作，所以不存在有功功率調節與一次調頻的配合問題（即一次調頻與機組監控LCU有功功率調節反向調節的問題）。

（2）每次出現小負荷波動時，均發現機組監控系統頻繁給調速器輸出增脈沖或減脈沖，使機組無法穩定至給定目標值，在將調速器切換至手動方式運行后，導葉開度及機組功率能保持穩定。說明導葉開度的波動導致機組實際功率的波動，而實際功率的波動導致機組監控LCU對調速器系統進行往復開度調節，無法穩定在有功功率給定值附近。同時對機組有功變送器進行校驗，校驗數據均合格。

（3）通過以上檢查判斷為監控系統和調速器系統在調整負荷過程中相互之間的調節速率配合存在問題，造成超調現象。經過多次對機組監控和調速器系統之間的調節速率及相關參數進行修改，分別減小有功調節周期6 s→5 s→4 s、減小增減最小脈寬100ms→90ms→80ms、減小調速器導葉開給遠方增減脈寬250→210→200→190→180→165，再對4臺機進行變負荷調整試驗，盡量使機組監控和調速器在有功調節時參數配合合理，通過試驗結果，最后得出一組機組監控與調速器之間較為合理的配合參數，分別為有功調節周期5 s、增減最小脈寬90ms、調速器導葉開給遠方增減脈寬165。但是由于調速器水頭在不斷地變化過程中，通過參數修正后，檢查4臺機組并網運行情況發現，仍未徹底解決小負荷波動現象，只是大大減少了機組有功功率調整過程中的有功功率波動時間與波動次數。

3　改造設計

為了徹底解決有功調節小負荷波動現象，提高機組有功調節負荷過程的精度及穩定性，從機組監控LCU及調速器本身控制方式考慮，在調速器側再增加一種有功調節控制模式，即功率模式控制方式（經調研目前功率模式僅在大型電站應用）。

針對以上機組增加有功功率控制方式提出的改進方案，其具體的做法如下：

3.1機組監控系統LCU側改造方法

功率模式下機組監控系統將要調節的有功功率給定值通過PLCAO模塊輸出給調速器系統，同時監控系統通過PLCDO模塊輸出有功功率確認令至調速器系統，調速器系統收到監控系統輸出的有功功率確認令后，根據收到的有功設定值自行進行有功閉環調節。

3.2機組調速器系統側改造方法

功率模式下調速器系統接收機組監控LCU下發的有功功率給定值和有功功率確認令后，調速器系統根據機組監控LCU下發的有功功率給定值[2]，加上頻率偏差通過E p折算的有功功率值，減去當前實際機組功率后作為有功功率偏差，再把有功功率偏差送入積分器后通過積分運算得到導葉PID值控制導葉開度。根據功率偏差的大小把它分為大偏差控制（≥7%P n）和小偏差控制（＜7%P n），大偏差控制和小偏差控制分別調用不同的積分增益。

改造后，機組并網時優先進入“功率模式”運行，只有當“功率采樣故障”或“功率給定故障”或收到“切開度模式”信號后，才切換至開度模式。

3.3方式切換

為了保證有功調節的準確性和完整性，調速器系統收到監控系統輸出的有功功率給定值后，將輸出有功功率反饋值至監控系統，監控系統接收到的有功功率反饋值與自己所輸出的有功功率給定值進行判斷，在10 s內，如果監控系統收到的有功功率反饋值與自己所輸出的有功功率給定值的差值大于7MW，則監控系統會由功率模式切換至開度模式。

4　應用情況

通過改造后功率控制模式下機組并網運行，機組有功調節時小負荷波動現象得以徹底解決，目前已全部實施完成，達到的效果如下：

（1）減少了由于超調引起的不合格電量，由改造前每月調度考核的20萬kW·h不合格電量下降至每月10萬kW·h不合格電量，每年為公司增加發電量120萬kW·h左右，增加利潤約60萬元。

（2）提高了機組調節的穩定性和精度。效果如下：其功率模式控制下錄波波形圖如圖5～圖7所示（1：有功實際值，2：開度實際值）。

圖5　1號機功率模式改造后有功調節波形圖2015-04-10

圖6　2號機功率模式改造后有功調節波形圖2015-02-25

圖7　4號機功率模式改造后有功調節波形圖2014-08-01

（3）機組有功功率調節方式由一種控制方式增加為兩種控制方式，即功率模式和開度模式，兩者互為備用，可任意選擇，當一種方式故障時可自動切換至另一種控制方式，提高了設備的可靠性。

5　結論

本次對1～4號機組功率模式的設計和應用較為先進，在中小型水電站中很少采用，可應用于國內同類型水電站機組監控和調速器系統，同時該技術方案有利于提高機組有功功率自動調節精度和穩定性，可減少在開度模式下由于水頭不斷變化過程中監控與調速器始終找不到線性的最佳或最優的調節速率關系引起超調從而產生的不合格電量，有利于提高設備運行的穩定性和可靠性，為企業創造了良好的經濟效益。

[1]陳艷，李學禮.基于自適應PID控制的水電站有功功率調節[J].大電機技術，2016（1）.

[2]帥小樂，陳自然，陸勁松.800MW巨型水輪發電機組調速器有功功率調節模型優化研究[J].水力發電，2014,40(10).

TV736

B

1672-5387（2016）11-0016-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.11.005

2016-07-28

馮磊（1982-），男，工程師，從事設備管理和維護工作。