覺巴水電站調速器孤網試驗頻率振蕩分析及改進

陳明莉，榮 紅，蔡衛江，馮啟文

（國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210003）

覺巴水電站調速器孤網試驗頻率振蕩分析及改進

陳明莉，榮 紅，蔡衛江，馮啟文

（國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210003）

沖擊式水輪機采用噴針及折向器的多重調節與控制，控制策略較復雜，西藏覺巴水電站采用四噴四折沖擊式機組，且需要適應西藏電網孤網運行工況，對調速器的控制提出較高要求。本文從覺巴水電站聯網切孤網試驗過程中出現的系統頻率振蕩現象出發，分析了電站機組調速器液壓系統控制結構、機組頻率振蕩的原因，從調速器控制方面提出了相應的改進措施，經過現場驗證，證明控制有效，本文可以為多噴嘴沖擊式以及需要孤網運行的水電站機組控制提供有益參考。

沖擊式機組；調速器；折向器；噴針；孤網運行；控制改進

0 引言

覺巴水電站位于西藏昌都市芒康縣瀾滄江右岸一級支流登曲中下游河段，工程于2013年7月開工，裝機3臺，單機容量10 MW，設計年發電量1.47億kW·h。首臺機組于2016年1月正式投產發電。覺巴水電站可作為后期規劃的大型如美水電站（裝機2 400 MW）的電源電站，將為川藏聯網工程提供一個重要的電源支撐。電站機組采用高水頭四噴嘴四折向器沖擊式機組，配套調速器需要控制4個噴針和4個折向器，與常規調速器比較，沖擊式調速器具有控制對象多，組合規律復雜等難點[1]。另外，覺巴水電站建成后，還要解決當地約5萬人的用電問題，當電網故障，電站從系統脫開，還要面臨孤網運行工況，確保當地用戶用電安全，從而對水輪機調速器的控制提出了更高要求。為此，2016年電站投產時進行了詳細的聯網轉孤網及孤網運行試驗。試驗過程中機組頻率出現了來回震蕩現象，3號機組頻率最大上升到53.4 Hz，1號機組最大上升到52.9 Hz，之后頻率震蕩逐漸衰減，約2 min才穩定下來，為此，電站進行了詳細的分析和機組控制策略的改進。

1 覺巴調速器液壓控制系統簡介

沖擊式水輪機調速器采用噴針及折向器的多重調節與控制，噴針數越多，控制策略越復雜。噴針作為主調節系統采用連續控制，折向器則采用開關量控制，噴針與折向器獨立控制而不協聯。噴針對調速系統的調節性能起決定性作用，而折向器僅在大波動時對機組進行過速保護[2]。

覺巴電廠水輪機采用四噴四折結構，調速系統液壓原理如圖1所示。從圖中可以看出：覺巴調速器機械液壓部分由5套獨立的液壓控制單元組成，分別為4套噴針控制單元、1套折向器控制單元。其中，噴針控制系統采用電液比例閥實現閉環連續控制；折向器采用電液閥及液動閥實現開關量控制，僅在系統甩負荷等大波動時快速關閉折向器，起到機組過速保護的作用。

每套噴針接力器均配置了高精度位移變送器，通過微機控制器檢測到噴針位置，再通過比例伺服閥實現噴針精確定位。折向器接力器的全開和全關位均配置了位置開關，通過微機控制器檢測折向器位置，再通過電磁閥實現折向器的開關控制。四套折向器采用同步聯動控制模式，由一套16通徑大流量電磁換向閥驅動。

2 試驗時頻率振蕩過程

2016年8月18日，覺巴水電站1號、3號機組進行了聯網切孤網的真機真網試驗。1號、3號聯網切孤網試驗時，在電網狀態轉換瞬間，伴隨著機組頻率（系統頻率）上升，超過52.5 Hz后，調速器控制機組折向器投入，約2 s，折向器全關，機組頻率得到抑制，3號機組頻率最大上升到53.4 Hz，1號機組最大上升到52.9 Hz。噴針開度正常關閉，但速度較慢。隨后3號、1號機組頻率下降到48.8 Hz，噴針開度呈現短暫開啟狀態。此時折向器退出，形成第2個周波的調節，3號機組頻率繼續迅速上升，最大為53.2 Hz（1號機組最大上升到52.3 Hz），隨后折向器再次投入，頻率再次下降，如此周期性調節。

圖1 調速系統液壓原理圖

在震蕩到第5個周期時，頻率在50.18 Hz，3號機組切至手動，噴針開度為25.77%，保持不動，同時折向器退出。隨后，頻率發生一次高頻后，呈現單調下降、快速收斂現象，并最終穩定控制住頻率，這個過程中，折向器未發生投退現象。

從圖2中可以看出，整個過程可以簡述為，聯網轉為孤網瞬間，約55 s的時間內，頻率發生5次波動，折向器發生頻繁投退，噴針總體開度是下降趨勢，頻率震蕩的包絡線呈緩慢收斂。當3號機組調速器切到手動后，折向器正常退出不再投入，頻率得到快速收斂和穩定控制。

當頻率基本穩定后，3號機組在12:10左右切到自動，系統（1號、3號機組成的孤網系統）得到穩定調節，最終2臺機噴針開度（負荷）均等，穩定在14%左右。系統頻率在50.2Hz～50.25Hz之間動態平衡。

圖2 3號機組聯網轉孤網過渡過程及穩態調節曲線

3 頻率震蕩原因分析

查看圖2，聯網轉孤網時頻率振蕩主要由以下原因造成：

折向器的主要作用是緊急情況下快速切斷噴嘴的水流，從而快速降低水輪機的出力，其動作速度較快，約2 s可以關閉。覺巴機組折向器投退的條件為，頻率大于52.5 Hz時投入，小于50.5 Hz退出。聯網轉換到孤網后，電網負荷減少，機組頻率快速上升（超過53 Hz）。此時，1號、3號機組折向器快速投入，水輪機出力迅速下降，由于孤網運行工況，電網負載較小，系統頻率隨著機組出力變化較快，因此頻率迅速下降，由于噴針開度關閉速度較慢，（調保要求最快速度2.78%/s），等頻率降到接近額定時，折向器退出，由于機組慣性，轉速持續下降，但此時噴針還處在較高開度，且額定頻率以下噴針還呈現短暫開啟現象，不久又會造成機組頻率上升。等到轉速超過52.5 Hz，折向器再次動作，形成下一個循環，但噴針的開度已經減少，頻率振蕩峰谷值有所下降。

在大波動調節過程中，可以看出，折向器的作用是，抑制了高頻，卻引起了頻率震蕩，但振幅是逐漸變小的，因為，噴針開度在總體下調。當3號機組切至手動后，噴針總開度保持不變，3號機折向器在手動條件下，是退出狀態。這樣3號機組的開度確保了，即便1號機組折向器投入，系統的有功不會發生瞬間變小，系統頻率不會發生突然下降。事實上是，3號機組切到手動，出力和負荷之間建立了一個基本的平衡，增強了系統的穩定性。這樣，1號機組折向器也未發生頻繁投退，系統頻率很快得到單調收斂的控制。

總體而言，孤網工況下，折向器的動作將造成機組出力變化，從而引發系統頻率大幅變化。折向器動作快，而噴針動作慢，在機組頻率變化過程中，折向器起到主要調節作用，但由于其開關方式的粗糙調節，造成頻率大幅度波動，無法穩定，而噴針接力器的逐步關閉，使得頻率波動的峰峰值逐漸下降，3號機組切手動，打破了振蕩條件，最終系統頻率趨于穩定。從最終頻率穩態控制來看，調速器孤網的控制參數是合適的，可以保證最終頻率的穩定性控制。

4 改進措施

從上述原因分析可以知道，問題的焦點在于調速器孤網工況下折向器的頻繁投退。折向器投入可以抑制頻率上升，但退出后，會引起二次震蕩和調節。初步措施是，增加調速器孤網工況判斷，改變折向器投退條件，總體使得折向器投入點范圍變高，不要輕易動作，當頻率超過55 Hz再投入，退出也提前，防止出現低頻，這樣可以防止折向器過早投入產生大的擾動，只起到過速時的保護作用。具體措施如下：

（1）聯網轉孤網時，增加判斷條件：當機組處于并網狀態（斷路器合閘），若機組頻率超過50±0.5 Hz，延時0.5 s，馬上切換到孤網運行工況，調速器調用孤網運行PID參數，頻率死區設置為0.05 Hz，同時調差系數設置為1%～2%；

（2）參見圖3，機組孤網運行工況，若系統頻率處于上升趨勢且超過55 Hz，則折向器關閉，切斷水流，當頻率處于下降趨勢且低于54 Hz時，折向器開啟，依靠噴針來調節機組頻率，通過優化的孤網控制參數，控制機組頻率穩定。折向器的判斷條件不僅依靠頻率閾值，還要依靠頻率變化的方向和斜率，大大增加了動作的可靠性。

圖3 折向器投切控制示意圖

（3）從操作規范角度，如果2臺機均并入孤網運行，可以將其中1臺機組切至手動，強制退出折向器。保證該機組一定的出力，增強系統的穩定性；此方法也可以達到迅速抑制頻率的目的。

5 結語

目前，西藏覺巴水電站3臺機組調速器已全部完成改進措施，且重新進行了孤網轉聯網的切換試驗，試驗結果正常，沒有出現頻率來回振蕩的現象。電站按照試驗大綱進行了調速器動靜態試驗，結果顯示調速系統動態性能指標、穩定性能指標均優于國標、部標有關要求，具有操作簡便、維護、調試方便、抗干擾性強、并網容易等優點。

近年來，西藏水電建設已進入較快的發展時期，2015年10月，藏木6臺85 MW機組全部發電。一方面，西藏電網與內地還沒有聯網，存在“大機小網”穩定問題；另一方面，因雷擊等事故可能造成機組遠方斷路器跳閘，形成一個區域供電的孤網狀態，如果調速器的控制策略不完善，不能采取有效措施，往往出現頻率波動、振蕩等事故。覺巴水電廠經過事故分析和調速器控制策略優化改進后，切換動作正常，控制措施合理，目前運行情況穩定，為西藏電網的安全和地區的穩定做出了重要貢獻。

[1]文斌.沖擊式機組微機調速器的設計及應用[J].科技信息，2011（3）：132-133.

[2]涂振祥.多噴嘴沖擊式大型水輪機組的調速器控制與特殊工況運行問題的研究 [J].電力系統保護與控制，2009，16（37）：16-19.

TV734.4

B

1672-5387（2017）08-0031-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.010

2017-03-22

陳明莉（1989-），女，助理工程師，從事水電站水輪機調速、綜合自動化控制裝置的調試等工作。