水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下模型試驗(yàn)參數(shù)測(cè)試方法初探

秦曉峰，楊季松，許棟，靳光永，錢鳳

（1.南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 211106；2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510630）

水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下模型試驗(yàn)參數(shù)測(cè)試方法初探

秦曉峰1，楊季松2，許棟1，靳光永1，錢鳳1

（1.南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 211106；2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510630）

本文以桐子林水電站水輪機(jī)調(diào)速器功率模式的傳遞函數(shù)為模型，對(duì)調(diào)速器功率模式下試驗(yàn)參數(shù)測(cè)試條件與方法進(jìn)行了研究。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程總結(jié)，得到了有益的經(jīng)驗(yàn)，為日后水電廠開(kāi)展功率模式現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)參數(shù)測(cè)試規(guī)范化提出了參考方案。

水輪機(jī)調(diào)速器；功率模式；參數(shù)測(cè)試

0 引言

在電網(wǎng)中，水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性不僅影響到機(jī)組自身的安全性和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而且會(huì)對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。為了電力系統(tǒng)運(yùn)行提供更為安全、可靠的依據(jù)，故需開(kāi)展對(duì)發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)實(shí)測(cè)工作，并通過(guò)對(duì)調(diào)速器數(shù)學(xué)模型的研究和仿真計(jì)算，建立更為準(zhǔn)確的調(diào)速系統(tǒng)的計(jì)算模型，以便進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算的精度。目前，調(diào)速器開(kāi)度模式下現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)流程已基本規(guī)范化。相較于開(kāi)度模式，功率模式下試驗(yàn)較為復(fù)雜且涉及面廣，尚未有用于水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)功率模式下現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)測(cè)試方法的統(tǒng)一規(guī)范。本文就此方面結(jié)合桐子林功率模式現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)展開(kāi)論述。

1 桐子林水電站調(diào)速器簡(jiǎn)介

桐子林水電站額定水頭20m，最小水頭11.48m，最大水頭27.7m。引水系統(tǒng)采用單機(jī)單管，發(fā)電裝機(jī)容量4×150MW，屬于大型軸流轉(zhuǎn)槳式雙調(diào)機(jī)組。引水系統(tǒng)采用單機(jī)單管，水輪機(jī)為軸流轉(zhuǎn)槳式。調(diào)速器采用南瑞水電公司研制的SWT-2000H型調(diào)速系統(tǒng)。控制器由兩套PCC（可編程計(jì)算機(jī)控制器）冗余配置構(gòu)成，通過(guò)ZEN元件實(shí)現(xiàn)仲裁切換。液壓控制部分核心部件分別為GE-20000型（導(dǎo)葉主配）和GE-5000型（槳葉主配），接力器行程反饋采用ASM磁致伸縮式直線位移傳感器作為電流反饋單元。調(diào)速器功率模式傳遞函數(shù)原理框圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 調(diào)速器功率模式傳遞函數(shù)框圖Fig.1 Transfer function of governor in power mode

眾所周知，功率模式試驗(yàn)是建立在開(kāi)度模式試驗(yàn)完成的基礎(chǔ)上開(kāi)展的。故與其重復(fù)相關(guān)基礎(chǔ)試驗(yàn)項(xiàng)目（靜特性試驗(yàn)、空載擾動(dòng)試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)、接力器關(guān)閉及開(kāi)啟特性等）不再贅述。僅功率模式特殊之處進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

根據(jù)桐子林水電站調(diào)速器建模參數(shù)測(cè)試的實(shí)際要求，硬件上，調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)配有相應(yīng)的輸入和輸出通道，具備一定的硬件功能配置。軟件上，預(yù)留該試驗(yàn)要求的各種中間量的輸出，并保證該輸出信號(hào)滿足試驗(yàn)儀器的要求。試驗(yàn)所需儀器見(jiàn)表1所列，試驗(yàn)需要測(cè)點(diǎn)見(jiàn)表2所列。

表1 調(diào)速系統(tǒng)建模試驗(yàn)儀器Tab.1 Instruments required in hydro governor system modeling experiment

表2 調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試測(cè)點(diǎn)表Tab.2 Observation points in parameter testing of hydro governor system

2.1 功率模式投退功能校核

桐子林水電站監(jiān)控和調(diào)速器均可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)功率模式功能的投退功能。模擬發(fā)電并網(wǎng)，開(kāi)度開(kāi)至50%，并完成對(duì)功率采樣的定位（最小采樣、最大采樣定位）。將電柜上“遠(yuǎn)方/現(xiàn)地”把手切為“遠(yuǎn)方”模式，控制模式把手切至“功率閉環(huán)”位，觀察并記錄電柜觸摸屏上“開(kāi)關(guān)量”監(jiān)視界面“功率閉環(huán)投入”顯示正確和繼電器動(dòng)作正確，功率閉環(huán)投入信號(hào)上送監(jiān)控。另外監(jiān)控方面投入退出，檢測(cè)投退動(dòng)作是否正常。現(xiàn)地同樣操作驗(yàn)證投退邏輯正確性。關(guān)于功率模式投退需要說(shuō)明的是，該電站設(shè)計(jì)為把手在遠(yuǎn)方，則監(jiān)控投退命令下發(fā)后可以執(zhí)行，現(xiàn)地投退不起作用。把手切現(xiàn)地，則只有盤柜把手可以投退，屏蔽監(jiān)控投退命令下發(fā)。

2.2 模擬量校驗(yàn)

功率模式下的功率給定是以模擬量的形式下發(fā)，所以在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)前，靜態(tài)下要完成該數(shù)值的準(zhǔn)確性校驗(yàn)。模擬調(diào)速器發(fā)電態(tài)，在功率閉環(huán)投入情況下，用模擬量發(fā)生器下發(fā)有功給定、功率反饋。在調(diào)速器上觀察并記錄輸入值和觸摸屏上“功率給定”“功率反饋”顯示值對(duì)應(yīng)關(guān)系是否符合要求。功率給定測(cè)試記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，電流值和功率基本是線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表3 功率給定下發(fā)值與接收值對(duì)比Tab.3 Comparison of power given analog value sending and received

3 試驗(yàn)內(nèi)容

功率模式下模型參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)內(nèi)容分為靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)兩個(gè)部分。

3.1 靜態(tài)模擬試驗(yàn)

本試驗(yàn)的“靜態(tài)”指導(dǎo)葉可以自由活動(dòng)，但機(jī)組未啟動(dòng)確保不轉(zhuǎn)動(dòng)，處于靜止?fàn)顟B(tài)，調(diào)速器液壓系統(tǒng)調(diào)試合格后的狀態(tài)，導(dǎo)葉能在全開(kāi)、全關(guān)范圍內(nèi)正常動(dòng)作。

3.1.1 調(diào)速控制器頻率環(huán)節(jié)PID調(diào)節(jié)特性測(cè)試

在調(diào)速器外部接線端子處短接“并網(wǎng)斷路器位置信號(hào)”，模擬調(diào)速器發(fā)電態(tài)。主接力器行程穩(wěn)定在50%開(kāi)度左右。頻率環(huán)節(jié)參數(shù)一般有五個(gè)參數(shù)需要校驗(yàn)比例增益KP，積分增益KI，微分增益KD，頻率死區(qū)和調(diào)差率 ep。

PID參數(shù)測(cè)試方法及步驟：頻率死區(qū)置0Hz，ep=0%，頻率初始給定為50Hz。①試驗(yàn)采取分環(huán)節(jié)時(shí)域測(cè)量方法，比例環(huán)節(jié)測(cè)量時(shí)，修改PLC程序?qū)⑽⒎帧⒎e分環(huán)節(jié)退出，進(jìn)行不同比例倍數(shù)下的階躍試驗(yàn)；微分測(cè)量時(shí)，修改PLC程序?qū)⒈壤⒎e分環(huán)節(jié)退出，進(jìn)行不同微分系數(shù)下的階躍試驗(yàn)；積分測(cè)量時(shí)，修改PLC程序?qū)⒈壤⑽⒎汁h(huán)節(jié)退出，進(jìn)行不同積分系數(shù)下的階躍試驗(yàn)。②測(cè)試步驟，在分環(huán)節(jié)時(shí)域測(cè)量過(guò)程中通過(guò)改變輸入調(diào)速器的頻率信號(hào)進(jìn)行階躍擾動(dòng)（頻率擾動(dòng)量分別為±0.1Hz、±0.2Hz、±0.25Hz），由波形記錄儀錄取頻率擾動(dòng)前后主環(huán)PID控制輸出信號(hào)變化過(guò)程曲線。在測(cè)試積分環(huán)節(jié)時(shí)注意需要將積分限幅放開(kāi)，以免影響積分環(huán)節(jié)的后續(xù)校驗(yàn)計(jì)算。

頻率死區(qū)校驗(yàn)方法：將人工死區(qū)通過(guò)設(shè)置窗置為0.04Hz，頻率初始給定為50Hz。PID參數(shù)正常寫入。通過(guò)頻率發(fā)生器逐步加頻或減頻，觀察在50Hz±0.04Hz左右記錄一次調(diào)頻動(dòng)作信號(hào)報(bào)出、Ypid輸出電壓和導(dǎo)葉反饋實(shí)際動(dòng)作值時(shí)頻率值。

調(diào)差系數(shù)ep校驗(yàn)方法：頻率給定50Hz不變化，死區(qū)置為0.04Hz，比例增益置為1，積分和微分置為0，ep置為10%，功率給定與功率反饋通過(guò)模擬量發(fā)生器發(fā)出80%功率值。通過(guò)改變功率反饋值使其偏差10%，由波形記錄儀錄功率反饋?zhàn)兓昂筮^(guò)程曲線。根據(jù)Ypid輸出電壓值反推分析ep是否正確。

3.1.2 功率模式相關(guān)參數(shù)校驗(yàn)

鑒于功率模式特殊性，仍需要校驗(yàn)功率限制，功率死區(qū)、前饋系數(shù)，增速限制和積分疊加功能。

功率限制校驗(yàn)方法：頻率給定50Hz不變化，死區(qū)置為0.04Hz，比例增益置為1，積分和微分置為0。將功率限制設(shè)置為10%，功率死區(qū)置為0%。功率給定和功率反饋模擬發(fā)生器輸入80%功率值對(duì)應(yīng)電流。分別改變功率反饋輸出值使兩者偏差分別為±9%、±10%、±11%，通過(guò)錄波曲線分析Ypid電壓輸出校驗(yàn)功率限制值是否準(zhǔn)確。

功率死區(qū)校驗(yàn)方法：將功率死區(qū)置為1%，功率限制設(shè)置為10%，頻率初始給定為50Hz。頻率死區(qū)置為0.04Hz，比例增益置為1，積分和微分置為0。使功率給定與反饋兩者偏差分別為±0.9%、±1%、±1.1%，通過(guò)錄波曲線分析Ypid電壓輸出校驗(yàn)功率死區(qū)值是否準(zhǔn)確。

前饋系數(shù)的校驗(yàn)方法：修改程序使前饋通路上增速限制和積分疊加功能不起作用，使功率給定值直接乘以前饋系數(shù)KP2成為Pgv輸出。將前饋系數(shù)設(shè)置為0.5，功率給定設(shè)為80%功率值，通過(guò)錄波曲線分析Pgv電壓輸出校驗(yàn)前饋系數(shù)值是否準(zhǔn)確。

增速限制和積分疊加功能校驗(yàn)方法：此功能實(shí)現(xiàn)的效果即將功率給定通過(guò)一可調(diào)斜率形式變化實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)輸出，而非階躍給定。通過(guò)修改增速限制值可以改變從當(dāng)前功率給定到下一功率給定之間變化的斜率。將前饋系數(shù)設(shè)為0.5，功率給定變化10%，觀察當(dāng)前增速限制（5%/s）下的功率給定。再次改變?cè)鏊傧拗浦担?%/s），測(cè)試其限制斜率。

3.1.3 靜態(tài)模擬功率擾動(dòng)試驗(yàn)

模擬發(fā)電，在功率閉環(huán)投入的情況，將導(dǎo)葉手動(dòng)開(kāi)啟到50%左右。在“功率閉環(huán)設(shè)置窗”輸入預(yù)置PID相關(guān)參數(shù)，用調(diào)速器仿真設(shè)備模擬監(jiān)控下發(fā)功率給定值，用功率反饋模擬器模擬功率反饋。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行功率擾動(dòng)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程和趨勢(shì)，是否滿足要求，見(jiàn)圖2。

試驗(yàn)結(jié)果：無(wú)論大功率擾動(dòng)還是小功率擾動(dòng)，速度性、穩(wěn)定性和超調(diào)量都滿足要求。但由于靜態(tài)下的功率反饋是模擬出來(lái)的，其并沒(méi)有反映出實(shí)際有功的慣性和特點(diǎn)，靜態(tài)下的速度性指標(biāo)不具備太大意義。所以，靜態(tài)下無(wú)法真實(shí)體現(xiàn)調(diào)整效果，需并網(wǎng)下進(jìn)一步功率擾動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

本方案的“動(dòng)態(tài)”是指機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行的發(fā)電狀態(tài)，且機(jī)組一次調(diào)頻調(diào)試合格，一次調(diào)頻能正常投入運(yùn)行。一次調(diào)頻PID參數(shù)設(shè)置為一次調(diào)頻試驗(yàn)整定值，人工頻率死區(qū)按一次調(diào)頻要求設(shè)置。

圖2 靜態(tài)下模擬功率擾動(dòng)試驗(yàn)波形Fig.2 Power disturbance test recording wave at static state

3.2.1 導(dǎo)葉槳葉階躍試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模簽楂@取執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)下開(kāi)關(guān)的動(dòng)作曲線，校核模型參數(shù)。試驗(yàn)條件：機(jī)組帶80%以上額定出力，一次調(diào)頻功能投入。采用頻率階躍方式改變導(dǎo)葉給定值的辦法，進(jìn)行導(dǎo)葉階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，階躍量分別為±2%、±5%。導(dǎo)葉切手動(dòng)，依據(jù)協(xié)聯(lián)曲線，通過(guò)改變?nèi)斯に^的方式，實(shí)現(xiàn)槳葉階躍試驗(yàn)；這種方式進(jìn)行槳葉階躍，實(shí)際上是破壞協(xié)聯(lián)關(guān)系，對(duì)機(jī)組不利，該試驗(yàn)要求本身意義不大，所以不太推薦發(fā)電下做槳葉階躍試驗(yàn)。

3.2.2 功率模式下頻率擾動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模韩@取不同頻率擾動(dòng)下的導(dǎo)葉開(kāi)度變化和有功功率變化曲線、調(diào)速器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。試驗(yàn)條件：機(jī)組并網(wǎng)帶80%額定負(fù)荷，機(jī)組一次調(diào)頻投入，調(diào)速器以功率模式現(xiàn)地方式運(yùn)行。試驗(yàn)方法及步驟：由頻率發(fā)生器給調(diào)速器提供50Hz的機(jī)頻輸入信號(hào)，之后在此頻率基礎(chǔ)上施加正（或負(fù)） 的階躍頻率偏差信號(hào)（ 頻率擾動(dòng)量分別為±0.1Hz、±0.2Hz、±0.25Hz），并進(jìn)行逐一錄波。取向下擾動(dòng)0.2Hz波形見(jiàn)圖3。

3.2.3 功率模式下一次調(diào)頻與AGC配合試驗(yàn)

一次調(diào)頻屬于有差調(diào)節(jié)，超出死區(qū)后，只根據(jù)頻率的變化來(lái)響應(yīng)。AGC則是跟蹤負(fù)荷曲線，當(dāng)負(fù)荷波動(dòng)超出死區(qū)，會(huì)相應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)際操作時(shí)可能出現(xiàn)AGC調(diào)節(jié)方向與一次調(diào)頻動(dòng)作相反的情況。根據(jù)電網(wǎng)要求，一次調(diào)頻優(yōu)先級(jí)高于AGC，一次調(diào)頻動(dòng)作后導(dǎo)葉開(kāi)度不應(yīng)被AGC下發(fā)值拉回。最終作用于導(dǎo)葉動(dòng)作理想效果應(yīng)是兩者疊加。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證功率模式下一次調(diào)頻與AGC配合動(dòng)作的正確性。機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行于80%額定出力，調(diào)速器投入功率閉環(huán)模式運(yùn)行，“一次調(diào)頻功能”投入運(yùn)行。將KP、KI、KD分別設(shè)為4、2、1，功率死區(qū)設(shè)為0.7%，前饋系數(shù)設(shè)為0.2。

圖3 頻率向下擾動(dòng)0.2Hz前后錄波圖形Fig.3 Recording wave before and after frequency disturbance down 0.2Hz

圖4 一次調(diào)頻與AGC配合關(guān)系錄波圖形Fig.4 Cooperative relationship recording of primary frequency control and AGC

試驗(yàn)過(guò)程：首先，將負(fù)荷穩(wěn)定在100MW附近。上擾0.15Hz，導(dǎo)葉關(guān)4%開(kāi)度，功率也減少10MW左右。此時(shí)AGC下發(fā)120MW，負(fù)荷并未直接調(diào)整到位，而是疊加上一次調(diào)頻動(dòng)作量，負(fù)荷達(dá)到110MW左右。直至頻率恢復(fù)正常，才會(huì)調(diào)整至AGC下發(fā)值120MW。同樣，改變兩者動(dòng)作順序，先AGC下發(fā)功率值，再觸發(fā)一次調(diào)頻動(dòng)作，錄波結(jié)果也是兩者疊加關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果：一次調(diào)頻和AGC配合關(guān)系正確，響應(yīng)迅速，超調(diào)量小，穩(wěn)定性高。錄波如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

水輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)建模試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集有利于電力系統(tǒng)建立模型分析，業(yè)內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)開(kāi)度模式下建模試驗(yàn)已經(jīng)基本規(guī)范化。由于功率模式有調(diào)整品質(zhì)更優(yōu)，負(fù)荷變化平穩(wěn)，超出死區(qū)后快速調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)；越來(lái)越多的電廠開(kāi)始選用功率模式作為主用方式。但是關(guān)于功率模式下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及建模分析工作開(kāi)展較少，希望此文能夠?qū)β誓Ｊ较碌膮?shù)辨識(shí)試驗(yàn)有一定參考借鑒作用。

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2017-05-10

2017-07-05

秦曉峰（1988—），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：水電廠水輪機(jī)調(diào)速器調(diào)試技術(shù)研究。E-mail：qinxiaofeng@sgepri.sgcc.com.cn

楊季松（1984—），男，本科，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能水電站機(jī)組運(yùn)行、檢修技術(shù)和管理。E-mail：365488198@qq.com

Primary Exploration to Test Method of Model Experiment’s Parameters in Hydro Turbine Governor Power Mode

QIN Xiaofeng1，YANG Jisong2，XU Dong1，JIN Guangyong1，QIAN Feng1
（1.Nanjing NARI Group Corporation，Nanjing 211106，China；2.China Southern Power Grid Peak Load and Frequency Regulation Power Plant，Guangzhou 510630，China）

According to the transfer function model of Tong Zilin power plant hydro governor power mode，we study on the test method and condition of model experiment’s parameters in hydro turbine governor power mode in this paper.Combined with the actual test，It has provided reference to normalize the test method of model experiment’s parameters in hydro turbine governor power mode for the later test through analysis and summarizing on the test process.

Hydro turbine governor; Power mode;Parameter testing

TV734.4

A學(xué)科代碼：570.35

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.015