“大機小網(wǎng)”模式下的調(diào)速系統(tǒng)研究

詹維勇，王安愛，楊成財，李修樹

(1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南昆明650214；2.水電水利規(guī)劃設計總院，北京100120)

“大機小網(wǎng)”模式下的調(diào)速系統(tǒng)研究

詹維勇1，王安愛1，楊成財1，李修樹2

(1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南昆明650214；2.水電水利規(guī)劃設計總院，北京100120)

為了整定出適合小電網(wǎng)運行模式下特別的調(diào)節(jié)參數(shù)，根據(jù)果多水電站機組和調(diào)速系統(tǒng)的選型，針對西藏昌都地區(qū)“大機小網(wǎng)”的特點，提出了調(diào)速系統(tǒng)特殊的調(diào)節(jié)規(guī)律、參數(shù)，通過運行考驗，能夠為類似電站提供借鑒。

調(diào)速系統(tǒng)；調(diào)節(jié)規(guī)律；調(diào)節(jié)參數(shù)；果多水電站

1 工程概況

果多水電站位于西藏自治區(qū)昌都市卡若區(qū)柴維鄉(xiāng)境內(nèi)，壩址距離昌都市公路里程約59 km，為扎曲水電規(guī)劃第2個梯級。電站裝機容量160 MW(4×40 MW)，保證出力33.54 MW，年發(fā)電量8.319億kW·h，電站以220 kV兩回和110 kV一回兩級電壓接入昌都電網(wǎng)。2015年12月31日果多水電站首臺(4號)機組正式投入商業(yè)運行，2016年12月果多水電站4臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電。

昌都電網(wǎng)原為孤立電網(wǎng)，2014年11月通過2回500 kV線路(降壓至220 kV運行)與四川電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行，但昌都電網(wǎng)與四川電網(wǎng)連接薄弱，外送電量有限。昌都電網(wǎng)最大負荷出現(xiàn)在冬季約90 MW，夏季昌都本地負荷較小，最高負荷約70 MW。果多水電站機組是目前昌都電網(wǎng)單機容量最大的機組，單臺機組占本地電網(wǎng)容量比例大(占比達50%)，機組在規(guī)模較小的昌都電網(wǎng)下運行，電網(wǎng)拖動能力及抗沖擊能力相對有限，“大機小網(wǎng)”特點顯著，因此整定合適的調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)，達到“大機組”與“小電網(wǎng)”運行的協(xié)調(diào)性和匹配性，是保證電網(wǎng)與機組安全運行的重要保障。

2 機組及調(diào)速系統(tǒng)選型

果多水電站水輪發(fā)電機組由哈爾濱電機廠有限責任公司制造，水輪機型號為HLA1050-LJ-325，發(fā)電機型號為SF40-32/6500。水輪機額定出力為41.5 MW，額定流量為89.97 m3/s，額定轉速為187.5 r/min，比轉速ns=280.3 m·kW，比速系數(shù)K=2 001.7；發(fā)電機出口電壓10.5 kV，額定功率因數(shù)0.85。

調(diào)速器型號為SWT-2000，主配壓閥采用國家專利產(chǎn)品ZFL- 80D，主配直徑為80 mm，油壓裝置型號為HYZ-2.5/4.0，由南京南瑞集團有限公司供貨。調(diào)速器機柜、電柜采用分離布置方式，機械柜布置在水輪機層，電氣柜布置在發(fā)電機層。調(diào)速器電氣部分采用兩套貝加萊公司PCCX20系列32位可編程控制器組成雙冗余容錯控制系統(tǒng)，外加獨立的第三方智能切換PLC(日本歐姆龍)及智能手動綜合控制模塊。調(diào)速器機械部分電液轉換單元采用雙德國BOSCH力士樂公司高性能伺服比例閥冗余模式，其他控制數(shù)字電磁閥均采用德國BOSCH力士樂公司電磁閥，并配置有手動綜合控制模件。調(diào)速器A、B套PCC模塊冗余配置，組成的兩個調(diào)節(jié)器之間通過CAN接口進行通訊，以保證兩個調(diào)節(jié)器之間的信息冗余和相互切換時穩(wěn)定工作。兩個調(diào)節(jié)器具有獨立的電源和獨立的反饋通道，通過兩套PCC的采樣模塊采集信號。兩套PCC同時各自處理采集的信號，一套處于主控模式，一套處于熱備用模式，當其中一套發(fā)生故障或需要檢修時，通過智能切換繼電器使另一套立即自動投入，無擾切換，保持系統(tǒng)工況不變。

3 調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律和調(diào)節(jié)參數(shù)設置特點

3.1 調(diào)節(jié)規(guī)律設置適應“大機小網(wǎng)”的運行要求

在“孤網(wǎng)運行”時，昌都電網(wǎng)容量小、頻率波動較大，存在機組頻繁調(diào)節(jié)、轉速大幅波動，造成機組超速或停機，降低機組運行可靠性和穩(wěn)定性；果多機組占昌都電網(wǎng)容量較大，具有明顯的“大機小網(wǎng)”特點，機組頻率調(diào)節(jié)對電網(wǎng)頻率影響較大，兩者相互影響可能使頻率振蕩發(fā)散，引發(fā)機組事故低油壓、電網(wǎng)運行異常、甚至使電網(wǎng)瓦解等情況。為保證機組和電網(wǎng)的運行穩(wěn)定，需整定合適的調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)，減少調(diào)速器調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)操作的頻繁性和保證調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。通過試驗和借鑒其它工程經(jīng)驗，設置了果多調(diào)速器的調(diào)節(jié)參數(shù)來適應“大機小網(wǎng)”的運行要求。

2015年12月27日，果多水電站開展4號機組調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)建模試驗，對該系統(tǒng)“開度模式”與“孤網(wǎng)模式”之間的自動切換功能進行了校核，在調(diào)速系統(tǒng)微分校核環(huán)節(jié)，現(xiàn)場8次試驗出現(xiàn)3次不正常調(diào)節(jié)情況。

為了解決該問題，果多水電站調(diào)速系統(tǒng)頻率控制PID由“雙微分”控制改為“帶時間常數(shù)的單微分”控制，在控制上進行PID 控制模型的調(diào)整，有利于對控制模型的精準分析，對機組控制和電網(wǎng)運行都有益處。果多水電站機組為常規(guī)混流機組，機組慣性時間大，穩(wěn)定性強，采用帶時間常數(shù)的實際微分環(huán)節(jié)，可以增強微分環(huán)節(jié)的抗干擾能力，更利于機組和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行要求。理論分析和調(diào)速器制造廠家仿真結果為：水輪機發(fā)電機組慣性時間常數(shù)Ta(s)和水輪發(fā)電機組水流慣性時間常數(shù)Tw(s)對于水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)起著十分重要的作用。機組慣性比率定義為Tw/Ta的比值。它反映了兩者的慣性，表達式為R1=Tw/Ta，根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，混流試機組慣性時間常數(shù)Ta的范圍為5.7～10.8 s，平均數(shù)值為8.45 s；水流慣性時間常數(shù)Tw的數(shù)值范圍為0.76～2.48 s，其平均值為1.55 s，混流機組慣性比率R1的數(shù)值范圍為0.08～0.36；平均值為0.183，該數(shù)值越小越穩(wěn)定，上界臨界點為0.4，果多水電站機組滿足基本的穩(wěn)定要求。

在機組空載或孤網(wǎng)運行工況下，頻率波動相對于聯(lián)網(wǎng)或手動，范圍較大，頻率變化率較大。這樣，微分可以起到一定的抑制和超前調(diào)節(jié)作用，使得頻率控制更精準，接力器擺動幅度，主配抽動頻度都將降低。尤其在特殊的工況下，如聯(lián)網(wǎng)、孤網(wǎng)切換瞬間，頻率PT由于接地或者絕緣下降產(chǎn)生干擾等，測頻環(huán)節(jié)會有突變數(shù)值；此時，若在微分環(huán)節(jié)增加一定的時間常數(shù)，即便微分輸出在初始時間有一個尖峰，但其衰減是漸變的。這樣不會引起接力器的大幅波動，也不會造成對主配壓閥閥芯的劇烈沖擊，對調(diào)速器伺服機構和液壓系統(tǒng)都是一個緩慢的調(diào)節(jié)過程。此種帶時間常數(shù)的微分環(huán)節(jié)，既兼顧了首次調(diào)節(jié)的響應速度，起到對頻率變化后的快速抑制和超前動作，也降低了對接力器和主配的沖擊，防止頻率的二次擾動。

3.2 空載模式與負載模式的調(diào)節(jié)參數(shù)設置不同

空載模式為頻率調(diào)節(jié)，跟蹤頻率變化進行調(diào)節(jié)；負載模式為開度調(diào)節(jié)，由監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)脈沖，調(diào)速器跟蹤導葉開度進行調(diào)節(jié)，當頻差大于一次調(diào)頻動作死區(qū)，調(diào)速器進行一次調(diào)節(jié)。

3.3 聯(lián)網(wǎng)與孤網(wǎng)運行模式下調(diào)節(jié)參數(shù)設置不同

昌都電網(wǎng)存在“聯(lián)網(wǎng)運行”和“孤網(wǎng)運行”兩種運行模式，針對不同的運行模式配置不同的調(diào)速器控制參數(shù)。果多調(diào)速器孤網(wǎng)一次調(diào)頻參數(shù)：Kp=1，Ki=0.2，Kd=1，Bp=4%，E=±0.5 Hz，限幅10%；聯(lián)網(wǎng)一次調(diào)頻參數(shù)：Kp=1，Ki=0.2，Kd=1，Bp=4%，E=±0.3 Hz，限幅10%。

目前由于電網(wǎng)運行方式不直接傳遞給電站，需由調(diào)速器自身判斷。果多電站聯(lián)網(wǎng)-孤網(wǎng)判斷邏輯為：“系統(tǒng)頻率大于(50±0.5)Hz，延時1 s調(diào)速器自動轉為孤網(wǎng)模式，調(diào)速器調(diào)用孤網(wǎng)PID參數(shù)；進入孤網(wǎng)調(diào)節(jié)模式后，以30 s為一個周期，若30 s內(nèi)系統(tǒng)頻率小于(50±0.3)Hz的比例大于80%即判斷系統(tǒng)為聯(lián)網(wǎng)，調(diào)速器可自動轉為聯(lián)網(wǎng)模式，調(diào)用聯(lián)網(wǎng)PID參數(shù)”。根據(jù)昌都電網(wǎng)的實際情況，果多電站孤網(wǎng)與聯(lián)網(wǎng)切換采用手動模式，在監(jiān)控系統(tǒng)上設切換按鈕，手動切換開關量。

3.4 與大電網(wǎng)系統(tǒng)下的調(diào)速系統(tǒng)運行參數(shù)設置不同

通過“調(diào)速器參數(shù)建模”和“一次調(diào)頻”實驗，調(diào)試時將調(diào)速器負載PID參數(shù)Kp、Ki、Kd由內(nèi)地大網(wǎng)常規(guī)的“8、8、1”或“4、3、1”調(diào)整為“1、0.2、1”，降低一次調(diào)頻調(diào)節(jié)速率、提高調(diào)頻的穩(wěn)定性。為避免機組調(diào)速器頻繁調(diào)節(jié)，現(xiàn)場調(diào)試時“聯(lián)網(wǎng)”一次調(diào)頻死區(qū)由0.05 Hz調(diào)整為0.3 Hz，“孤網(wǎng)”一次調(diào)頻死區(qū)由0.2 Hz調(diào)整為0.5 Hz。

3.5 過速邏輯判斷設置不同

果多水電站一級過速保護在傳統(tǒng)的“115%Ne+導葉空載開度以上+主配拒動”判斷邏輯基礎上增加“頻升過速”信號，避免機組一級過速保護誤動造成機組緊急停機出口動作、電網(wǎng)功率缺額，對系統(tǒng)運行造成較大影響，保證了在極端情況下保電網(wǎng)和穩(wěn)電網(wǎng)的作用。

2016年4月，西藏地區(qū)某電站曾發(fā)生“機組一級保護動作”事故。為了防止發(fā)生此類事故，果多電站增加“頻升過速”信號，避免機組一級過速保護誤動。故障狀態(tài)下昌都電網(wǎng)由“聯(lián)網(wǎng)運行”轉為“孤網(wǎng)運行”或“遠方甩負荷”時，孤網(wǎng)內(nèi)機組轉速可能快速上升至115%以上，在圖1所示的調(diào)節(jié)情況下，機組一級過速“115%轉速+主配拒動+空載開度以上”(“主配拒動”信號為“調(diào)速器主配非關位”的位置節(jié)點信號)存在誤動的可能性，當機組轉速開始下降但仍然高于115%時(即處于b點和c點之間)，由于調(diào)速器PID調(diào)節(jié)特性和空載開度的設置，導葉在空載以上開度，這時主配壓閥位置可能在非關位(如t2時間點)，而導致機組一級保護動作條件滿足，機組緊急停機出口動作，電網(wǎng)功率缺額，對系統(tǒng)運行造成較大影響。

圖1 機組一級保護動作曲線

果多水電站調(diào)整機組一級過速保護為“115%轉速+主配拒動+空載開度以上+頻升過速”，即要求一級過速保護出口時同時判斷機組頻率在0.5 s內(nèi)上升應大于1.1 Hz。在圖1中t1點不會被“頻升過速”閉鎖，t2點則可閉鎖，避免誤動的同時不會導致一級過速的拒動，在極端運行工況下可保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

4 運行考驗

2016年8月20日～9月28日，川藏聯(lián)網(wǎng)220 kV塘瀾雙線首檢同停，昌都電網(wǎng)轉入孤網(wǎng)運行。與前幾年昌都電網(wǎng)孤網(wǎng)下的頻率波動(50±0.5)Hz相比，2016年孤網(wǎng)下的昌都電網(wǎng)頻率波動最大為(50±0.2)Hz。至此，果多水電站經(jīng)過了8個多月聯(lián)網(wǎng)運行和1個多月孤網(wǎng)運行的考驗，調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定、調(diào)節(jié)正常。運行實踐表明果多水電站調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)設置和改進措施能適應昌都電網(wǎng)“大機小網(wǎng)”、“聯(lián)網(wǎng)模式”、“孤網(wǎng)模式”的運行要求，凸顯了果多水電站在昌都電網(wǎng)中的基石作用，發(fā)揮了調(diào)速系統(tǒng)應有的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定作用。

5 結 語

針對昌都電網(wǎng)“大機小網(wǎng)”的特點，考慮到昌都電網(wǎng)與四川電網(wǎng)連接薄弱等實際情況，借鑒藏區(qū)類似電站的運行經(jīng)驗和教訓，果多水電站在調(diào)速系統(tǒng)上采取的一系列措施，包括調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)整、空載與負載條件下的調(diào)節(jié)參數(shù)的區(qū)別對待、孤網(wǎng)與聯(lián)網(wǎng)下的調(diào)節(jié)參數(shù)區(qū)分對待等，對電網(wǎng)和電站的穩(wěn)定運行積極有效；保證了機組和小網(wǎng)運行的穩(wěn)定，摸索和探索積累的經(jīng)驗也可為今后類似運行電站提供借鑒意義。

[1] 沈祖詒, 水輪機調(diào)節(jié)[M]. 3版. 北京: 中國水利水電出版社, 1998．

[2] 魏守平. 現(xiàn)代水輪機調(diào)節(jié)技術[M]. 武漢: 華中科技大學出版社, 2002．

[3] 蔡燕生. 王劍鋒, 孟憲影. 現(xiàn)代水輪機調(diào)速器及其調(diào)整與試驗[M]. 北京: 中國電力出版社, 2012．

[4] 李修樹. 西藏地區(qū)水輪機選型設計的幾個主要問題探討[J]. 水力發(fā)電, 2011, 37(4)： 82- 84．

[5] 凌光達, 陳炳森, 玉一宏. 水輪機微型調(diào)速器PID調(diào)節(jié)規(guī)律及參數(shù)整定[J]. 水利水電技術, 2009, 40(6)： 30- 32．

[6] D L/T 1245—2013 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術導則[S]．

ResearchofGovernorSystemundertheModeofLarge-capacityGeneratorandSmall-capacityPowerGrid

ZHAN Weiyong1, WANG Anai1, YANG Chengcai1, LI Xiushu2

(1. Huaneng Lancang River Hydropower Co., Ltd., Kunming 650214, Yunnan, China;2. China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China)

In order to set out the special regulation parameters suitable for the operation mode of small-capacity power grid, the regulation rules and parameters of governor system in Guoduo Hydropower Station are proposed based on the type selections of hydro-generators and governor system and the characteristics of large-capacity generator and small-capacity power grid in Changdu area of Tibet. The actual operation of Guoduo Hydropower Station has proved the selection of regulation rules and parameters of governor system. The practice can be as reference for similar hydropower stations．

speed regulating system; regulation law; regulation parameter; Guoduo Hydropower Station

TM761

A

0559- 9342(2017)09- 0070- 03

2016- 12- 21

詹維勇(1973—)，男，云南沾益人，高級工程師，主要從事水電工程建設管理工作．

(責任編輯高 瑜)