加蓬大布巴哈水電站孤網運行及調速器系統調試

喬 濤

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明650032）

1 加蓬大布巴哈電站情況概述

加蓬大布巴哈電站位于加蓬奧果韋河上，距離弗朗斯維爾（加蓬第三大城市）直線距離15 km，電站安裝4臺45.76 MW混流式水輪發電機組。電站主體工程有大壩、廠房、引水隧洞、調壓塔、進場公路；一條45 km 220 kV輸電線路與220/63 kV莫安達變電站連接，單獨向COMILOG錳礦廠供電；一條24 km的63 kV輸電線路與弗朗斯維爾擴建63 kV變電站連接，可向弗朗斯維爾供民用電。

非洲加蓬大布巴哈電站工程屬于EPC項目，由中水十四局負責工程的設計、采購、建設、安裝、調試、運行維護工作。工程2008年11月15日正式開工，于2010年11月3日順利完成截流，并于2013年4月30日完成下閘蓄水，2013年8月5日廠房4臺機組全部完成72 h空載試運行調試，2013年12月5日開始并網帶小負荷發電向錳礦廠提供調試電源，2014年3月正式運行。

同與弗朗斯維爾變電站連接的還有當地電力公司SEEG運行的小布巴哈水電站，該電站裝機容量為4×5.8 MVA+2×11.6 MVA，可在弗朗斯維爾變電站與大布巴哈電站并網運行。

目前，大布巴哈電站機組長期負荷在10～50 MW區間內運行。由于錳礦廠的負荷特性主要為感性負載而且未合理的配備和投入無功補償裝置，現大布巴哈電站需啟動兩臺機組才能基本抵抗住負荷端的無功沖擊，每臺機組基本長期在5～25 MW的負荷區間和0.65～0.8的功率因數區間內低負載低功率因數運行，這對機組安全穩定運行極為不利。

2 孤網運行的概念

孤網是獨立電網的簡稱，一般泛指脫離大電網的小容量電網。我國規定電網中單機容量一般應小于電網總容量的8%，以保證當該機組發生甩負荷時，不影響電網的正常運行。如果電網中的機組調速系統都正常投入，一旦失去小于電網總容量的8%的1臺機組，電網失去的功率可以暫時由網中其他機組承擔，保證電網頻率下降不超過0.2 Hz，轉速下降不超過12 r/min，對供電質量的影響仍在運行規程規定范圍內。因此，一般情況下，稱最大單機容量小于電網總容量的8%的電網為大電網，反之稱之為小網，孤立運行的小網稱為孤網。

大布巴哈電站單機容量為45.76 MW，在與小布巴哈電站并網運行時，大布巴哈電站單機容量約占系統容量的20%，屬于小網運行。由于小布巴哈電站僅在其容量不滿足弗朗斯維爾民用電負荷時才通過弗朗斯維爾變電站聯絡斷路器合閘與大布巴哈電站并網運行，其余大部分時間大布巴哈電站獨立運行向COMILOG錳礦廠供電，單機容量占系統容量的25%，形成典型的孤網運行。

3 孤網運行調速器系統特點

在大電網運行的發電機組，允許的頻率偏差為±0.2 Hz，調度給定負荷，調速器通過功率給定調整導葉開度，并比較機組頻率和電網頻率進行PID調節，跟蹤電網頻率，使機組保持穩定頻率輸出給定功率。由于大電網頻率及負荷穩定，調速器控制動作頻率較低。

調速器控制原理見圖1。

圖1 調速器控制原理圖

孤網運行的最大特點是沒有調度分配負荷，大布巴哈水電站孤網運行時單獨向COMILOG錳礦廠供電，因而負荷大小及功率因數全部由錳礦廠的生產設備投入情況決定。調速器不能通過負荷控制，也不能跟蹤電網頻率（電網頻率即是本機組頻率或是本電站其他機組頻率），只能通過跟蹤給定頻率進行導葉控制。要求調速器系統具有符合要求的靜態特性、良好的穩定性、迅速的動態響應特性，以保證在用戶負荷變化的情況下自動保持電網頻率的穩定。

其中：Fj機組頻率，Fg為頻率給定值。

通過對頻率差值進行PID運算后，得到一個與該差值所對應的開度輸出信號，經過開度限制環節輸出到液壓隨動系統來控制導葉的開度，導葉的開度經AD轉換后與PID調節器的輸出信號進行綜合比較，放大輸出，直到調整輸出信號和導葉開度所對應的信號之差為零。

4 孤網運行調速器系統參數

大布巴哈電站孤網運行，單獨對錳礦廠供電，機組調速器的運行參數設置需根據錳礦廠的用電特點進行調整，錳礦廠設備投退頻繁，用電負荷經常短時間內出現多次較大波動（超過單臺機組容量的25%），對調速器系統的動態響應特性有較高的要求，每次用戶設備投退造成負荷波動時都要求調速器迅速穩定電網頻率。經過多次試驗及運行過程觀察，對調速器系統參數進行了整定。

4.1 負載頻率PID調節永態轉差系數Bp

調速器靜特性，是在平衡狀態下，調速器轉速n和接力器行程Y之間的關系，即Y=f（n），其靜特性的斜率就是永態轉差系數Bp。國家標準要求靜特性曲線應近似為直線，其最大非線性度不超過5%，當靜特性近似為直線時，Bp的數學表達式為：

式中：

nmax——機組在空載時的轉速；

nmin——機組在額定出力時的轉速；

ne——機組額定轉速。

機組調速器Bp=6.3%時靜特性曲線見圖2。

圖2 Bp=6.3%調速器靜特性曲線圖

將式（1）轉換為頻率表達：

式中：

fmax——機組在空載時的頻率；

fmin——機組在額定出力時的頻率；

fe——機組額定頻率。

將圖2數據代入式（2）得出：

由圖可知：ΔY=100%。

因而Bp=6.3%時頻率與導葉開度的關系為：3.15 Hz的頻率變化對應了100%的導葉開度變化。

在大電網運行的水輪發電機組Bp一般設置為6%左右，大布巴哈水電站調速器Bp調整范圍為：0～10%。為滿足動態響應迅速的要求取較小值1%，即0.5 Hz的頻率變化對應100%的導葉開度變化，在出現負荷波動時迅速穩定電網頻率。

4.2 機組開關機時間

關閉機組進水蝶閥，采用調速器仿真儀測試開（導葉開度由 0～100%）關（導葉開度由 100%～0）機時間。

開關機試驗曲線見圖3。

圖3 開關機試驗曲線

圖3 中：

開機時間：94.1-84.05=10.05 s；

關機時間：109.35-99.10=10.25 s；

第一段關閉時間：101.75-99.10=2.65 s；

第二段關閉時間：109.35-101.75=7.6 s；

開方向分段點：75.08%；

關方向分段點：48.30%。

現場通過調整節流閥流量，多次試驗，將4臺機組開關機時間均調整為10～12 s之間。

通過按緊急停機按鈕停機時，導葉關閉不通過分段關閉閥，由100%直接關到0%，現場4臺機組均調整為9～10 s之間。

4.3 PID調節參數設置

PID控制器根據系統的偏差利用比例、積分、微分計算出控制量對導葉開度進行控制，其中偏差是給定頻率值減去系統輸出頻率反饋值，PID控制器是線性控制器，組成如圖1，PID控制器的控制規律如式（3）。

式中：

e（t）——t時刻的輸入偏差值 ΔF（t）；

KP——比例系數；

TI——積分時間常數；

TD——微分時間常數。

（1）比例系數KP作用是加快系統的響應速度，提高系統的調節精度。當給定頻率與系統輸出頻率反饋值之間出現偏差時，比例控制就會發出Yp信號，增大或減小導葉開度，使偏差向減小方向調整，比例系數KP越大，則它的作用也越強，比例控制雖然反應快，但是當偏差很小時，它的調節作用就比較慢，KP取值過小，會降低對偏差的靈敏度及調節精度，使系統響應速度慢，不符合大布巴哈電站運行要求。但KP取值過大，系統雖然調節精度高，反應速度快，但是會產生超調，動態性能變壞，系統容易不穩定。

大布巴哈電站調速器KP的設定范圍為：0.5～20。經過多次試驗調試，設定 KP=4.8～5.2，用于帶變動負荷調頻的機組設為5.2，迅速根據負荷變動調整機組出力。用于帶穩定負荷的機組設為4.8，負荷波動時反應滯后于調頻機組。

（2）積分系數KI作用是減小并消除系統的穩態誤差。積分的控制作用是可以記憶給定與輸出的偏差，并隨著時同的累積，積分作用隨之加強，減小了小偏差的存在，能夠消除系統的穩態偏差，在調節過程中，積分系數KI雖然能夠消除穩態偏差，但是也不能過大，否則在單極性偏差長時間存在情況下將出現積分飽和現象，容易使系統出現較大的超調量，同時也不能過小，否則不能消除穩態誤差，還影響調節準確度。

大布巴哈電站調速器KI的設定范圍為：0.05～10 s-1。經過多次試驗調試，設定 KI=0.5～0.6 s-1。

（3）微分系數KD作用是改善系統的動態性能。微分控制信號有預測和超前的特點，它能夠很快的感覺到偏差的變化，從一定程度上代表了偏差變化的速度，在系統脫離平衡位置前，它就會給出控制。它能夠減小超調量，增加穩定性，使系統調節時間減小，但是它的敏感性使它抗干擾能力差，同時微分增益過大時，在給定突變情況下會出現微分飽和。

大布巴哈電站調速器KD的設定范圍為：0～10 s。經過多次試驗調試，設定KD=0～0.05 s。

4.4 頻率調節死區（人工失靈區域）

頻率調節死區是指人工給定一個頻率偏差E，當給定頻率與系統輸出頻率反饋值之差的絕對值大于E時，調速器才開始動作進行頻率調節。當電網經常出現小負荷波動時給定較大的E值可以減少調速器控制閥動作的頻率。

大布巴哈電站的頻率調節死區范圍為：0～±1.5%nr即±0.75 Hz。

（1）單臺機組運行時為使電網頻率保持在50±0.2 Hz將頻率調節死區設置為0.2 Hz。

（2）兩臺機組并列運行時，由于電網頻率就是電站機組頻率，為避免負荷波動時兩臺機組同時進行頻率調節，負荷在兩臺機組間來回轉移，造成頻率震蕩。所以兩臺機組必須設置不同的頻率調節死區，調頻機組設置為0.2 Hz，帶穩定負荷機組設置為0.5 Hz，當電網出現小負荷波動時主要由調頻機組穩定頻率。

（3）同理，在其他并列運行情況下，如3臺或4臺機組并列運行，同樣將頻率調節死區設置為不同值，以區分各機組進入頻率調節的先后順序。

5 小網運行狀態調速器系統的特殊設置

通過弗朗斯維爾變電站與大布巴哈電站電網連接的小布巴哈電站，在其容量不滿足弗朗斯維爾民用電負荷時會通過弗朗斯維爾變電站聯絡斷路器合閘與大布巴哈電站并網運行。由于小布巴哈電站建于20世紀70年代，設備陳舊，其調速器系統的動態響應特性與大布巴哈電站有較大差距，當電網負荷降低時，小布巴哈電站機組頻率出現抬高，并較長時間不能回歸到額定值，造成電網頻率抬高（峰值達51 Hz）。大布巴哈機組為將電網頻率調整到給定頻率（50 Hz）不斷降低機組出力，最終造成機組逆功率，逆功率保護動作，事故停機。大布巴哈電站機組在小網運行時多次出現逆功率事故停機，事故記錄曲線見圖4。

圖4 機組逆功率事故停機

為避免與小布巴哈并列運行時出現機組逆功率事故停機，我方技術人員到小布巴哈電廠進行了多次考察，發現小布巴哈電廠運行頻率經常保持在50.2 Hz左右，而且頻率升高后調速器調節緩慢，經常在較高頻率下持續運行2 min以上。

針對以上情況，大布巴哈電站通過研究討論制定了以下措施：

（1）并列運行時手動調整頻率給定（Fg）設定為50.2 Hz；

（2）并列運行時人為降低大布巴哈電站機組調速器的調節靈敏度，將頻率調節死區設置為0.4 Hz，將永態轉差系數Bp設置為6%；

（3）并列運行時運行人員加強監控，一旦小布巴哈連接的弗朗斯維爾線路出現較大逆功率，為避免機組事故停機，提前手動進行解列操作，并及時與小布巴哈電廠溝通解列原因。

以上措施執行后，大布巴哈機組并列運行時出現逆功率事故停機的幾率大大減小，保證孤網模式正常運行的概率也提高了。

6 結語

孤網運行電站的負荷全部由用戶決定，電網頻率調節工作全部由電站水輪機調速器承擔。因而對電站機組調速器的動態響應特性及電站并列運行各臺機組調速器的配合有較高的要求。鑒于COMILOG錳礦廠負荷突變大的特點，進一步選擇調速器最優調節規律及PID調節參數，保證孤網模式正常運行，兼顧考慮調節過程與保護配置關系，能確保機組不停機。需要運行調試人員在試驗及運行過程中不斷觀察調整、分析改進，才能減少事故停機出現的幾率，提高供電質量及電網運行的穩定性。