合面獅電站孤網運行試驗研究

鄔廷軍，馮 林

（1.東方電氣自動控制工程有限公司，四川 德陽 618000；2.合面獅水力發電廠，廣西 賀州 542899）

1 引言

合面獅電站位于廣西東部賀江中游，為廣西桂東電力股份有限公司的一個區域性電網的骨干電站。電站共裝機4臺20 MW軸流轉槳式機組，其中，電站3號、4號機組調速器為我公司改造設備。由于電站的實際需要，經常存在機組輸出電網的切換,在輸出電網切換過程中，電站機組需要在孤網工況維持足夠長時間的穩定運行。為此，機組孤網運行試驗是此次調速器改造合同必須進行的重點試驗項目。改造前，電站機組調速器在自動孤網工況一直無法穩定運行。改造后，在首次單機孤網運行試驗過程中出現機組頻率發散振蕩，其頻率波動達到45～55 Hz，最終導致試驗失敗。通過對被控對象的仔細分析，找到了導致機組頻率發散振蕩的原因，提出了相應解決方案，并最終通過孤網運行試驗驗證了方案的可行性，解決了雙調機組調速器帶孤立負荷運行的穩定性問題。

2 軸流轉槳式機組槳葉控制對頻率穩定運行的影響

軸流轉槳式水輪發電機組在負荷調節過程中需要同時對導葉與輪葉位置進行調整，在滿足電網負荷要求的前提下使機組在當前運行水頭下的效率最高而振動最小，機組功率輸出達到最大值。為此，導葉與輪葉位置之間應滿足水輪機在不同水頭下所要求的協聯關系。在某一水頭下，槳葉位置固定時機組功率輸出與導葉開度之間的關系如圖1所示，圖中標示點為最優運行點。在機組最優運行點，隨做導葉開度的增加，由于機組效率的降低機組功率輸出不是增加而是隨之減小。

圖1 槳葉位置固定時機組功率與導葉開度關系曲線

鑒于軸流轉槳式水輪機特性，水輪機槳葉與導葉位置調整速度間存在顯著差異，通常槳葉接力器全開/全關整定時間是導葉的5～6倍，電站3號、4號機導葉與槳葉開關機時間實際整定值見表1。當機組帶孤立負荷運行時，當擾動導致機組頻率降低而需增大機組導葉開度時，由于調節速度的巨大差異就會導致導葉與輪葉位置失去協聯關系，此時，調速器繼續增大導葉開度不僅不會增大機組出力，反而會由于效率的降低使機組出力下降，機組頻率也隨之降低，致使機組導葉繼續增加，這時調速器對機組轉速的控制實際上變為了一個正反饋過程，這對控制系統的穩定性而言是必須要避免的，否則，調速器對水輪機導葉的控制很容易失去穩定而振蕩；反之，當由于擾動導致機組頻率升高而減小機組導葉開度時，機組功率輸出便會隨導葉開度的減小而降低，對機組頻率的控制則始終為一負反饋過程。當機組并入大網運行時，由于電網的作用，機組功率輸出的變化幾乎不會引起機組頻率的波動。

表1 3號、4號機組導葉與輪葉整定時間

通過以上分析可以看出，軸流轉槳式水輪發電機組帶孤立負荷運行時，必須考慮輪葉控制對機組轉速穩定性的影響，僅僅通過調整調速器控制系統PID運行參數方式難以滿足機組穩定運行要求，需要從控制策略上考慮消除增大導葉開度時出現的正反饋過程。

3 調速器控制策略修改

基于上述分析，確認了調速器首次孤網運行試驗失敗的原因。為確保軸流轉槳式水輪發電機組帶孤網負荷運行的穩定性要求，調速器控制系統從控制策略上進行了相應修改與完善。當機組處于孤網運行時增加了導葉在開啟方向的速度限制，且導葉開啟速度能夠根據輪葉位置變化速度自動調整，可以確保機組處于孤網運行時導葉與輪葉在開啟方向始終保持協聯關系，使機組處于最優工況運行，從而消除了機組在導葉開啟方向可能產生的正反饋作用，調速器從控制策略上避免了機組轉速控制的不穩定因素，為軸流轉槳式水輪發電機組孤網穩定運行打下了基礎。

文獻[2]中提到了一種對軸流轉槳式水輪發電機組在孤網運行時槳葉采用分段分檔運行的控制策略,以滿足機組頻率控制穩定性的要求，對軸流轉槳式機組調速器而言不是一種理想的適用性較好的解決方案。

4 調速器控制參數的整定

影響軸流轉槳式水輪發電機組孤網穩定運行的因素除了調速器控制系統的控制策略外，調速器控制系統PID控制參數的整定對機組孤網運行的穩定性與調節品質同樣至關重要，文獻[3]對此進行了詳細的分析研究。

鑒于被控對象的時變與非線性特性，且被控對象為一非最小相位系統，因此，通常很難通過被控對象建模仿真計算的方式獲得理想的調節參數。電站孤網運行試驗時，也可能無法進行負荷擾動試驗對調節參數進行整定和優化。因此，在電站機組孤網運行參數整定方面，通常簡單可行的方法是根據機組空載運行參數確定孤網運行調節參數的初始設定值，再通過機組帶廠用電情況下的頻率擾動試驗進行驗證與調整，最后通過實際孤網帶負荷運行試驗進行微調。

此外，當實際孤網試驗條件不具備時也可依據IEC 60308、GB/T 9652.2標準推薦的方法，采用孤網仿真試驗作為中間試驗方法，驗證、優化調速器PID調節參數。

參考機組空載運行PID調節參數，電站3號、4號機組孤網運行時調速器PID參數最終整定結果見表2所示。

表2 3號、4號機組單機孤網運行參數整定結果

5 現場試驗結果

在電網允許的情況下，經過充分的準備工作，再次分別進行了4號機組單機孤網運行與3號、4號機組雙機孤網運行測試試驗。首先進行了4號機組單機孤網帶12 MW負荷運行測試試驗，試驗方法為機組在大網帶穩定負荷運行時通過切換線路開關方式直接轉換為帶孤立負荷運行，以檢驗機組能否維持足夠長時間的穩定運行。在機組輸出電網切換后，調速器通過檢測機組頻率波動自動切換到孤網運行模式，調速器控制策略及PID調節參數自動進行相應切換。試驗持續時間約15 min，試驗結果頻率波動范圍為：-0.3～0.3 Hz，較好地達到了預期的試驗效果，驗證了調速器控制策略修改與PID控制參數整定的有效性，試驗錄波曲線見圖2所示。通過分析，適當減小了調速器孤網調節的人工頻率死區，隨后進行了3號、4號機組雙機帶孤網運行試驗。由于電網負荷約為18 MW，為避開機組運行振動區，試驗時根據電網負荷分配3號機帶約2. 5 MW、4號機帶約15.5 MW運行，試驗方法同上，試驗持續時間同樣約15 min，試驗結果頻率波動范圍為：-0.2～0.2 Hz，試驗取得圓滿成功，滿足了電站機組孤網運行的穩定性要求，試驗錄波曲線見圖3所示。

圖2 4號機單機孤網試驗曲線

圖3 4號機雙機孤網試驗曲線

由于電網原因，現場孤網試驗時未進行負荷擾動試驗。然而，從試驗錄波曲線上可以看出，在單機帶孤網負荷運行試驗中途和雙機帶孤網負荷運行試驗的開始時段均存在一定大小的負荷突變，可以間接驗證負荷擾動時調速器控制系統的穩定性。

通過試驗結果分析，可以確認調速器通過對控制策略的修改和調節參數的優化后完全滿足電站機組孤網運行時的頻率穩定性控制要求，試驗結果得到了用戶的認可，較好地實現了此次電站調速器改造工作目標。

6 結語

由于電站機組孤網運行試驗相對較少，特別是對于軸流轉槳式等雙調節機組而言，可供借鑒的經驗更少。本文結合合面獅電站軸流轉槳式機組孤網運行試驗難得的機會，從調速器控制策略方面分析了軸流轉槳式機組孤網運行時頻率發散振蕩導致試驗失敗的原因，提出了相應的控制策略修改，以及控制參數整定的可行方法，并通過再次試驗驗證了調速器控制策略修改及控制參數整定的有效性，試驗最終取得成功，對軸流轉槳式等雙調節機組調速器在孤網控制策略的設計與孤網調節參數的整定方面具有重要的借鑒和指導意義。