巨型水輪發電機組有功波動分析及優化建議

冉鄂渝，徐長明，嚴玉明

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

水輪機調速器的作用是保證水輪發電機的頻率穩定、維持電力系統負荷平衡，并根據操作控制命令完成各種自動化操作，是水電站的重要基礎控制設備。它的安全可靠程度對水輪發電機有著舉足輕重的影響。然而在實際的運行過程中，水電站調速器非常容易出現有功波動的現象。本文對水電站調速器有功功率波動的問題進行了分析，并針對問題提出了優化建議。

1 有功調節概述

目前，左岸電站有功調整方式有兩種，即開度模式和功率模式。開度模式是在監控系統上形成功率調節閉環，即監控系統設定有功功率給定值后，調速器接收監控系統開出的脈沖，進行導葉調節，由監控系統根據功率反饋值進行有功閉環調節。功率模式是在調速器控制系統上形成功率調節閉環，即調速器收到監控系統下發有功功率給定值后，以調速器自身采集到的有功功率反饋形成功率調節閉環。

有功調節工作原理：

（1）開度模式下，監控實時對功率反饋與有功給定值進行比較，當偏差超過功率死區時，監控系統將其偏差值進行計算輸出調節脈沖寬度，通過增減繼電器以脈沖量的形式下發給調速器系統。如圖1 所示，以液壓執行機構為步進電機為例，調速器將增減脈寬時間換算為導葉開度變化量△y 與Ypid 疊加計算出開度給定值。調速器實時對開度反饋值與開度給定值進行比較計算出開度偏差（大環），根據其偏差控制步進電機正反轉，步進電機正反轉帶動引導閥上下移動，引導閥帶動主配上下移動，主配電氣反饋也會與主配給定形成主配的閉環調節（小環），最終控制接力器開啟、關閉，以達到有功調節的目的[1]。

（2）功率模式下（如圖2），調速器系統收到監控系統下發的有功給定，有功給定與有功反饋的差值再疊加△f/EP 計算出開度給定值。同理，最終控制接力器開啟、關閉，以達到有功調節的目的。

2 引起機組有功波動的原因

有功出力的計算公式如下：

式中：Pn為有功出力，單位MW；Q為過水流量，單位m3/s；H為水頭，單位m。

由上述計算公式[2]可得，直接影響機組有功出力的因素有過水流量Q、水頭H。而過水流量Q的大小取決于導葉開度Y 的大小，故引起機組有功波動的原因主要包括：（1）水頭H波動；（2）導葉開度Y波動；（3）其他原因。

2.1 水頭H 波動

水頭H的變化會直接影響機組的有功調節性能。在較高的水頭條件下，有功調節的速度變快，容易造成超調；相反，在較低水頭下，有功調節速度變慢，容易造成超時。

（1）水頭H=上游水位-下游尾水管水位，由于三峽電站的水庫的容量較大，上游水位變化速率較小，故上游水位不會出現大幅度變化的情況；

（2）當水頭H較大時，由于最初的安裝工藝不足，尾水管處可能出現水力振動，從而造成有功波動，該原因與調速器自動調節無關；

（3）水頭傳感器測量波動，也會造成水頭H波動，進而造成有功波動。

2.2 導葉開度Y 波動

由上文可知，導葉開度Y波動可直接引起功率波動，而引起導葉開度Y波動的原因有很多，主要包括以下幾個方面：

（1）主接傳感器測量故障；

（2）主配傳感器測量故障；

（3）功率傳感器測量故障；

（4）主配機械零點漂移；

（5）監控系統下發增減命令的繼電器發生粘連；

（6）有功給定應答機制邏輯不合理。

2.2.1 主接傳感器測量故障

主接傳感器的測量準確性直接影響導葉的閉環調節。其中，主接傳感器測量環節異常情況如下：

（1）若主接傳感器測量值偏大，則會導致實際導葉開不到位，進而導致有功調節不到位。

（2）若主接傳感器測量值偏小，則會導致實際導葉開度大于導葉開度給定，若此時功率反饋與功率給定值的差值大于功率調節死區，功率閉環調節會將導葉開度拉回，調速器頻繁重復上述過程，造成功率頻繁調節。

（3）若主接傳感器測量值自身存在波動，則會導致導葉開度閉環調節進行誤調節，使導葉開度產生波動，進而影響有功波動。

（4）若主接傳感器測量值保持在某個值不變化，則程序內部判斷導葉開度始終未調整到位，便會使導葉單方向調節，雖然功率閉環會將導葉開度拉回，但是一旦導葉變化速度過快，功率閉環拉不回，則會導致機組有功過負荷、機組過速等事故發生。

2.2.2 主配傳感器測量故障

主配的主要功能是控制導葉的開啟與關閉，當主配閥芯處于套筒上部時，可通過相應的油路控制導葉開啟，反之主配閥芯處于套筒下部時，可通過相應的油路控制導葉關閉。主配傳感器測量波動情況如下：

（1）若主配傳感器測量值偏大，即主配處于偏關位置，則會導致導葉有向關方向的趨勢，一旦開度給定與開度反饋的差值大于開度調節死區，則開度閉環調節又會將導葉往開方向調節，如此反復調節造成導葉開度波動，有功功率便隨著導葉開度的波動而波動。

（2）同理，若主配傳感器測量值偏小，即主配處于偏開位置，則會導致導葉有向開方向的趨勢，一旦開度給定與開度反饋的差值大于開度調節死區，則開度閉環調節又會將導葉往關方向調節，如此反復調節造成導葉開度波動，有功功率也會隨著導葉開度的波動而波動。

（3）若主配傳感器測量值自身存在波動，則會導致主配閉環進行誤調節，使開度產生波動，進而使有功波動。

（4）若主配傳感器測量值保持在某個值不變化，則程序內部判斷主配閥芯始終未調整到位，便會使主配單方向調節，導致導葉開度單方向調節，雖然功率閉環會將導葉開度回調，但是導葉開啟速度過快，則會導致機組有功過負荷、機組過速等事故發生。

2.2.3 功率傳感器測量故障

功率傳感器的主要功能是實時采集功率信號送至調速器用于有功閉環調節，功率傳感器測量波動勢必會影響機組有功波動。其波動情況下：

（1）若功率傳感器測量值偏大，則會導致無法將有功調整至給定值。

（2）若功率傳感器測量值偏小，則會導致程序判斷有功調整到位后，實際有功超調或者越限。

（3）若功率傳感器測量值自身存在波動，則會導致功率閉環進行誤調節，使有功產生波動。

（4）若功率傳感器測量值保持在某個值不變化，則程序內部判斷有功功率始終未調整到位，便會單方向調節導葉，情節嚴重會導致機組有功過負荷、機組過速等事故發生。

2.2.4 主配機械零點漂移

主配機械零點漂移導致有功波動與上文介紹的主配傳感器故障的（1）（2）一致，在這里不再贅述。

2.2.5 增減命令繼電器粘連

增減命令繼電器用于接收監控系統下發的有功增減命令（脈沖信號），繼電器收到脈沖信號后線圈勵磁，將增減信號送至調速器，以控制導葉的開啟與關閉，從而達到有功調節的目的。若繼電器發生粘連的情況，則調速器一直會收到增（減）信號，控制導葉一直開，使有功功率一直增大。

左岸調速器系統的程序做了防繼電器粘連功能，程序設計最多只接收3S 的脈沖，若超過3S，則需重新下發脈沖。該功能可解決因增減繼電器粘連造成有功波動的問題。

2.2.6 有功給定應答機制邏輯不合理

監控系統設置了有功給定應答機制，其邏輯為：監控系統下發有功給定至調速器，調速器需將自身接收到的有功給定反饋給監控系統，并確認調速器收到監控系統下發的有功給定值是否正確，若其差值超過設置的閾值，則會報有功應答故障。

調速器配合監控系統應答機制所做的策略為：將監控系統下發的有功給定先進行濾波，然后再將濾波后的值返送至監控系統。此策略存在一個問題，譬如，監控系統下發有功給定從200 MW 至500 MW，調速器經過濾波后再返送至監控系統的值可能為400 MW，而非500 MW，則監控系統便會報有功應答故障。如圖3 所示。因此需將調速器返送至監控的有給定值取消濾波處理。如圖4 所示。

圖3 有功應答機制示意圖（修改前）

圖4 有功應答機制示意圖（修改后）

3 有功波動案例分析

（1）現象描述

2019 年10 月12 日10 時33′50′左右，運行人員將06F 機組調速器切B 套運行時，出現機組功率波動現象，功率最大值達到766.67 MW,如圖5 所示，10 時34′35′′左右運行人員將調速器切至A 套運行，機組功率穩定在670 MW 左右，未再出現功率波動情況。

圖5 06F 機組有功功率波動趨勢圖

（2）原因分析

如圖6 所示，通過現場檢查發現調速器B 套主配中位傳感器采樣值存在異常情況，此時主配閥芯位置應處于中位，應接近零點設置（16950），而采樣值為20019，可初步判斷引起本次有功波動的原因為主配傳感器故障或主配機械零點漂移，為進一步確認有功波動原因，將主配傳感器拆下來進行校驗，校驗結果顯示：量程為4～20 mA 的主配傳感器采樣電流超過12 mA 后，傳感器輸出電流值保持在12 mA，不再往上線性變化。

圖6 6F 機組調速器B 套數據一覽

由此，可斷定引起本次有功波動的原因為主配傳感器故障。

（3）優化建議

由前文可知，引起本次有功波動的原因為主配傳感器故障，而該故障信號未作故障處理，運維人員便很難發現其故障并對其進行維護。故應新增該故障信號的報警邏輯。建議報警邏輯如下：調速器B套備用時，將主配采樣值與零點設置值（16950）進行比較，若其差值超過設定的閾值，則報主配傳感器故障。另外，可再增加一套主配傳感器，增加容錯率。

4 結語

水輪發電機組的有功波動對水電站以及電網安全運行影響較大，應采取有效的預控措施盡量避免該類故障的發生，因此對有功波動的原因梳理顯得至關重要，只有明確了有功波動的具體原因，才能采取有效的措施解決有功波動問題。

本文就某電站機組有功調節原理以及引起機組有功波動的原因進行詳細的闡述，可將其波動原因歸結為兩個方面：（1）水頭波動引起有功波動，水頭h的變化會直接影響機組的有功調節性能；（2）開度波動引起有功波動，引起開度波動的原因有：①主接傳感器故障；②主配傳感器故障；③功率傳感器故障；④主配機械零點漂移；⑤增減命令繼電器粘連；⑥監控系統有功給定應答機制不合理。最后以某電站出現的有功波動案例為基礎，進行原因分析與優化建議。