三峽左岸水輪機組調速及勵磁系統國產化改造

王本紅，張元棟，李青茂，劉光權

（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

三峽左岸電站安裝有700 MW 水輪發電機組14 臺，2003 年，三峽左岸電站投運之初，機組調速系統選用了法國ALSTOM 公司研制生產的NEYRPIC系列產品。勵磁系統選用德國SIEMENS 公司研制生產的SIMADYN-D 型勵磁調節器。至2016 年，這些設備已連續運行十幾年，隨著運行年限的不斷延長，這些設備逐漸暴露出以下問題：

（1）國家和電網對機組涉網功能提出了新要求、新標準，原設備涉網功能不能滿足現行國家和電網要求，如調速系統的一次調頻功能、勵磁系統的PSS功能等。

（2）設備度過運行穩定期后故障率逐年升高，存在影響機組安全運行的風險。

（3）進口核心備件已停止生產，庫存備件數量逐漸減少，威脅設備持續穩定運行，其它進口備件價格昂貴。

為解決上述問題，三峽左岸電站于2016 開始著手研究設備技術改造路線及改造中涉及的具體技術問題。經大量分析、研究，最終選擇了一條經濟、可行、可靠的技術路線，即用國產設備代替進口設備中技術落后、功能不全的控制部分，對設備進行部分改造。針對調速系統，電氣部分整體改造，機械部分局部優化保留其機械部分；針對勵磁系統保留功率整流柜、滅磁開關柜，這樣既減少了改造投資，又能大幅提高控制設備性能。但相對設備整體更換，此種方式造成了大量的系統兼容、接口配合、控制功能需單獨開發等一系列技術難題。

三峽水力發電廠組建國產化改造項目團隊，通過與相關院校及公司聯合科研與攻關，最終解決了上述技術難題。從2017 年開始，對三峽左岸電站14 臺機組調速及勵磁系統進行改造，改造歷時兩年多，于2019 年結束。改造后調速及勵磁系統設備完全滿足國家和電網對機組涉網性能的要求，其控制精度、穩定性、控制靈活性都得到了大幅提高，達到改造設計要求和目標。

1 機組調速系統國產化改造主要創新點

對適應式變參數控制與優化運行等關鍵技術在此次大型水電機組調速系統國產化改造中的應用進行研究，通過精細化建模、工況辨識和控制參數優化等，使國產化后的水輪機控制系統成功實現“全時段、全工況”適應式變參數控制策略。

改造后調速系統調節性能顯著提高，如壓油泵加載時間間隔由原來的15～20 min延長至70～200 min（與工況相關），有效降低了能耗，減輕了壓油泵機械磨損，延長了設備壽命。

表1 調速系統國產化改造前后主要性能指標對比

1.1 創新調速系統功率控制模式

調速器功率調節模式下主要通過LCU 給定功率，調速器通過實際功率與給定功率之間的偏差形成閉環調節，同時也可接收遠方增減信號。有別于原進口系統依賴水頭參數的功率-開度轉換控制方式，該功率調節模式完全采用國產化模型，完全不受水頭變化影響，在運行過程表現出調節速度快、調節精度高及調節穩定等優點。

1.2 全面實現一次調頻功能

改造后全面實現了調速系統一次調頻功能。經中國電科院測試，性能指標均達到或優于國家和行業標準。

圖1 調速器改造后一次調頻試驗曲線

1.3 雙重控制硬件結構

改造采用比例閥+步進電機非對稱冗余控制結構，控制元件為比例伺服閥和步進電機，實現兩種不同控制策略的優勢互補。調速器同時具備了流量控制和位移＋速度控制兩種方式的優點：以比例伺服閥通道為主通道時，可以獲得相對更好的系統整體性能；借助伺服電機電液轉換裝置，可減少對油質的依賴，提高系統抗油污的能力，使系統有更高的可靠性；而且方便實現純手動功能，中間切換環節少，簡化液壓系統輔助油路，結構更加簡單可靠。

1.4 開發自主知識產權機械控制結構

設計開發了具有獨立自主知識產權、適應多種結構形式的水輪機調速器主配壓閥閥芯，優化了原主配壓閥閥芯和閥套結構形式，提升了主配壓閥動態調節性能，同時帶動國內調速器機械方面精密加工制造和配套能力發展。

1.5 增加純機械手動操作功能

當控制器全部故障離線時，調速器可以穩定當前導葉開度和機組負荷，防止發生機組負荷大幅波動。

1.6 配置事故配壓閥

為機組事故時可靠停機提供多重保障。當機組出現過速或工作油壓降至事故低油壓時，事故配壓閥動作，切斷調速器的控制油壓，從而直接控制接力器進行事故緊急停機，有效保障水輪發電機組運行安全。

1.7 增加主配失靈判斷

實現主配拒動時115%轉速的一級電氣過速保護功能。避免只能靠電氣二級過速甚至更高一級的機械過速動作快速門停機，防止機組嚴重過速，影響機組壽命和安全。

1.8 實現智能診斷

原調速系統對關鍵電器元件故障缺乏判斷和保護，現通過自主技術實現關鍵器件的故障智能化自診斷功能。如原來執行機構，兩套電液轉換器故障不報警，且直接停機，造成經濟損失。

2 機組勵磁系統國產化改造創新點

通過研發與進口西門子功率整流柜脈沖回路的匹配方案，首次實現了國產勵磁調節器與進口西門子功率整流柜的完美配合，解決了勵磁系統部分功能不滿足新行業標準的要求的問題，主要備品備件不再依賴于進口，勵磁系統整體性能和可靠性得到大幅提升。同時開發了試驗方式功能、手/自動錄波功能，并解決了并網時無功沖擊的問題，優化了TV 斷線判據策略，提升了用戶體驗感，延長了原功率整流柜的使用年限，減少了改造成本，實現了勵磁系統整體性能和可靠性的最優化。

2.1 開發了脈沖接口與分配電路

設計開發了勵磁調節器脈沖接口電路、脈沖分配板，既提高了脈沖驅動能力和穩定性，又實現了脈沖接口的統一，使國產勵磁調節器與進口西門子功率整流柜脈沖變回路完美結合，實現了僅進行勵磁系統控制部分的改造而提高全套勵磁設備性能的目標，主要備品備件也不再依賴于進口，勵磁系統整體性能和可靠性得到最優化。

2.2 設計開發了勵磁調節器脈沖觸發程序

脈沖的頻率、個數和脈寬等參數與原西門子勵磁調節器保持一致，設計了脈沖檢測電路，并由FPGA 硬件實現，同時具備實時診斷、報警功能。雙套無擾動切換，不會因為脈沖故障而導致失磁跳機情況的發生。

2.3 優化完善了PSS 功能

左岸電站部分機組原西門子勵磁調節器安裝外置硬件PSS2B 裝置，外置PSS 裝置硬件老化，附加的外部PSS 信號回路給勵磁系統安全運行帶來隱患；部分機組原西門子勵磁調節器內置PSS2B 軟件，內置PSS 引入的ω信號取自機端電壓頻率，在動態過程中轉速和機端電壓頻率的差值足以影響PSS 的補償效果，對系統阻尼有惡化作用，不符合現行行業技術要求。改造后的勵磁調節器全部內置PSS2B/4B兩種模型，PSS2B 模型ω信號取自發電機q 軸虛擬電氣分量Eq 的頻率，試驗證明其對0.1～2 Hz 的低頻振蕩具有良好的阻尼作用，滿足電網要求。預裝的PSS4B 模型能更好地對各種頻段低頻振蕩起到抑制作用，同時PSS4B 對電力系統聯系阻抗的強弱具有較好的適應性，為今后電網運行的更高要求做好了準備。

圖2 脈沖產生流程圖

圖3 脈沖寬度和脈沖群生成流程圖

圖4 PSS4B 模型傳遞函數

圖5 改造后PSS 試驗曲線

2.4 試驗定制功能

在水輪機組試驗中經常進行零起升壓、升流試驗和勵磁大電流、小電流等試驗，目前行業中，多需要修改勵磁調節器參數和相關程序，過程繁瑣、效率低，存在著一定安全隱患。改造后的勵磁調節器首次增加了“試驗方式”功能，試驗方式投入后，即可方便進行各種勵磁開環試驗，不受外部開關狀態等的限制。

2.5 開發了手/自動錄波功能

改造后的勵磁調節器新增錄波功能，可手/自動錄波（150 個開關量及50 個模擬量），調節器內置大容量存儲器，可脫離工控機獨立存儲100 組波形，在開機、停機、限制、試驗、故障等工況下，在開關量變化及模擬量跳變時可手/自動錄波。通過專用波形查看工具，可通過分析波形的變化為試驗結果與故障分析提供依據。

2.6 實現了母線電壓跟蹤功能

原勵磁調節器無母線電壓跟蹤功能，母線電壓隨著季節的不同有一定范圍的變化，機組并網時，機端電壓和母線電壓之間有一定的差值，可能造成較大的無功沖擊，最大值曾達220 Mvar，無功沖擊對發電機定子繞組、變壓器繞組均產生影響，威脅發變組的安全運行。改造后的勵磁調節器具有母線電壓跟蹤功能，并網前，勵磁調節器給定值跟蹤母線電壓，機端電壓和母線電壓之間無差值，機組同期并網過程中沒有無功沖擊。

2.7 提出組合式TV 斷線檢測判據

原勵磁系統TV 斷線判斷策略單一，無法反映TV 斷線的多種情況。改造后的勵磁調節器從以下三個方面進行設計，保證正確應對TV 斷線。

（1）單套TV 斷線：在1.6 ms 內完成主備快速平穩切換，避免機端電壓升高導致跳機。

（2）增添負序電壓、電壓電流相關性等判據，可準確判斷單TV 單相、多相斷線；雙TV 單相、多相斷線等故障模式。

（3）短路與雙TV 三相斷線引起的電壓突降。通過檢測發電機定子電壓、電流和轉子電流，并根據在各種TV斷線和短路情況下各個量的不同變化組合，正確判斷各種TV 斷線故障，并能正確區別TV 斷線和發電機出口短路，為發電機勵磁控制裝置提供正確的控制基準，保障機組安全運行。

2.8 增加智能電站多場景支撐功能

原勵磁調節器只提供Profibus通信協議和接口。改造后的勵磁調節器支持多種通信協議，為智能電站的建設奠定了基礎。

3 結語

三峽左岸電站水輪機組調速及勵磁系統國產化改造的實施后，達到了以下改造效果：

（1）采用國產化替代的改造方式，技術路線選擇正確，技術先進、經濟合理、性能可靠，改造后設備關鍵性能指標符合或優于國家及行業標準。

（2）調速系統在適應式變參數控制策略、功率控制模式、事故停機多重保障、設備智能診斷、機械部分結構形式等方面實現了技術創新。

（3）勵磁系統在勵磁調節器脈沖接口硬件及程序、PSS 控制實現方式、組合式TV 斷線檢測、智能試驗和診斷等方面實現了技術創新。

（4）改造后調速和勵磁系統具備完整的一次調頻及PSS 功能，增強了電網調頻、調壓能力，對電網的安全、穩定運行起到了關鍵作用，創造了良好的社會效益。

（5）通過現場試驗及設備各工況運行考驗，改造后設備運行穩定，設備安全可靠性大幅提高，經濟效益顯著。

綜上所述，本次改造實現了調速及勵磁系統關鍵設備和核心技術的國產化，整體性能指標達到或超過同類設備先進水平；解決了“關鍵部件過于依賴進口，關鍵設備受制于人”的問題，創新了水電機組控制設備的改造模式，屬國內首創，具有行業引領及示范作用。