水輪機(jī)調(diào)速器功率模式在索風(fēng)營電廠的運行實踐

田倫

(貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司索風(fēng)營發(fā)電廠，貴州 修文 550215)

1 問題的提出

貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司索風(fēng)營發(fā)電廠(以下簡稱索風(fēng)營電廠)總裝機(jī)容量為3×200 MW，第1臺機(jī)組于2005年8月投產(chǎn)運行，2006年6月，3臺機(jī)組全部投產(chǎn)運行。自機(jī)組投入運行以來，累計發(fā)電12 380 GW·h，開、停機(jī)14 700多次，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。索風(fēng)營電廠原有調(diào)速器采用武漢事達(dá)公司DFWT-150-6.3型并聯(lián)比例-積分-微分(PID)數(shù)字式微機(jī)調(diào)速器，調(diào)速器已投運6年，設(shè)備整體運行正常。隨著投運年限的增長和南方電網(wǎng)公司運行管理及輔助服務(wù)管理等相關(guān)細(xì)則的實施，原有的調(diào)速器在功能及精度上已不能滿足運行需求。2013年以來，索風(fēng)營電廠先后對#1，#2機(jī)組調(diào)速器進(jìn)行了換型改造，實現(xiàn)了調(diào)速器功率閉環(huán)模式運行。在貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司乃至貴州省水電企業(yè)，索風(fēng)營電廠是首家實現(xiàn)調(diào)速器功率閉環(huán)模式運行的企業(yè)。在調(diào)速器改造及功率模試運行過程中，本文通過發(fā)現(xiàn)并解決實際工作中出現(xiàn)的問題，總結(jié)出創(chuàng)新經(jīng)驗，以饗同行。

2 功率閉環(huán)模式概況

調(diào)速器功率閉環(huán)模式是水電機(jī)組在并網(wǎng)后的運行模式之一，適用于大電網(wǎng)恒功率的運行方式。具體來說，功率閉環(huán)模式是由監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制(LCU)單元對水輪機(jī)調(diào)速器通信，下達(dá)機(jī)組功率給定值。調(diào)速器收到目標(biāo)值后跟蹤該給定值并與調(diào)速器自己采集計算的實時機(jī)組功率進(jìn)行比對反饋，進(jìn)行一個PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而調(diào)整控制導(dǎo)葉開度，達(dá)到負(fù)荷調(diào)整及優(yōu)化機(jī)組控制有功功率之目的。該模式除了用于運行人員手動調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷外，更適合與水電廠自動發(fā)電量控制系統(tǒng)(AGC)配合接口并實現(xiàn)機(jī)組有功功率的全數(shù)字控制。此外，在非功率模式時，功率給定值始終連續(xù)跟蹤機(jī)組實發(fā)功率值，以確保調(diào)速器各模式之間的平滑切換。 該系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 調(diào)速器自動控制原理圖

圖1中：KP,KI,KD分別為調(diào)速器的比例-積分-微分系數(shù)；Pc和Yc分別為功率給定和開度給定；Ef，Ep和Ey分別為人工頻率、功率和開度死區(qū)；bp和ep分別為開度和功率的永態(tài)差值系數(shù)；YPID為調(diào)速器導(dǎo)葉開度計算值。

由圖1可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)直接對調(diào)速器下達(dá)功率設(shè)定值(Pc)，在功率給定方式選擇及調(diào)速器工作模式切換后，與機(jī)組的實時功率進(jìn)行比對，在對永態(tài)差值環(huán)節(jié)及人工開度/功率死區(qū)環(huán)節(jié)的限制后，再進(jìn)行調(diào)速器的內(nèi)部PID計算，最后進(jìn)行一系列的綜合放大等執(zhí)行環(huán)節(jié)來達(dá)到機(jī)組負(fù)荷調(diào)整的目的，該模式完全是在調(diào)速器內(nèi)進(jìn)行內(nèi)部閉環(huán)。

3 功率閉環(huán)模式的優(yōu)點

索風(fēng)營電廠調(diào)速器在改造之前機(jī)組并網(wǎng)后是在開度模式下運行，由圖1可以看出，調(diào)速器按監(jiān)控系統(tǒng)功率給定Pc計算出來的開度給定Yc，在開度調(diào)節(jié)模式下完成Ypid的運算。調(diào)速器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的條件是

ΔI=Δf+bp(Yc-Ypid)=0 。

在調(diào)速器改造后的功率模式下，功率給定Pc與機(jī)組實際功率測量值Pg進(jìn)行比較，經(jīng)人工功率死區(qū)等環(huán)節(jié)得到功率調(diào)節(jié)差值ΔP。調(diào)速器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的條件是

ΔI=Δf+epΔP=0 。

開度模式由監(jiān)控系統(tǒng)可編程邏輯控制器(PLC)進(jìn)行閉環(huán)控制，是一種間接式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，而功率模式由調(diào)速器進(jìn)行閉環(huán)控制，是一種直接式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。從二者比較之后可以看出，功率模式省去了開度模式下由監(jiān)控系統(tǒng)參與開度比對反饋的中間環(huán)節(jié)，監(jiān)控PLC只對調(diào)速器下達(dá)一個機(jī)組功率給定值，不參與機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)，由調(diào)速器跟蹤該功率給定值進(jìn)行一個內(nèi)部的功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，這樣會大大提高機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電后調(diào)速器對負(fù)荷調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度和響應(yīng)精度。就索風(fēng)營電廠而言，功率模式改造后，調(diào)速器能夠滿足南方電網(wǎng)AGC“1+5”輔助服務(wù)要求，同時也滿足了一次調(diào)頻對調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)速率的要求，減少了電廠因為輔助服務(wù)不合格而受到的經(jīng)濟(jì)效益考核。由于省去了原來開度模式下的很多中間環(huán)節(jié)，相應(yīng)也提高了調(diào)速器安全運行的可靠穩(wěn)定性。

4 功率閉環(huán)模式在索風(fēng)營電廠的應(yīng)用

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)與機(jī)組調(diào)速器之間的數(shù)字化通信

改造前，監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器之間的通信方式是由監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元(LCU)通過對調(diào)速器遠(yuǎn)方增減負(fù)荷脈沖信號來進(jìn)行負(fù)荷控制，完全是一個依靠繼電器接點通斷的硬接線方式。而機(jī)組PLC的調(diào)功程序采用的是循環(huán)比較，逐漸逼近調(diào)節(jié)方式，其輸出的脈沖寬度與每次比較的有功差值相關(guān)，是一個變化量，其調(diào)節(jié)精度較差，容易受到外界因素的干擾。在此次改造過程中，索風(fēng)營電廠在監(jiān)控系統(tǒng)LCU柜上加裝了1塊模擬量輸出AI模塊，通過4～20 mA的電量信號對機(jī)組調(diào)速器進(jìn)行通信，調(diào)速器在收到此信號后，通過PLC的A/D模塊將電量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并進(jìn)入調(diào)速器內(nèi)部程序直接參與PID調(diào)節(jié)。這樣做的好處一是縮短了從監(jiān)控系統(tǒng)下令到調(diào)速器開始進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)前的準(zhǔn)備周期；二是因其是數(shù)字化通信，可直接作用于調(diào)速器PLC內(nèi)部程序，所以調(diào)節(jié)精度大為提高；三是減少了以前脈沖方式通信過程中可能出現(xiàn)的故障因素。

4.2 功率模式內(nèi)部閉環(huán)對調(diào)速器一次調(diào)頻與二次調(diào)頻的相互影響

一次調(diào)頻和二次調(diào)頻都是調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷來實現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)荷與發(fā)電出力的平衡，以維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，理論上應(yīng)該是相互補(bǔ)充、協(xié)調(diào)一致的。但在索風(fēng)營電廠多年的實際運行過程中，筆者發(fā)現(xiàn)二者經(jīng)常互相影響，時常出現(xiàn)一次調(diào)頻和二次調(diào)頻同時動作調(diào)節(jié)的情況，若不采取協(xié)調(diào)措施，則可能會出現(xiàn)反向調(diào)節(jié)、脈沖累積、相互拉鋸、LCU有功調(diào)節(jié)超時退出等問題。問題的主要原因是由于指令源不一致。一次調(diào)頻是調(diào)速器根據(jù)該臺機(jī)組的頻率來計算并實時輸出控制。二次調(diào)頻則是根據(jù)系統(tǒng)頻率來計算的，通過監(jiān)控系統(tǒng)以有功給定的方式下發(fā)指令到調(diào)速器。雖然并網(wǎng)機(jī)組頻率從理論上應(yīng)和系統(tǒng)頻率一樣，但機(jī)組會經(jīng)變壓器等電氣設(shè)備與電網(wǎng)相聯(lián)，而且測頻采樣時點、時延、誤差不可能完全一致，加之系統(tǒng)頻率瞬息萬變會導(dǎo)致一次調(diào)頻與二次調(diào)頻相互影響。索風(fēng)營電廠在功率模式下使用了內(nèi)部閉環(huán)方式，功率目標(biāo)值直接下發(fā)給調(diào)速器，調(diào)速器收到目標(biāo)值后跟蹤該目標(biāo)值，并與自己采集計算的實時機(jī)組功率進(jìn)行比對反饋，在調(diào)速器內(nèi)部進(jìn)行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，監(jiān)控系統(tǒng)完全不參與頻率調(diào)節(jié)過程，這樣一來，無論是一次調(diào)頻，還是二次調(diào)頻，指令源都是一致的，由調(diào)速器自己內(nèi)部計算，最后進(jìn)行導(dǎo)葉偏差量的調(diào)整，內(nèi)部閉環(huán)調(diào)節(jié)模式可將一次調(diào)頻與二次調(diào)頻之間的互相影響降到最小。從機(jī)組實際運行情況來看，效果較為明顯。

4.3 功率閉環(huán)模式調(diào)節(jié)程序的優(yōu)化

在調(diào)速器功率模式試驗過程中，進(jìn)行大負(fù)荷調(diào)節(jié)時，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)調(diào)速器的調(diào)節(jié)速率完全是由水輪機(jī)機(jī)械調(diào)整特性決定的，調(diào)整時間短促，是一個階躍式的調(diào)整，甚至引起了發(fā)電機(jī)組的劇烈振動，這樣必然會影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。經(jīng)過分析研究后，將調(diào)速器PLC程序進(jìn)行了優(yōu)化。在進(jìn)行功率調(diào)節(jié)過程中，實現(xiàn)了調(diào)節(jié)速率的“斜坡控制”，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 調(diào)節(jié)速率的“斜坡控制”

在圖2中，縱坐標(biāo)為功率，橫坐標(biāo)為時間。假設(shè)在穩(wěn)態(tài)條件下運行，調(diào)速器的功率給定為Pc1,當(dāng)進(jìn)行大負(fù)荷增加調(diào)整時，人為控制或監(jiān)控AGC將功率給定設(shè)為Pc2后，調(diào)速器按圖2所示的結(jié)果調(diào)節(jié)速率，在調(diào)節(jié)初期以斜率為k(此系數(shù)可根據(jù)本廠實際需要進(jìn)行整定)的一個直線斜坡方式進(jìn)行Pc調(diào)整，這時為斜坡控制階段。在接近功率給定Pc2的調(diào)節(jié)后期則由調(diào)速器的PID調(diào)節(jié)特性進(jìn)行功率微調(diào)，這時為PID調(diào)節(jié)階段，最后平穩(wěn)將機(jī)組功率由Pc1調(diào)節(jié)到Pc2。這樣就使機(jī)組在進(jìn)行大負(fù)荷調(diào)整時初期調(diào)節(jié)速率以一個平緩的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，不會出現(xiàn)階躍式的調(diào)整，保證了機(jī)組運行的安全穩(wěn)定，而在接近負(fù)荷給定值時則又由調(diào)速器PID特性進(jìn)行微調(diào)，不至于出現(xiàn)過大的超調(diào)。在大負(fù)荷減少調(diào)節(jié)時，同理。程序改進(jìn)后重新試驗，效果良好。斜坡處理程序如圖3所示，斜坡上升和下降速率給定程序段如圖4所示。

圖3 斜坡處理程序

圖4 斜坡上升和下降速率給定程序段

在圖3中，RAMP為斜坡發(fā)生器。

4.4 功率閉環(huán)模式開機(jī)程序優(yōu)化

在功率閉環(huán)模式下，在現(xiàn)場試驗過程中，筆者發(fā)現(xiàn)調(diào)速器運行模式可進(jìn)行如下切換操作：并網(wǎng)前機(jī)組空轉(zhuǎn)態(tài)為頻率模式，并網(wǎng)后轉(zhuǎn)為開度模式，一定延時后再轉(zhuǎn)為功率模式。并網(wǎng)后的模式切換由監(jiān)控系統(tǒng)PLC進(jìn)行遠(yuǎn)方控制，調(diào)速器本身不進(jìn)行切換操作。對調(diào)速器運行模式認(rèn)真研究分析后，筆者認(rèn)為，這樣切換會增加監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)功程序的復(fù)雜性，中間模式切換環(huán)節(jié)較多，出現(xiàn)故障干擾的幾率也較大。于是對調(diào)速器開機(jī)程序進(jìn)行了優(yōu)化，并網(wǎng)后監(jiān)控系統(tǒng)不進(jìn)行調(diào)速器的模式切換，由調(diào)速器內(nèi)部自行判斷，機(jī)組并網(wǎng)后即由頻率模式自動切換到功率模式。這樣就避免了無必要的中間環(huán)節(jié)模式切換，也減少了可能出現(xiàn)的故障因素。

4.5 功率模式投運前后的性能及經(jīng)濟(jì)效益比較

4.5.1 性能比較

以改造后的#2機(jī)組為例，2013年1—7月與2012年同期AGC考核電量對比情況見表1。

表1 2013年與去年同期AGC考核電量對比 MW·h

由表1對比可知，調(diào)速器性能得到質(zhì)的提升，AGC考核電量大幅減少。2013年1—7月與2012年同期一次調(diào)頻合格率對比情況見表2。

表2 一次調(diào)頻合格率 %

由表2對比可知，調(diào)速器實現(xiàn)功率閉環(huán)模式后，一次調(diào)頻合格率得到顯著提升。

4.5.2 經(jīng)濟(jì)效益比較

由于機(jī)組調(diào)速器完成了功率閉環(huán)模式功能的實現(xiàn)，使機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)速度更快，精度更高，滿足了南方電網(wǎng)AGC及一次調(diào)頻輔助服務(wù)的要求，考核電量顯著減少,按照現(xiàn)在上網(wǎng)電價269.4元/(MW·h)計算,據(jù)保守估計，2013年可為索風(fēng)營電廠節(jié)約成本70.45萬元。

5 結(jié)論

調(diào)速器有頻率、開度和功率3種工作模式，在機(jī)組并網(wǎng)后，調(diào)速器一般在開度模式或功率模式下工作，但由于種種原因，大多數(shù)水電企業(yè)調(diào)速器并沒有實現(xiàn)真正的功率模式運行方式，在如今電網(wǎng)服務(wù)細(xì)則越來越嚴(yán)格的趨勢下，調(diào)速器工作在開度模式下已經(jīng)漸漸不能滿足電網(wǎng)運行要求。索風(fēng)營電廠在調(diào)速器改造換型后，實現(xiàn)了調(diào)速器的功率閉環(huán)模式，在此基礎(chǔ)上，筆者總結(jié)摸索了一些試驗及運行的實踐經(jīng)驗。從設(shè)備性能和經(jīng)濟(jì)效益對比來看，調(diào)速器在功率模式下的閉環(huán)控制具有開度模式不可比擬的優(yōu)勢，也是今后水電企業(yè)調(diào)速器運行方式的發(fā)展方向。

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