“大機(jī)小網(wǎng)”模式下的調(diào)速系統(tǒng)研究

詹維勇，王安愛，楊成財(cái)，李修樹

(1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南昆明650214；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120)

“大機(jī)小網(wǎng)”模式下的調(diào)速系統(tǒng)研究

詹維勇1，王安愛1，楊成財(cái)1，李修樹2

(1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南昆明650214；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120)

為了整定出適合小電網(wǎng)運(yùn)行模式下特別的調(diào)節(jié)參數(shù)，根據(jù)果多水電站機(jī)組和調(diào)速系統(tǒng)的選型，針對西藏昌都地區(qū)“大機(jī)小網(wǎng)”的特點(diǎn)，提出了調(diào)速系統(tǒng)特殊的調(diào)節(jié)規(guī)律、參數(shù)，通過運(yùn)行考驗(yàn)，能夠?yàn)轭愃齐娬咎峁┙梃b。

調(diào)速系統(tǒng)；調(diào)節(jié)規(guī)律；調(diào)節(jié)參數(shù)；果多水電站

1 工程概況

果多水電站位于西藏自治區(qū)昌都市卡若區(qū)柴維鄉(xiāng)境內(nèi)，壩址距離昌都市公路里程約59 km，為扎曲水電規(guī)劃第2個梯級。電站裝機(jī)容量160 MW(4×40 MW)，保證出力33.54 MW，年發(fā)電量8.319億kW·h，電站以220 kV兩回和110 kV一回兩級電壓接入昌都電網(wǎng)。2015年12月31日果多水電站首臺(4號)機(jī)組正式投入商業(yè)運(yùn)行，2016年12月果多水電站4臺機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。

昌都電網(wǎng)原為孤立電網(wǎng)，2014年11月通過2回500 kV線路(降壓至220 kV運(yùn)行)與四川電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，但昌都電網(wǎng)與四川電網(wǎng)連接薄弱，外送電量有限。昌都電網(wǎng)最大負(fù)荷出現(xiàn)在冬季約90 MW，夏季昌都本地負(fù)荷較小，最高負(fù)荷約70 MW。果多水電站機(jī)組是目前昌都電網(wǎng)單機(jī)容量最大的機(jī)組，單臺機(jī)組占本地電網(wǎng)容量比例大(占比達(dá)50%)，機(jī)組在規(guī)模較小的昌都電網(wǎng)下運(yùn)行，電網(wǎng)拖動能力及抗沖擊能力相對有限，“大機(jī)小網(wǎng)”特點(diǎn)顯著，因此整定合適的調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)，達(dá)到“大機(jī)組”與“小電網(wǎng)”運(yùn)行的協(xié)調(diào)性和匹配性，是保證電網(wǎng)與機(jī)組安全運(yùn)行的重要保障。

2 機(jī)組及調(diào)速系統(tǒng)選型

果多水電站水輪發(fā)電機(jī)組由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司制造，水輪機(jī)型號為HLA1050-LJ-325，發(fā)電機(jī)型號為SF40-32/6500。水輪機(jī)額定出力為41.5 MW，額定流量為89.97 m3/s，額定轉(zhuǎn)速為187.5 r/min，比轉(zhuǎn)速ns=280.3 m·kW，比速系數(shù)K=2 001.7；發(fā)電機(jī)出口電壓10.5 kV，額定功率因數(shù)0.85。

調(diào)速器型號為SWT-2000，主配壓閥采用國家專利產(chǎn)品ZFL- 80D，主配直徑為80 mm，油壓裝置型號為HYZ-2.5/4.0，由南京南瑞集團(tuán)有限公司供貨。調(diào)速器機(jī)柜、電柜采用分離布置方式，機(jī)械柜布置在水輪機(jī)層，電氣柜布置在發(fā)電機(jī)層。調(diào)速器電氣部分采用兩套貝加萊公司PCCX20系列32位可編程控制器組成雙冗余容錯控制系統(tǒng)，外加獨(dú)立的第三方智能切換PLC(日本歐姆龍)及智能手動綜合控制模塊。調(diào)速器機(jī)械部分電液轉(zhuǎn)換單元采用雙德國BOSCH力士樂公司高性能伺服比例閥冗余模式，其他控制數(shù)字電磁閥均采用德國BOSCH力士樂公司電磁閥，并配置有手動綜合控制模件。調(diào)速器A、B套PCC模塊冗余配置，組成的兩個調(diào)節(jié)器之間通過CAN接口進(jìn)行通訊，以保證兩個調(diào)節(jié)器之間的信息冗余和相互切換時穩(wěn)定工作。兩個調(diào)節(jié)器具有獨(dú)立的電源和獨(dú)立的反饋通道，通過兩套PCC的采樣模塊采集信號。兩套PCC同時各自處理采集的信號，一套處于主控模式，一套處于熱備用模式，當(dāng)其中一套發(fā)生故障或需要檢修時，通過智能切換繼電器使另一套立即自動投入，無擾切換，保持系統(tǒng)工況不變。

3 調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律和調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置特點(diǎn)

3.1 調(diào)節(jié)規(guī)律設(shè)置適應(yīng)“大機(jī)小網(wǎng)”的運(yùn)行要求

在“孤網(wǎng)運(yùn)行”時，昌都電網(wǎng)容量小、頻率波動較大，存在機(jī)組頻繁調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速大幅波動，造成機(jī)組超速或停機(jī)，降低機(jī)組運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性；果多機(jī)組占昌都電網(wǎng)容量較大，具有明顯的“大機(jī)小網(wǎng)”特點(diǎn)，機(jī)組頻率調(diào)節(jié)對電網(wǎng)頻率影響較大，兩者相互影響可能使頻率振蕩發(fā)散，引發(fā)機(jī)組事故低油壓、電網(wǎng)運(yùn)行異常、甚至使電網(wǎng)瓦解等情況。為保證機(jī)組和電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定，需整定合適的調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)，減少調(diào)速器調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)操作的頻繁性和保證調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。通過試驗(yàn)和借鑒其它工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置了果多調(diào)速器的調(diào)節(jié)參數(shù)來適應(yīng)“大機(jī)小網(wǎng)”的運(yùn)行要求。

2015年12月27日，果多水電站開展4號機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)建模試驗(yàn)，對該系統(tǒng)“開度模式”與“孤網(wǎng)模式”之間的自動切換功能進(jìn)行了校核，在調(diào)速系統(tǒng)微分校核環(huán)節(jié)，現(xiàn)場8次試驗(yàn)出現(xiàn)3次不正常調(diào)節(jié)情況。

為了解決該問題，果多水電站調(diào)速系統(tǒng)頻率控制PID由“雙微分”控制改為“帶時間常數(shù)的單微分”控制，在控制上進(jìn)行PID 控制模型的調(diào)整，有利于對控制模型的精準(zhǔn)分析，對機(jī)組控制和電網(wǎng)運(yùn)行都有益處。果多水電站機(jī)組為常規(guī)混流機(jī)組，機(jī)組慣性時間大，穩(wěn)定性強(qiáng)，采用帶時間常數(shù)的實(shí)際微分環(huán)節(jié)，可以增強(qiáng)微分環(huán)節(jié)的抗干擾能力，更利于機(jī)組和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。理論分析和調(diào)速器制造廠家仿真結(jié)果為：水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組慣性時間常數(shù)Ta(s)和水輪發(fā)電機(jī)組水流慣性時間常數(shù)Tw(s)對于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)起著十分重要的作用。機(jī)組慣性比率定義為Tw/Ta的比值。它反映了兩者的慣性，表達(dá)式為R1=Tw/Ta，根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，混流試機(jī)組慣性時間常數(shù)Ta的范圍為5.7～10.8 s，平均數(shù)值為8.45 s；水流慣性時間常數(shù)Tw的數(shù)值范圍為0.76～2.48 s，其平均值為1.55 s，混流機(jī)組慣性比率R1的數(shù)值范圍為0.08～0.36；平均值為0.183，該數(shù)值越小越穩(wěn)定，上界臨界點(diǎn)為0.4，果多水電站機(jī)組滿足基本的穩(wěn)定要求。

在機(jī)組空載或孤網(wǎng)運(yùn)行工況下，頻率波動相對于聯(lián)網(wǎng)或手動，范圍較大，頻率變化率較大。這樣，微分可以起到一定的抑制和超前調(diào)節(jié)作用，使得頻率控制更精準(zhǔn)，接力器擺動幅度，主配抽動頻度都將降低。尤其在特殊的工況下，如聯(lián)網(wǎng)、孤網(wǎng)切換瞬間，頻率PT由于接地或者絕緣下降產(chǎn)生干擾等，測頻環(huán)節(jié)會有突變數(shù)值；此時，若在微分環(huán)節(jié)增加一定的時間常數(shù)，即便微分輸出在初始時間有一個尖峰，但其衰減是漸變的。這樣不會引起接力器的大幅波動，也不會造成對主配壓閥閥芯的劇烈沖擊，對調(diào)速器伺服機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)都是一個緩慢的調(diào)節(jié)過程。此種帶時間常數(shù)的微分環(huán)節(jié)，既兼顧了首次調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度，起到對頻率變化后的快速抑制和超前動作，也降低了對接力器和主配的沖擊，防止頻率的二次擾動。

3.2 空載模式與負(fù)載模式的調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置不同

空載模式為頻率調(diào)節(jié)，跟蹤頻率變化進(jìn)行調(diào)節(jié)；負(fù)載模式為開度調(diào)節(jié)，由監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)脈沖，調(diào)速器跟蹤導(dǎo)葉開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)頻差大于一次調(diào)頻動作死區(qū)，調(diào)速器進(jìn)行一次調(diào)節(jié)。

3.3 聯(lián)網(wǎng)與孤網(wǎng)運(yùn)行模式下調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置不同

昌都電網(wǎng)存在“聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行”和“孤網(wǎng)運(yùn)行”兩種運(yùn)行模式，針對不同的運(yùn)行模式配置不同的調(diào)速器控制參數(shù)。果多調(diào)速器孤網(wǎng)一次調(diào)頻參數(shù)：Kp=1，Ki=0.2，Kd=1，Bp=4%，E=±0.5 Hz，限幅10%；聯(lián)網(wǎng)一次調(diào)頻參數(shù)：Kp=1，Ki=0.2，Kd=1，Bp=4%，E=±0.3 Hz，限幅10%。

目前由于電網(wǎng)運(yùn)行方式不直接傳遞給電站，需由調(diào)速器自身判斷。果多電站聯(lián)網(wǎng)-孤網(wǎng)判斷邏輯為：“系統(tǒng)頻率大于(50±0.5)Hz，延時1 s調(diào)速器自動轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)模式，調(diào)速器調(diào)用孤網(wǎng)PID參數(shù)；進(jìn)入孤網(wǎng)調(diào)節(jié)模式后，以30 s為一個周期，若30 s內(nèi)系統(tǒng)頻率小于(50±0.3)Hz的比例大于80%即判斷系統(tǒng)為聯(lián)網(wǎng)，調(diào)速器可自動轉(zhuǎn)為聯(lián)網(wǎng)模式，調(diào)用聯(lián)網(wǎng)PID參數(shù)”。根據(jù)昌都電網(wǎng)的實(shí)際情況，果多電站孤網(wǎng)與聯(lián)網(wǎng)切換采用手動模式，在監(jiān)控系統(tǒng)上設(shè)切換按鈕，手動切換開關(guān)量。

3.4 與大電網(wǎng)系統(tǒng)下的調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置不同

通過“調(diào)速器參數(shù)建?！焙汀耙淮握{(diào)頻”實(shí)驗(yàn)，調(diào)試時將調(diào)速器負(fù)載PID參數(shù)Kp、Ki、Kd由內(nèi)地大網(wǎng)常規(guī)的“8、8、1”或“4、3、1”調(diào)整為“1、0.2、1”，降低一次調(diào)頻調(diào)節(jié)速率、提高調(diào)頻的穩(wěn)定性。為避免機(jī)組調(diào)速器頻繁調(diào)節(jié)，現(xiàn)場調(diào)試時“聯(lián)網(wǎng)”一次調(diào)頻死區(qū)由0.05 Hz調(diào)整為0.3 Hz，“孤網(wǎng)”一次調(diào)頻死區(qū)由0.2 Hz調(diào)整為0.5 Hz。

3.5 過速邏輯判斷設(shè)置不同

果多水電站一級過速保護(hù)在傳統(tǒng)的“115%Ne+導(dǎo)葉空載開度以上+主配拒動”判斷邏輯基礎(chǔ)上增加“頻升過速”信號，避免機(jī)組一級過速保護(hù)誤動造成機(jī)組緊急停機(jī)出口動作、電網(wǎng)功率缺額，對系統(tǒng)運(yùn)行造成較大影響，保證了在極端情況下保電網(wǎng)和穩(wěn)電網(wǎng)的作用。

2016年4月，西藏地區(qū)某電站曾發(fā)生“機(jī)組一級保護(hù)動作”事故。為了防止發(fā)生此類事故，果多電站增加“頻升過速”信號，避免機(jī)組一級過速保護(hù)誤動。故障狀態(tài)下昌都電網(wǎng)由“聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行”轉(zhuǎn)為“孤網(wǎng)運(yùn)行”或“遠(yuǎn)方甩負(fù)荷”時，孤網(wǎng)內(nèi)機(jī)組轉(zhuǎn)速可能快速上升至115%以上，在圖1所示的調(diào)節(jié)情況下，機(jī)組一級過速“115%轉(zhuǎn)速+主配拒動+空載開度以上”(“主配拒動”信號為“調(diào)速器主配非關(guān)位”的位置節(jié)點(diǎn)信號)存在誤動的可能性，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速開始下降但仍然高于115%時(即處于b點(diǎn)和c點(diǎn)之間)，由于調(diào)速器PID調(diào)節(jié)特性和空載開度的設(shè)置，導(dǎo)葉在空載以上開度，這時主配壓閥位置可能在非關(guān)位(如t2時間點(diǎn))，而導(dǎo)致機(jī)組一級保護(hù)動作條件滿足，機(jī)組緊急停機(jī)出口動作，電網(wǎng)功率缺額，對系統(tǒng)運(yùn)行造成較大影響。

圖1 機(jī)組一級保護(hù)動作曲線

果多水電站調(diào)整機(jī)組一級過速保護(hù)為“115%轉(zhuǎn)速+主配拒動+空載開度以上+頻升過速”，即要求一級過速保護(hù)出口時同時判斷機(jī)組頻率在0.5 s內(nèi)上升應(yīng)大于1.1 Hz。在圖1中t1點(diǎn)不會被“頻升過速”閉鎖，t2點(diǎn)則可閉鎖，避免誤動的同時不會導(dǎo)致一級過速的拒動，在極端運(yùn)行工況下可保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 運(yùn)行考驗(yàn)

2016年8月20日～9月28日，川藏聯(lián)網(wǎng)220 kV塘瀾雙線首檢同停，昌都電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)運(yùn)行。與前幾年昌都電網(wǎng)孤網(wǎng)下的頻率波動(50±0.5)Hz相比，2016年孤網(wǎng)下的昌都電網(wǎng)頻率波動最大為(50±0.2)Hz。至此，果多水電站經(jīng)過了8個多月聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和1個多月孤網(wǎng)運(yùn)行的考驗(yàn)，調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào)節(jié)正常。運(yùn)行實(shí)踐表明果多水電站調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和改進(jìn)措施能適應(yīng)昌都電網(wǎng)“大機(jī)小網(wǎng)”、“聯(lián)網(wǎng)模式”、“孤網(wǎng)模式”的運(yùn)行要求，凸顯了果多水電站在昌都電網(wǎng)中的基石作用，發(fā)揮了調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)有的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定作用。

5 結(jié) 語

針對昌都電網(wǎng)“大機(jī)小網(wǎng)”的特點(diǎn)，考慮到昌都電網(wǎng)與四川電網(wǎng)連接薄弱等實(shí)際情況，借鑒藏區(qū)類似電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，果多水電站在調(diào)速系統(tǒng)上采取的一系列措施，包括調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)整、空載與負(fù)載條件下的調(diào)節(jié)參數(shù)的區(qū)別對待、孤網(wǎng)與聯(lián)網(wǎng)下的調(diào)節(jié)參數(shù)區(qū)分對待等，對電網(wǎng)和電站的穩(wěn)定運(yùn)行積極有效；保證了機(jī)組和小網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定，摸索和探索積累的經(jīng)驗(yàn)也可為今后類似運(yùn)行電站提供借鑒意義。

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ResearchofGovernorSystemundertheModeofLarge-capacityGeneratorandSmall-capacityPowerGrid

ZHAN Weiyong1, WANG Anai1, YANG Chengcai1, LI Xiushu2

(1. Huaneng Lancang River Hydropower Co., Ltd., Kunming 650214, Yunnan, China;2. China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China)

In order to set out the special regulation parameters suitable for the operation mode of small-capacity power grid, the regulation rules and parameters of governor system in Guoduo Hydropower Station are proposed based on the type selections of hydro-generators and governor system and the characteristics of large-capacity generator and small-capacity power grid in Changdu area of Tibet. The actual operation of Guoduo Hydropower Station has proved the selection of regulation rules and parameters of governor system. The practice can be as reference for similar hydropower stations．

speed regulating system; regulation law; regulation parameter; Guoduo Hydropower Station

TM761

A

0559- 9342(2017)09- 0070- 03

2016- 12- 21

詹維勇(1973—)，男，云南沾益人，高級工程師，主要從事水電工程建設(shè)管理工作．

(責(zé)任編輯高 瑜)