毛兒蓋水電站調(diào)速系統(tǒng)小網(wǎng)及孤網(wǎng)模式試驗(yàn)研究

劉 凱，馬曉光，謝 波，羅小晶

（1.四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗(yàn)所，四川 成都610000；2.中國電力科學(xué)研究院，北京100142；3.四川通能電力科技有限公司，四川 成都610000）

1 概述

西南電網(wǎng)和華中電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)后，西南電網(wǎng)負(fù)荷規(guī)模相當(dāng)于華北-華中-西南同步電網(wǎng)的1/6，需通過全面優(yōu)化西南網(wǎng)內(nèi)水電機(jī)組調(diào)速器參數(shù)降低西南電網(wǎng)超低頻振蕩風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)相關(guān)要求，對(duì)異步聯(lián)網(wǎng)后的西南電網(wǎng)主力水電機(jī)組提出了技術(shù)要求，調(diào)速系統(tǒng)需要在程序升級(jí)或改造后完成開度小網(wǎng)模式參數(shù)確認(rèn)及調(diào)速器孤網(wǎng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)。

毛兒蓋水電站位于四川省阿壩州黑水河中游，裝設(shè)3臺(tái)單機(jī)容量140 MW的混流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，調(diào)速系統(tǒng)生產(chǎn)廠家為東方電機(jī)控制設(shè)備有限公司，系統(tǒng)改造后開度模式下具備大網(wǎng)參數(shù)、小網(wǎng)參數(shù)和孤網(wǎng)參數(shù)，各模式下參數(shù)獨(dú)立配置。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)詳細(xì)測(cè)試了毛兒蓋電廠3號(hào)機(jī)組開度小網(wǎng)模式、開度孤網(wǎng)模式各控制參數(shù)，開展了開度小網(wǎng)模式、開度孤網(wǎng)模式下的動(dòng)態(tài)頻率擾動(dòng)測(cè)試和開度小網(wǎng)模式下的甩負(fù)荷試驗(yàn)等。調(diào)速系統(tǒng)小網(wǎng)模式和孤網(wǎng)模式均是基于開度反饋調(diào)節(jié)的。

2.1 控制參數(shù)校驗(yàn)

（1）開度小網(wǎng)模式比例環(huán)節(jié)校驗(yàn)

手動(dòng)投入開度小網(wǎng)模式，調(diào)速器主要參數(shù)設(shè)置為Kp=5，Ki=0，Kd=0，ε=0.00 Hz，bp=0%。用頻率發(fā)生器在機(jī)柜測(cè)頻端子上加入正弦信號(hào)模擬機(jī)組轉(zhuǎn)速，進(jìn)行0.5 Hz的頻率階躍試驗(yàn)，使得小網(wǎng)開度模式PID前產(chǎn)生階躍輸入信號(hào)，如下頁圖2所示。

圖2 開度小網(wǎng)模式比例環(huán)節(jié)校驗(yàn)

該值與設(shè)置值Kp=5基本一致。

（2）開度小網(wǎng)模式積分環(huán)節(jié)校驗(yàn)

手動(dòng)投入開度小網(wǎng)模式，調(diào)速器主要參數(shù)設(shè)置為Kp=0，Ki=3，Kd=0，ε=0.00 Hz，bp=0%，用頻率發(fā)生器在機(jī)柜測(cè)頻端子上加入正弦信號(hào)模擬機(jī)組轉(zhuǎn)速，進(jìn)行0.25 Hz的頻率階躍試驗(yàn)，使得小網(wǎng)開度模式PID前產(chǎn)生階躍輸入信號(hào)，如圖3所示。

圖3 開度小網(wǎng)模式積分環(huán)節(jié)校驗(yàn)

該值與Ki設(shè)置值基本相同。

（3）開度小網(wǎng)模式永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)校驗(yàn)

手動(dòng)投入開度小網(wǎng)模式，調(diào)速器主要參數(shù)設(shè)置如下：Kp=8，Ki=5，Kd=0，ε=0.00 Hz，bp=4%，用頻率發(fā)生器在機(jī)柜測(cè)頻端子上加入正弦信號(hào)模擬機(jī)組轉(zhuǎn)速，進(jìn)行0.2 Hz的頻率階躍試驗(yàn)。錄波結(jié)果見圖4。

圖4 開度小網(wǎng)模式永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)校核（bp=4%）

實(shí)測(cè)結(jié)果與bp設(shè)置值基本相同。

2.2 遠(yuǎn)方及現(xiàn)地大網(wǎng)-小網(wǎng)-孤網(wǎng)切換校驗(yàn)

（1）現(xiàn)地實(shí)現(xiàn)控制模式切換

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行在開度孤網(wǎng)模式。通過調(diào)速器柜屏實(shí)現(xiàn)控制模式切換，切換順序?yàn)椤癆套開度大網(wǎng)模式-A套開度小網(wǎng)模式-A套開度孤網(wǎng)模式-A套開度小網(wǎng)模式-A套開度大網(wǎng)模式-A套開度孤網(wǎng)模式-A套開度大網(wǎng)模式-B套開度大網(wǎng)模式-B套開度小網(wǎng)模式-B套開度孤網(wǎng)模式-B套開度小網(wǎng)模式-B套開度大網(wǎng)模式-B套開度孤網(wǎng)模式-B套開度大網(wǎng)模式”，錄波曲線如圖5所示?，F(xiàn)地調(diào)速器柜上可以將上述各模式進(jìn)行切換，切換過程無異常擾動(dòng)。

（2）監(jiān)控實(shí)現(xiàn)控制模式切換

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行在大網(wǎng)開度模式。通過調(diào)速器柜屏實(shí)現(xiàn)控制模式切換，切換順序?yàn)椤伴_度大網(wǎng)模式-開度小網(wǎng)模式-開度孤網(wǎng)模式-開度小網(wǎng)模式-開度大網(wǎng)模式-開度孤網(wǎng)模式-開度大網(wǎng)模式”，錄波曲線如圖6所示。

監(jiān)控系統(tǒng)可以將上述各模式進(jìn)行切換，切換過程無異常擾動(dòng)。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)控制模式切換功能校核

2.3 調(diào)速系統(tǒng)大網(wǎng)-小網(wǎng)-孤網(wǎng)控制模式切換校驗(yàn)

（1）開度大網(wǎng)控制模式“頻差+延時(shí)”自動(dòng)切換校驗(yàn)

調(diào)速器孤網(wǎng)檢測(cè)設(shè)置：當(dāng)頻率偏差超出0.5 Hz，延時(shí)0.5 s開度大網(wǎng)模式自動(dòng)切入開度孤網(wǎng)模式，頻率恢復(fù)后不自動(dòng)返回開度大網(wǎng)模式。

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行在大網(wǎng)開度模式，大網(wǎng)參數(shù)設(shè)置為Kp=8，Ki=6，Kd=0，bp=4%，ε=0.04 Hz，孤網(wǎng)參數(shù)設(shè)置為Kp=3.5，Ki=0.3，Kd=1，bp=1%，ε=0.5 Hz，無限幅，如圖7所示，當(dāng)頻差達(dá)到0.5 Hz，延時(shí)0.52 s時(shí)，由開度大網(wǎng)模式自動(dòng)切入開度孤網(wǎng)模式；當(dāng)頻率恢復(fù)為50 Hz后，開度孤網(wǎng)模式?jīng)]有自動(dòng)切回開度大網(wǎng)模式，機(jī)組在開度孤網(wǎng)模式下運(yùn)行穩(wěn)定。

（2）開度小網(wǎng)控制模式“頻差+延時(shí)”自動(dòng)切換校驗(yàn)

調(diào)速器孤網(wǎng)檢測(cè)設(shè)置：當(dāng)頻率偏差超出0.5 Hz，延時(shí)0.5 s開度小網(wǎng)模式自動(dòng)切入開度孤網(wǎng)模式，頻率恢復(fù)后不自動(dòng)返回開度小網(wǎng)模式。

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行在開度小網(wǎng)模式，小網(wǎng)參數(shù)設(shè)置為Kp=4，Ki=0.7，Kd=0，bp=4%，ε=0.04 Hz，孤網(wǎng)參數(shù)設(shè)置為Kp=3.5，Ki=0.3，Kd=1，bp=1%，ε=0.5 Hz，無限幅，如圖8所示，當(dāng)頻差達(dá)到0.5 Hz，延時(shí)0.51 s時(shí)，由開度小網(wǎng)模式自動(dòng)切入開度孤網(wǎng)模式；當(dāng)頻率恢復(fù)為50 Hz后，開度孤網(wǎng)模式?jīng)]有自動(dòng)切回開度小網(wǎng)模式，機(jī)組在開度孤網(wǎng)模式下運(yùn)行穩(wěn)定。

圖7 開度大網(wǎng)模式自動(dòng)切入開度孤網(wǎng)模式且不自動(dòng)退出孤網(wǎng)功能校核

圖8 開度小網(wǎng)模式自動(dòng)切入開度孤網(wǎng)模式不退出孤網(wǎng)功能校核

2.4 遠(yuǎn)方/現(xiàn)地孤網(wǎng)模式負(fù)荷調(diào)整試驗(yàn)

（1）監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)整負(fù)荷

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行在開度孤網(wǎng)模式，通過監(jiān)控系統(tǒng)增減調(diào)整負(fù)荷，錄波數(shù)據(jù)如圖9所示。

（2）現(xiàn)地手動(dòng)調(diào)整負(fù)荷

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行在孤網(wǎng)開度模式，通過調(diào)速器屏柜實(shí)現(xiàn)增減調(diào)整負(fù)荷，錄波數(shù)據(jù)如圖10所示。

2.5 機(jī)組動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

（1）開度小網(wǎng)模式頻率擾動(dòng)試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行在開度小網(wǎng)模式，調(diào)速系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置為Kp=4，Ki=0.7，Kd=0，ε=0.04 Hz，bp=4%。通過信號(hào)發(fā)生器給調(diào)節(jié)系統(tǒng)施加轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)，如圖11所示，頻率階躍50-50.14-50 Hz，導(dǎo)葉開度變化量為5.03%，上升時(shí)間為85.1 s，調(diào)節(jié)時(shí)間為112.9 s，調(diào)速系統(tǒng)在小網(wǎng)參數(shù)下能夠平穩(wěn)、準(zhǔn)確的進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)整負(fù)荷

圖10 調(diào)速器屏柜調(diào)整負(fù)荷

圖11 頻率階躍50-50.14-50 Hz錄波圖

（2）開度孤網(wǎng)模式頻率擾動(dòng)試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行在開度孤網(wǎng)模式，調(diào)速系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置為Kp=3.5，Ki=0.3，Kd=1，ε=0.00 Hz，bp=1%，無限幅。通過信號(hào)發(fā)生器給調(diào)節(jié)系統(tǒng)施加轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)，如圖12所示，頻率階躍50-50.15-50 Hz，調(diào)速系統(tǒng)在孤網(wǎng)參數(shù)下能夠平穩(wěn)的進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。

圖12 頻率階躍50-50.15-50 Hz錄波圖

2.6 一次調(diào)頻限幅校驗(yàn)

手動(dòng)投入開度小網(wǎng)模式，通過信號(hào)發(fā)生器給調(diào)節(jié)系統(tǒng)施加轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)，調(diào)速器主要參數(shù)設(shè)置如下：Kp=4，Ki=0.7，Kd=0，ε=0.04 Hz，bp=4%，開度限幅為6%。頻率階躍量為0.24 Hz。錄波結(jié)果見圖13。

圖13 開度小網(wǎng)模式一次調(diào)頻限幅校核（0.24 Hz擾動(dòng)）

在無限幅情況下，導(dǎo)葉在頻率階躍下的動(dòng)作量為10%開度。根據(jù)錄波結(jié)果可得，導(dǎo)葉實(shí)際動(dòng)作量為6%。限幅有效且限制量正確。

2.7 甩25%Pn負(fù)荷及孤網(wǎng)自動(dòng)切換試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)帶36 MW負(fù)荷運(yùn)行在開度小網(wǎng)模式，小網(wǎng)參數(shù)設(shè)置為Kp=4，Ki=0.7，Kd=0，ε=0.04 Hz，bp=4%，孤網(wǎng)參數(shù)設(shè)置為Kp=3.5，Ki=0.3，Kd=1，bp=1%，ε=0.50 Hz，無限幅。跳開主變高壓側(cè)斷路器，并且保證發(fā)電機(jī)出口斷路器保持閉合，使其與電網(wǎng)斷開后帶廠用電運(yùn)行。

由圖14可知，調(diào)速器在頻差大于0.5 Hz約0.51 s后切入開度孤網(wǎng)模式運(yùn)行，機(jī)組頻率在4.4 s后達(dá)到最大值53.09 Hz，之后逐步恢復(fù)到50.1 Hz。試驗(yàn)中，機(jī)組功率、頻率無異常波動(dòng)，PID輸出和導(dǎo)葉開度動(dòng)作正常，能夠較好的恢復(fù)頻率的穩(wěn)定，機(jī)組孤網(wǎng)參數(shù)設(shè)置合理，在開度孤網(wǎng)模式下能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行。

圖14 毛兒蓋水電站3號(hào)機(jī)孤網(wǎng)試驗(yàn)錄波圖

3 結(jié)論

通過對(duì)毛兒蓋水電站機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)開度小網(wǎng)及開度孤網(wǎng)模式試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論如下：

（1）調(diào)速系統(tǒng)小網(wǎng)模式、孤網(wǎng)調(diào)節(jié)模式具有一致的調(diào)節(jié)框圖且可以獨(dú)立配置。通過對(duì)3號(hào)機(jī)組靜態(tài)試驗(yàn)，確定調(diào)速器小網(wǎng)、孤網(wǎng)PID參數(shù)、限幅、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)測(cè)試值與設(shè)備廠家現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置值基本一致。

（2）毛兒蓋水電站可以實(shí)現(xiàn)開度大網(wǎng)模式、開度小網(wǎng)模式、開度孤網(wǎng)模式相互之間的遠(yuǎn)方、現(xiàn)地的手動(dòng)切換；可以根據(jù)“頻差+延時(shí)”實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，調(diào)速器由開度大網(wǎng)/小網(wǎng)模式自動(dòng)切入開度孤網(wǎng)模式后不自動(dòng)返回開度大網(wǎng)/小網(wǎng)模式。

（3）頻率擾動(dòng)，負(fù)荷調(diào)整以及控制模式切換過程中，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)未見異常。

（4）毛兒蓋水電站3號(hào)機(jī)在甩25%負(fù)荷（甩負(fù)荷后帶廠用電）后調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入孤網(wǎng)調(diào)節(jié)模式，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)未現(xiàn)異常。