合面獅電站孤網(wǎng)運行試驗研究

鄔廷軍，馮 林

（1.東方電氣自動控制工程有限公司，四川 德陽 618000；2.合面獅水力發(fā)電廠，廣西 賀州 542899）

1 引言

合面獅電站位于廣西東部賀江中游，為廣西桂東電力股份有限公司的一個區(qū)域性電網(wǎng)的骨干電站。電站共裝機4臺20 MW軸流轉(zhuǎn)槳式機組，其中，電站3號、4號機組調(diào)速器為我公司改造設備。由于電站的實際需要，經(jīng)常存在機組輸出電網(wǎng)的切換,在輸出電網(wǎng)切換過程中，電站機組需要在孤網(wǎng)工況維持足夠長時間的穩(wěn)定運行。為此，機組孤網(wǎng)運行試驗是此次調(diào)速器改造合同必須進行的重點試驗項目。改造前，電站機組調(diào)速器在自動孤網(wǎng)工況一直無法穩(wěn)定運行。改造后，在首次單機孤網(wǎng)運行試驗過程中出現(xiàn)機組頻率發(fā)散振蕩，其頻率波動達到45～55 Hz，最終導致試驗失敗。通過對被控對象的仔細分析，找到了導致機組頻率發(fā)散振蕩的原因，提出了相應解決方案，并最終通過孤網(wǎng)運行試驗驗證了方案的可行性，解決了雙調(diào)機組調(diào)速器帶孤立負荷運行的穩(wěn)定性問題。

2 軸流轉(zhuǎn)槳式機組槳葉控制對頻率穩(wěn)定運行的影響

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組在負荷調(diào)節(jié)過程中需要同時對導葉與輪葉位置進行調(diào)整，在滿足電網(wǎng)負荷要求的前提下使機組在當前運行水頭下的效率最高而振動最小，機組功率輸出達到最大值。為此，導葉與輪葉位置之間應滿足水輪機在不同水頭下所要求的協(xié)聯(lián)關系。在某一水頭下，槳葉位置固定時機組功率輸出與導葉開度之間的關系如圖1所示，圖中標示點為最優(yōu)運行點。在機組最優(yōu)運行點，隨做導葉開度的增加，由于機組效率的降低機組功率輸出不是增加而是隨之減小。

圖1 槳葉位置固定時機組功率與導葉開度關系曲線

鑒于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機特性，水輪機槳葉與導葉位置調(diào)整速度間存在顯著差異，通常槳葉接力器全開/全關整定時間是導葉的5～6倍，電站3號、4號機導葉與槳葉開關機時間實際整定值見表1。當機組帶孤立負荷運行時，當擾動導致機組頻率降低而需增大機組導葉開度時，由于調(diào)節(jié)速度的巨大差異就會導致導葉與輪葉位置失去協(xié)聯(lián)關系，此時，調(diào)速器繼續(xù)增大導葉開度不僅不會增大機組出力，反而會由于效率的降低使機組出力下降，機組頻率也隨之降低，致使機組導葉繼續(xù)增加，這時調(diào)速器對機組轉(zhuǎn)速的控制實際上變?yōu)榱艘粋€正反饋過程，這對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性而言是必須要避免的，否則，調(diào)速器對水輪機導葉的控制很容易失去穩(wěn)定而振蕩；反之，當由于擾動導致機組頻率升高而減小機組導葉開度時，機組功率輸出便會隨導葉開度的減小而降低，對機組頻率的控制則始終為一負反饋過程。當機組并入大網(wǎng)運行時，由于電網(wǎng)的作用，機組功率輸出的變化幾乎不會引起機組頻率的波動。

表1 3號、4號機組導葉與輪葉整定時間

通過以上分析可以看出，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組帶孤立負荷運行時，必須考慮輪葉控制對機組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的影響，僅僅通過調(diào)整調(diào)速器控制系統(tǒng)PID運行參數(shù)方式難以滿足機組穩(wěn)定運行要求，需要從控制策略上考慮消除增大導葉開度時出現(xiàn)的正反饋過程。

3 調(diào)速器控制策略修改

基于上述分析，確認了調(diào)速器首次孤網(wǎng)運行試驗失敗的原因。為確保軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組帶孤網(wǎng)負荷運行的穩(wěn)定性要求，調(diào)速器控制系統(tǒng)從控制策略上進行了相應修改與完善。當機組處于孤網(wǎng)運行時增加了導葉在開啟方向的速度限制，且導葉開啟速度能夠根據(jù)輪葉位置變化速度自動調(diào)整，可以確保機組處于孤網(wǎng)運行時導葉與輪葉在開啟方向始終保持協(xié)聯(lián)關系，使機組處于最優(yōu)工況運行，從而消除了機組在導葉開啟方向可能產(chǎn)生的正反饋作用，調(diào)速器從控制策略上避免了機組轉(zhuǎn)速控制的不穩(wěn)定因素，為軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組孤網(wǎng)穩(wěn)定運行打下了基礎。

文獻[2]中提到了一種對軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組在孤網(wǎng)運行時槳葉采用分段分檔運行的控制策略,以滿足機組頻率控制穩(wěn)定性的要求，對軸流轉(zhuǎn)槳式機組調(diào)速器而言不是一種理想的適用性較好的解決方案。

4 調(diào)速器控制參數(shù)的整定

影響軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組孤網(wǎng)穩(wěn)定運行的因素除了調(diào)速器控制系統(tǒng)的控制策略外，調(diào)速器控制系統(tǒng)PID控制參數(shù)的整定對機組孤網(wǎng)運行的穩(wěn)定性與調(diào)節(jié)品質(zhì)同樣至關重要，文獻[3]對此進行了詳細的分析研究。

鑒于被控對象的時變與非線性特性，且被控對象為一非最小相位系統(tǒng)，因此，通常很難通過被控對象建模仿真計算的方式獲得理想的調(diào)節(jié)參數(shù)。電站孤網(wǎng)運行試驗時，也可能無法進行負荷擾動試驗對調(diào)節(jié)參數(shù)進行整定和優(yōu)化。因此，在電站機組孤網(wǎng)運行參數(shù)整定方面，通常簡單可行的方法是根據(jù)機組空載運行參數(shù)確定孤網(wǎng)運行調(diào)節(jié)參數(shù)的初始設定值，再通過機組帶廠用電情況下的頻率擾動試驗進行驗證與調(diào)整，最后通過實際孤網(wǎng)帶負荷運行試驗進行微調(diào)。

此外，當實際孤網(wǎng)試驗條件不具備時也可依據(jù)IEC 60308、GB/T 9652.2標準推薦的方法，采用孤網(wǎng)仿真試驗作為中間試驗方法，驗證、優(yōu)化調(diào)速器PID調(diào)節(jié)參數(shù)。

參考機組空載運行PID調(diào)節(jié)參數(shù)，電站3號、4號機組孤網(wǎng)運行時調(diào)速器PID參數(shù)最終整定結(jié)果見表2所示。

表2 3號、4號機組單機孤網(wǎng)運行參數(shù)整定結(jié)果

5 現(xiàn)場試驗結(jié)果

在電網(wǎng)允許的情況下，經(jīng)過充分的準備工作，再次分別進行了4號機組單機孤網(wǎng)運行與3號、4號機組雙機孤網(wǎng)運行測試試驗。首先進行了4號機組單機孤網(wǎng)帶12 MW負荷運行測試試驗，試驗方法為機組在大網(wǎng)帶穩(wěn)定負荷運行時通過切換線路開關方式直接轉(zhuǎn)換為帶孤立負荷運行，以檢驗機組能否維持足夠長時間的穩(wěn)定運行。在機組輸出電網(wǎng)切換后，調(diào)速器通過檢測機組頻率波動自動切換到孤網(wǎng)運行模式，調(diào)速器控制策略及PID調(diào)節(jié)參數(shù)自動進行相應切換。試驗持續(xù)時間約15 min，試驗結(jié)果頻率波動范圍為：-0.3～0.3 Hz，較好地達到了預期的試驗效果，驗證了調(diào)速器控制策略修改與PID控制參數(shù)整定的有效性，試驗錄波曲線見圖2所示。通過分析，適當減小了調(diào)速器孤網(wǎng)調(diào)節(jié)的人工頻率死區(qū)，隨后進行了3號、4號機組雙機帶孤網(wǎng)運行試驗。由于電網(wǎng)負荷約為18 MW，為避開機組運行振動區(qū)，試驗時根據(jù)電網(wǎng)負荷分配3號機帶約2. 5 MW、4號機帶約15.5 MW運行，試驗方法同上，試驗持續(xù)時間同樣約15 min，試驗結(jié)果頻率波動范圍為：-0.2～0.2 Hz，試驗取得圓滿成功，滿足了電站機組孤網(wǎng)運行的穩(wěn)定性要求，試驗錄波曲線見圖3所示。

圖2 4號機單機孤網(wǎng)試驗曲線

圖3 4號機雙機孤網(wǎng)試驗曲線

由于電網(wǎng)原因，現(xiàn)場孤網(wǎng)試驗時未進行負荷擾動試驗。然而，從試驗錄波曲線上可以看出，在單機帶孤網(wǎng)負荷運行試驗中途和雙機帶孤網(wǎng)負荷運行試驗的開始時段均存在一定大小的負荷突變，可以間接驗證負荷擾動時調(diào)速器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

通過試驗結(jié)果分析，可以確認調(diào)速器通過對控制策略的修改和調(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化后完全滿足電站機組孤網(wǎng)運行時的頻率穩(wěn)定性控制要求，試驗結(jié)果得到了用戶的認可，較好地實現(xiàn)了此次電站調(diào)速器改造工作目標。

6 結(jié)語

由于電站機組孤網(wǎng)運行試驗相對較少，特別是對于軸流轉(zhuǎn)槳式等雙調(diào)節(jié)機組而言，可供借鑒的經(jīng)驗更少。本文結(jié)合合面獅電站軸流轉(zhuǎn)槳式機組孤網(wǎng)運行試驗難得的機會，從調(diào)速器控制策略方面分析了軸流轉(zhuǎn)槳式機組孤網(wǎng)運行時頻率發(fā)散振蕩導致試驗失敗的原因，提出了相應的控制策略修改，以及控制參數(shù)整定的可行方法，并通過再次試驗驗證了調(diào)速器控制策略修改及控制參數(shù)整定的有效性，試驗最終取得成功，對軸流轉(zhuǎn)槳式等雙調(diào)節(jié)機組調(diào)速器在孤網(wǎng)控制策略的設計與孤網(wǎng)調(diào)節(jié)參數(shù)的整定方面具有重要的借鑒和指導意義。