水輪發(fā)電機組調(diào)速器參數(shù)及其選定

董開松，李鵬吉，王 軍，侯紀坤，孔繁臣

（1.甘肅電力科學研究院，蘭州 730050;2.白山發(fā)電廠，吉林樺甸 132400;3.惠州蓄能水電廠，廣東 惠州 516100;4.西安理工大學，西安 710048）

水輪發(fā)電機組調(diào)速器參數(shù)及其選定

董開松1，李鵬吉2，王 軍3，侯紀坤4，孔繁臣2

（1.甘肅電力科學研究院，蘭州 730050;2.白山發(fā)電廠，吉林樺甸 132400;3.惠州蓄能水電廠，廣東 惠州 516100;4.西安理工大學，西安 710048）

0 引言

水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)[1-3]是通過不斷的調(diào)整水力發(fā)電機組的有功功率的輸出，并維持機組轉(zhuǎn)速（頻率）在規(guī)定的范圍內(nèi)，來滿足發(fā)電機正常發(fā)電和電力系統(tǒng)安全運行的需要。按照我國電力部門規(guī)定，電網(wǎng)的額定頻率為50Hz，大電網(wǎng)允許的頻率偏差為±0.2Hz。

調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)包括調(diào)節(jié)對象參數(shù)和調(diào)速器參數(shù)，已建水電站的參數(shù)是不能改變的，而調(diào)速器的參數(shù)是可以調(diào)整的，如果調(diào)速器參數(shù)選定不合理，會造成機組穩(wěn)定性差，并網(wǎng)困難，供電質(zhì)量差等問題。調(diào)速器控制著水力發(fā)電機組的正常開停機、空載、并網(wǎng)、增減負荷等每一個環(huán)節(jié)，并使機組穩(wěn)定可靠的維持電力系統(tǒng)的功率平衡、頻率穩(wěn)定。

白山發(fā)電廠位于吉林省樺甸市境內(nèi)，第二松花江上游，裝有5臺單機容量300MW的懸式混流水輪發(fā)電機組，總裝機容量1500MW，設計年發(fā)電量20億kW·h。白山電站以發(fā)電為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合利用效益，承擔東北電網(wǎng)主要調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務。其調(diào)速器為KZT-150型塊式直連型機械液壓調(diào)速器，主配壓閥直徑為150mm，具有自動復中功能，并且取消了原調(diào)速器柜內(nèi)的管道，具有結構簡單、環(huán)境清潔的特點；自動復中裝置具有自動復中、信號放大、結合力大、操作力小等特點[4]。本文結合白山發(fā)電廠水力發(fā)電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗對調(diào)速器主要參數(shù)進行整定。

1 調(diào)速器工作原理

白山發(fā)電廠所采用的調(diào)節(jié)器是采用0～10V電信號輸入電氣調(diào)節(jié)器或者微機調(diào)節(jié)器，然后經(jīng)過電液伺服閥使電信號轉(zhuǎn)化為壓力信號，三級放大后的操作力來操作導水機構，最后實現(xiàn)頻率和負荷調(diào)控。電液隨動系統(tǒng)具有三級液壓放大，第一級是電液伺服閥，第二級是由引導閥和服輔助接力器組成的液壓放大系統(tǒng)，使配壓閥動作正比例位移，主接力器油壓操作力做功，接力器進行動態(tài)調(diào)整使微機信號與主接力器接卸反饋信號一致，達到穩(wěn)定狀態(tài)。

在電手動工作狀態(tài)下，電液隨動系統(tǒng)可直接將輸入信號線性的轉(zhuǎn)換成主接力器位移，其原理框圖如圖1所示。

圖1 信號傳輸原理

2 參數(shù)及其選定

2.1 調(diào)速器主要參數(shù)

2.1.1 永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp

永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)是指調(diào)速系統(tǒng)特性曲線上某一規(guī)定運行點處的斜率的負數(shù)，它反映了調(diào)速器的轉(zhuǎn)速與接力器行程變化的關系。對于調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，它是表示機組空載額定轉(zhuǎn)速之比。bp對調(diào)節(jié)品質(zhì)有一定的影響，bp增大，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。在保證穩(wěn)定的前提下，為了提高調(diào)速器的快速動作，應盡量地減少bp值。實際上bp值并不是根據(jù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能來調(diào)整，而是根據(jù)機組在電力系統(tǒng)中的地位、承擔負荷的性質(zhì)以及機組之間負荷的分配等因素，由電力系統(tǒng)調(diào)度所來給定，一般為0～4%。對于大容量并參與系統(tǒng)調(diào)頻的機組，bp值相對選擇較小值；對于帶基本負荷或小容量機組，bp值一般選偏大值。

2.1.2 暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt

暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt值是改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一，軟反饋是減緩調(diào)速器在動態(tài)過程中的調(diào)節(jié)作用，以抑制過調(diào)節(jié)現(xiàn)象，保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性。bt值增加，穩(wěn)定區(qū)域相應增加。但并不是說bt值越大越好，當bt值過大時，調(diào)節(jié)速度過慢、調(diào)節(jié)時間過長，轉(zhuǎn)速偏差就會增大，反而會使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。

2.1.3 緩沖時間常數(shù)Td

緩沖時間常數(shù)Td值是保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要參數(shù)之一，Td表示暫態(tài)反饋存在的時間長短。Td值增大，穩(wěn)定區(qū)域增大，反之則相反，Td越大，抑制調(diào)節(jié)的作用越顯著，它與bt相配合，控制著調(diào)速器的調(diào)節(jié)質(zhì)量，但Td太大使轉(zhuǎn)速偏差過大，調(diào)節(jié)時間延長，Td減小可提高調(diào)速器的速動性。因此Td是影響調(diào)速器動作速度、調(diào)節(jié)質(zhì)量以及穩(wěn)定性的重要參數(shù)。

2.2 參數(shù)選定方法

合理的調(diào)速器參數(shù)[4]是保證水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有良好穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì)的前提條件之一。在現(xiàn)場工作中，對于調(diào)速器的參數(shù)整定通常是根據(jù)經(jīng)驗對多組參數(shù)進行試驗，尤其是對PID調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)速器參數(shù)整定，在滿足安全、穩(wěn)定運行的條件下，選取最優(yōu)的參數(shù)組作為最后的運行整定參數(shù)。

下面結合實際對調(diào)速器參數(shù)選定的空載、負載、甩負荷試驗進行分析。

2.2.1 空載擾動試驗

空載擾動試驗是通過試驗的方法確定水輪發(fā)電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，使機組達到安全穩(wěn)定運行的目的。其試驗過程如下：

1）根據(jù)水電站實際情況，預先設定若干組試驗參數(shù)。根據(jù)電液轉(zhuǎn)換器行程放大比K選取1∶1、1∶1.4、1∶2或1∶3中的一個K值進行試驗。

2）選擇PID三環(huán)節(jié)的試驗參數(shù)。

其方法是利用斯坦因或克里夫琴科的建議公式（1）～（3）

對Tω（水流慣性時間常數(shù)）和Ta(機組慣性時間常數(shù)）換算成PID電調(diào)三環(huán)節(jié)參數(shù)（4）～（6）

試驗過程中，K值取某一設定的參數(shù)，當取bt和Tn的最小值是可得出Kp、TI、TD的一組數(shù)值。同理，當取bt和Tn的最大值是可得出Kp、TI、TD的另一組數(shù)值。然后，再取最大值和最小值的中間值，組成3組數(shù)值，連同bp（永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)）分別取4%、6%、8%，因此，具有4個制約因素數(shù)值組。根據(jù)以上4個數(shù)值組做空載擾動試驗，通常情況下，可以從中選出一組保證水輪發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行的參數(shù)組作為整定參數(shù)。

最后，實施實驗階段的具體做法是將上述的每組數(shù)據(jù)分別作空擾試驗，每進行一次，都要將該組數(shù)值整定到調(diào)速器上相應的刻度。使機組頻率穩(wěn)定于48Hz左右，利用頻率給定旋鈕迅速將頻率調(diào)至52Hz，待調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，再由52Hz返回48Hz。目測轉(zhuǎn)速表或用儀器自動記錄升和降兩次，觀察其轉(zhuǎn)速變化的過渡過程，通過對過渡過程的分析尋找出最優(yōu)整定參數(shù)組。若用以上數(shù)組數(shù)值作空擾均達不到要求，就應作定性分析，如更換K值后，重新試驗。對找到的最優(yōu)參數(shù)組還應在做一次試驗進行檢驗，最后核實一下試驗結果是否最優(yōu)，同時也檢驗了試驗的重復性，在認為完全滿意后就以這組參數(shù)作整定值。

2.2.2 負載擾動試驗

負載擾動試驗是通過試驗的方法確定負載工況時的水輪發(fā)電機組調(diào)節(jié)器的最優(yōu)參數(shù)。其試驗過程如下。

1）根據(jù)水輪發(fā)電機組運行歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗設定若干組負載工礦的參數(shù)組。為保證電網(wǎng)的安全運行，調(diào)速器要具有快速適應性，當在小電網(wǎng)系統(tǒng)中運行時，負載Kp、TI值與其空載工況時的Kp、TI值基本相同；當在大電網(wǎng)系統(tǒng)中運行時，負載Kp值稍大一些，負載TI值接近于零。

2）在試驗確定的空載最優(yōu)整定參數(shù)下水輪發(fā)電機組進行并網(wǎng)，功率增減10%～20%的額定負荷。然后，同于空載擾動試驗步驟，可找到最優(yōu)調(diào)節(jié)過程，從而確定負載最優(yōu)整定參數(shù)。當然，這種最優(yōu)參數(shù)是在某種運行方式下取得的，試驗時應針對電站可能的運行方式多做幾組試驗，以取得不同運行方式下的最優(yōu)整定參數(shù)(備用)。

2.2.3 甩負荷試驗

甩負荷試驗時應用試驗的方法確定負載擾動試驗和空載擾動試驗過程中選定的整定參數(shù)是否與保證計算相符合，并檢驗水輪發(fā)電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。

具體試驗過程如下：

1）調(diào)整調(diào)速器開關機時間。方法是在無水工況下，通過緊急停機電磁閥，進行一次甩負荷試驗。

2）確認整定參數(shù)的最優(yōu)性。方法是在2.2.1和2.2.2試驗中所選取的征訂參數(shù)下，開機并網(wǎng)帶負荷，然后跳開水輪發(fā)電機組出口斷路器，根據(jù)水輪發(fā)電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過渡過程情況，確認取得安全穩(wěn)定運行的可靠結果，即為取得了最優(yōu)的整定參數(shù)。

2.3 水電廠運行要求

根據(jù)水電廠現(xiàn)場運行規(guī)程要求，通過空載擾動試驗獲得的空載最優(yōu)整定參數(shù)，要能夠保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定，在以后的運行過程中不能再變動；通過負載擾動試驗所獲得的負載最優(yōu)整定參數(shù)，在運行時可根據(jù)機組單機帶負荷、并大電網(wǎng)或并小電網(wǎng)予以改變，以獲得最優(yōu)調(diào)節(jié)過程。

3 結語

對于已建成的水電站而言，調(diào)節(jié)對象參數(shù)是不能改變的，而調(diào)速器的某些參數(shù)是可以調(diào)整的。本文對KZT-150型塊式直連機械液壓調(diào)速器的永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp、暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt、緩沖時間常數(shù)Td進行分析。通過空載擾動、負載擾動、甩負荷3項試驗確定該調(diào)速器最優(yōu)運行參數(shù)。通過此方法對調(diào)速器主要參數(shù)的整定，現(xiàn)場機組運行狀況良好。

同時，水輪發(fā)電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)同電站的環(huán)境條件、機組布置方式和電力系統(tǒng)負荷等具體情況有關。因此，水輪發(fā)電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)規(guī)律，還有待在今后的實際工作中進一步分析并完善。希望此方法對其他水電廠水輪發(fā)電機組調(diào)速器的運行與管理具有一定的參考價值和實際意義。

[1]魏守平.現(xiàn)代水輪機調(diào)節(jié)技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2002.

[2]沈祖詒.水輪機調(diào)節(jié)[M].3版.北京：中國水利水電出版社，2006.

[3]南海鵬.水輪發(fā)電機組PCC控制[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2002.

[4]孔繁臣.水輪機調(diào)速器參數(shù)選定及調(diào)試中常見故障分析[J].廣東水利水電，2007（8）:79-81.

Governor Parameters and Its Selection of Hydropower Units

DONG Kai-song1,LIPeng-ji2,WANG Jun3,HOU Ji-kun4,KONG Fan-chen2
(1.Gansu Electric Power Research Institute,Lanzhou 730050,Gansu Province,China；2.Baishan Hydropower Plant,Huadian 132400,Jilin Province，China；3.Huizhou Pumped Storage Water Power Station,Huizhou 516100,Guangdong Province,China；4.Xi’an University of Technology，Xi’an 710048,Shaanxi Province,China）

This paper analyzes permanent speed droop bp,temporary speed droop bt,and time constant Tdof damping device of KZT-150-type Block Direct Connect Mechanical Hydraulic Governor.Through no-load disturbing test,loaded test,and load rejection test to determine the optimum operating parameters of governor.This method has certain reference significance for parameters selection of other hydropower hydrogenerating unit governor.

hydropower unit；governor；parameter selection摘要：對KZT-150型塊式直連機械液壓調(diào)速器的永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp、暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt、緩沖時間常數(shù)Td進行分析。通過空載擾動、負載擾動、甩負荷3項試驗確定該調(diào)速器最優(yōu)運行參數(shù)。此方法對其他水電廠水輪發(fā)電機組調(diào)速器的參數(shù)選定具有一定的借鑒意義。

水力發(fā)電機組；調(diào)速器；參數(shù)選定

國家自然科學基金項目（50779056）資助。

1674-3814（2010）09-0062-03

TM312

B

2010-08-09。

董開松（1967—），男，碩士，高級工程師，主要從事水電機組及其附屬設備的安裝、調(diào)試和試驗工作，風電、光伏等新能源發(fā)電設備的檢測和研究工作；

李鵬吉（1980—），男，助理工程師，白山發(fā)電廠機械部專責工程師，從事水輪發(fā)電機組技術管理工作。

（編輯 李 沈）