軸流轉(zhuǎn)槳機組孤網(wǎng)運行的研究

張中亞，田紅彬，張國勛，田亞君，宋 揚

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軸流轉(zhuǎn)槳機組孤網(wǎng)運行的研究

張中亞1，田紅彬2，張國勛1，田亞君1，宋 揚1

(1. 天津電氣傳動設計研究所有限公司，天津300180；2. 河南職業(yè)技術學院電氣工程系，河南鄭州450046）

剛果（布）國家電網(wǎng)陳舊，而且系統(tǒng)負荷主要集中在離英布魯電站300多公里的首都布拉柴維爾，剛果英布魯電站軸流轉(zhuǎn)槳機組的槳葉協(xié)聯(lián)在孤網(wǎng)系統(tǒng)中嚴重影響了系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。通過優(yōu)化PID調(diào)節(jié)參數(shù)，并改變槳葉的調(diào)節(jié)規(guī)律，使調(diào)速器既能保證聯(lián)網(wǎng)運行平穩(wěn)，又可以滿足孤網(wǎng)運行要求。

調(diào)速器；孤網(wǎng)；槳葉；協(xié)聯(lián)；剛果英布魯電站

0 前言

剛果（布）英布魯水電樞紐工程位于剛果河支流萊菲尼河下游，距剛果河匯合口14km，距首都布拉柴維爾215km。英布魯水電站承擔剛果電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和骨干電站作用?？値烊轂?.84×108m3，廠房安裝哈爾濱電機廠生產(chǎn)的軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機組四臺，單機容量30MW，總?cè)萘?20MW，年發(fā)電量6.85億kW·h。剛果電網(wǎng)不需要電站承擔調(diào)峰任務時，電站在正常蓄水位308.50m運行；當剛果電網(wǎng)需要電站承擔調(diào)峰任務時，電站的運行水位在308.20m至正常蓄水位308.50m之間。

英布魯電站建成以前，剛果(布)的電力需求主要依靠從剛果（金）進口來滿足，英布魯電站的建成不但滿足了本國的電力需求，而且還可以把剩余電力出口到剛果（金）。剛果（布）政府出于國家能源安全的戰(zhàn)略考慮，要求英布魯電站必須具備孤網(wǎng)運行的能力。但是，剛果（布）國家電網(wǎng)陳舊，而且系統(tǒng)負荷主要集中在離英布魯電站300多公里（電力系統(tǒng)輸變電線路距離）的首都布拉柴維爾，這種電源點和負載點分別位于線路兩端的長線路系統(tǒng)是比較容易產(chǎn)生震蕩的電力系統(tǒng)。

1 孤網(wǎng)試驗過程

第一步：孤網(wǎng)試驗之前，剛果（金）國家電網(wǎng)與剛果（布）國家電網(wǎng)是聯(lián)網(wǎng)運行的。首先，將剛果（布）電力系統(tǒng)中各變電站的負荷按照先大后小的順序逐步甩掉，當剛果（金）國家電網(wǎng)與剛果（布）國家電網(wǎng)之間的負載潮流為零時，剛果（布）國家電網(wǎng)與剛果（金）國家電網(wǎng)解列，由英布魯電站帶剛果（布）國家電網(wǎng)獨立運行。然后，繼續(xù)逐步甩掉全部系統(tǒng)負荷，英布魯電站機組全部停機。

第二步：啟動英布魯電站的一臺機組，發(fā)電機零起升壓并以30%額定電壓充全線路，然后逐漸建立起正常的系統(tǒng)電壓。

第三步：根據(jù)負荷先小后大的原則，逐步將各變電站的負荷突加在孤網(wǎng)系統(tǒng)中。當系統(tǒng)負荷達到70%機組額定負荷時再啟動第二臺機組，以此直至將四臺機組全部開啟，所帶負荷約100MW。

2 槳葉協(xié)聯(lián)對孤網(wǎng)運行的影響

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機槳葉的轉(zhuǎn)角根據(jù)導葉開度和水頭的變化而變化，這種協(xié)聯(lián)關系可以有效提高水輪機的效率，因此，在聯(lián)網(wǎng)運行狀態(tài)多有應用。然而對于孤網(wǎng)運行狀態(tài)而言，導葉的快速調(diào)整可以很快地穩(wěn)定系統(tǒng)頻率，但是槳葉總是滯后于導葉，槳葉轉(zhuǎn)角的任何變化都將引起機組出力的波動，打亂了導葉已經(jīng)調(diào)好的系統(tǒng)頻率，引起頻率的振蕩。剛果（布）英布魯電站與剛果（金）組網(wǎng)運行時，調(diào)速器投入?yún)f(xié)聯(lián)，機組運行平穩(wěn)；孤網(wǎng)運行時，調(diào)速器退出協(xié)聯(lián)功能，機組定槳運行的頻率調(diào)節(jié)效果良好如圖1所示，系統(tǒng)頻率比組網(wǎng)時還穩(wěn)定。但是，如果調(diào)速器在孤網(wǎng)狀態(tài)下投入?yún)f(xié)聯(lián)功能，一旦系統(tǒng)負荷有較大波動，系統(tǒng)頻率就會長時間振蕩，不易收斂。

圖1 定槳調(diào)節(jié)

3 解決方案

3.1 選擇最優(yōu)PID參數(shù)

調(diào)速器可以保證機組的空載及甩負荷后的穩(wěn)定性，但由于孤網(wǎng)中突變負荷量（含突增和突減負荷）與機組功率的比值相對較大，負荷隨機性突變的次數(shù)較多，容易造成運行中頻率波動峰值過大，引起過速或低頻停機。所以，必須通過空載擾動試驗，選擇調(diào)速器最優(yōu)PID運行參數(shù)，才能應對最惡劣的突發(fā)狀況。圖2是K=1.4，K=0.2，K=0.5時上擾和下擾4Hz的波形。

3.2 降低調(diào)節(jié)速度

既然剛果（布）英布魯電站定槳孤網(wǎng)運行時頻率調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，我們通過延長槳葉調(diào)整時間讓槳葉緩慢調(diào)節(jié)，相當于定槳運行，有效降低了槳葉調(diào)整時對頻率的干擾沖擊。圖3是孤網(wǎng)系統(tǒng)突增6MW負荷時的波形圖。

3.3 分頻率段調(diào)節(jié)

通過延長槳葉調(diào)整時間，雖然可以降低槳葉對系統(tǒng)頻率的擾動，但是在系統(tǒng)大負荷波動時，不利于頻率的快速調(diào)整。

為了適應機組甩負荷或系統(tǒng)大負荷波動時的調(diào)節(jié)工況，當頻率大于51.5Hz或小于49Hz時槳葉按照原來的步進電機轉(zhuǎn)角進行調(diào)整，使機組快速平穩(wěn)調(diào)節(jié)到空載狀態(tài)。當頻率在49~51.5Hz范圍內(nèi)時，調(diào)速器通過軟件減小步進電機的最大旋轉(zhuǎn)角度，延緩槳葉的調(diào)整速度，以適應孤網(wǎng)正常負荷投退引起的頻率波動。

圖2 空載擾動

圖3 突增6MW負荷

3.4 多步幅優(yōu)化調(diào)節(jié)

在此基礎上，通過修改軟件讓槳葉在頻率大范圍波動時的某個頻率波動范圍內(nèi)（如50±0.3Hz）暫時不調(diào)節(jié)，經(jīng)過延時，等待頻率穩(wěn)定后再進行槳葉調(diào)節(jié)。這樣，槳葉就可以調(diào)一下等待頻率穩(wěn)定后再調(diào)一下，分為若干較小的步幅到達目標值，既避免了槳葉調(diào)整引起頻率振蕩，又可以控制水輪機高效率運行。圖4是調(diào)速器軟件優(yōu)化調(diào)節(jié)后的突減6MW負荷波形圖。

剛果（布）當?shù)貢r間2012年3月3日15:26，只有英布魯電站三臺機組帶剛果（布）國家電網(wǎng)運行，系統(tǒng)有功負荷突降39MW（由72.82MW降至33.33MW，降幅遠超過原計劃的10%），機組能夠快速調(diào)整，恢復電網(wǎng)穩(wěn)定運行，說明調(diào)速器調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，在電網(wǎng)出現(xiàn)較大擾動的情況下，英布魯水電站能夠維持孤網(wǎng)的穩(wěn)定運行。通過這次事件證明，英布魯水電站完全具備在調(diào)速器協(xié)聯(lián)投入的情況下抵御較大的電網(wǎng)擾動及獨立承擔剛果電網(wǎng)負荷并穩(wěn)定運行的能力。剛果（布）重大工程委員會也代表剛果政府對此給予了高度評價。

圖4 突減6WM負荷

4 結(jié)論

剛果（布）英布魯電站孤網(wǎng)運行試驗是一次少見的大中型水電站孤網(wǎng)運行試驗，它的試驗成功為以后大中型電站孤網(wǎng)運行積累了寶貴的經(jīng)驗。孤網(wǎng)系統(tǒng)需要調(diào)速器具有良好的PID調(diào)節(jié)性能，同時，通過改變槳葉協(xié)聯(lián)的調(diào)節(jié)規(guī)律，優(yōu)化調(diào)節(jié)模式，可以很好地解決軸流轉(zhuǎn)槳機組的槳葉協(xié)聯(lián)給長線路孤網(wǎng)系統(tǒng)帶來的擾動問題，經(jīng)電站突增負荷、突減負荷、甩負荷等試驗和運行證明調(diào)速器控制軸流轉(zhuǎn)槳機組既可以聯(lián)網(wǎng)平穩(wěn)運行，又能滿足孤網(wǎng)穩(wěn)定運行要求。

[1] 魏守平. 水輪機控制工程[M]. 武漢：華中科技大學出版社, 2005.

[2] 孔昭年. 水輪機控制系統(tǒng)的設計與計算[M]. 武漢：長江出版社, 2012.

Isolated Net Research of Kaplan Turbine Unit

ZHANG Zhongya1, TIAN Hongbin2, ZHANG Guoxun1, TIAN Yajun1, SONG Yang1

(1. Tianjin Design & Research Institute of Electric Drive CO. LTD. Tianjin, 300180,China;2. Department of Electrical Engineering, Henan Polytechnic, Henan 450046, China)

Congo, Rep national power grid is antiquated, and the system load is mainly concentrated in the capital Brazzaville that is more than 300 kilometers away from Imboulou power station. The blade on cam of Kaplan turbine in Imboulou power station seriously impact on the system frequency stability in isolated system. By optimizing PID regulating parameters and changing the blade adjustment rule, the governor can not only guarantee the operation smooth in grid, but also meet the operation requirements of isolated grid.

governor; isolated net; blade; on cam; CONGO imboulou power station

TK733+.5

A

1000-3983(2014)02-0074-02

2013-04-20

張中亞(1975-)，男，本科，高工，在天津電氣傳動設計研究所有限公司從事水輪機控制設備的研究與設計。

審稿人：樸秀日