水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)按功率一次調(diào)頻時(shí)的不穩(wěn)定現(xiàn)象

孔昭年，田忠祿，楊遠(yuǎn)生，王思文（.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 00048；.天津電氣科學(xué)研究院，天津 30030）

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)按功率一次調(diào)頻時(shí)的不穩(wěn)定現(xiàn)象

孔昭年1，田忠祿1，楊遠(yuǎn)生2，王思文2
（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.天津電氣科學(xué)研究院，天津 300301）

摘要：國(guó)內(nèi)中小型水電站建設(shè)中，水電站的?已提高達(dá)15～25s，需要研究此時(shí)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在承擔(dān)一次調(diào)頻時(shí)的特點(diǎn)。本文揭示了在以功率為目標(biāo)的一次調(diào)頻時(shí)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，以及在調(diào)頻過(guò)程中的形態(tài)均與?密切相關(guān)。對(duì)此提出改進(jìn)型的以接力器開(kāi)度為目標(biāo)的一次調(diào)頻。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；一次調(diào)頻；功率控制；開(kāi)度控制；導(dǎo)葉接力器；不穩(wěn)定現(xiàn)象

1　問(wèn)題的提出

近年我國(guó)開(kāi)發(fā)了不少?zèng)]有調(diào)壓井的長(zhǎng)引水系統(tǒng)的水電站[1]，這類水電站已提高達(dá)15～25s，顯然它應(yīng)滿足電力運(yùn)營(yíng)部門(mén)合理的技術(shù)要求。電力系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)并網(wǎng)機(jī)組的一次調(diào)頻功能，究其實(shí)質(zhì)是將調(diào)速器自動(dòng)、安全可靠性加以量化，提出要求，加以約束；DL/T1040電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則已頒布執(zhí)行[3]。一次調(diào)頻對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)提出的要求如下：并網(wǎng)機(jī)組均應(yīng)參與一次調(diào)頻；功率永態(tài)調(diào)差系數(shù)=4～5%;人工失靈區(qū)Ef=0.03～-0.03Hz：響應(yīng)特性應(yīng)滿足在頻率變化超過(guò)一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)，機(jī)組應(yīng)在15s內(nèi)響應(yīng)目標(biāo)功率，在45s內(nèi)機(jī)組實(shí)際功率與目標(biāo)功率偏差的平均值應(yīng)在其額定功率的3%～-3%內(nèi)，穩(wěn)定實(shí)際小于1min。DL/T1245水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則[4]中，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻階躍響應(yīng)要求機(jī)組帶負(fù)荷在穩(wěn)定運(yùn)行工況下，對(duì)于有效頻差變化不低于±0.1Hz的頻率階躍擾動(dòng)，一次調(diào)頻階躍響應(yīng)過(guò)程應(yīng)滿足如下要求之一：

（1）以開(kāi)度作為響應(yīng)目標(biāo)時(shí)，一次調(diào)頻的開(kāi)度響應(yīng)行為應(yīng)滿足如下要求：

1）自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開(kāi)始，至接力器開(kāi)始向目標(biāo)開(kāi)度變化時(shí)的開(kāi)度響應(yīng)滯后時(shí)間，應(yīng)不大于2s。

2）自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開(kāi)始，至接力器位移達(dá)到90%目標(biāo)值的上升時(shí)間，應(yīng)不大于12s。

3）自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開(kāi)始，至開(kāi)度調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定，所經(jīng)歷的時(shí)間不大于24s。

（2）以功率作為響應(yīng)目標(biāo)時(shí)，一次調(diào)頻的功率響應(yīng)行為應(yīng)滿足如下要求：

1）自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開(kāi)始，至機(jī)組有功開(kāi)始向目標(biāo)功率變化時(shí)的功率響應(yīng)滯后時(shí)間，對(duì)于額定水頭50m及以上的水電機(jī)組，不大于4s；對(duì)于額定水頭在50m以下的水電機(jī)組，不大于8s。

2）自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開(kāi)始，至機(jī)組有功達(dá)到90%目標(biāo)值的上升時(shí)間，應(yīng)不大于15s。

3）自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開(kāi)始，至功率調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定，所經(jīng)歷的時(shí)間不大于30s。

測(cè)試方法：

a、一次調(diào)頻試驗(yàn)準(zhǔn)備

b、將調(diào)速器切換至手動(dòng)，斷開(kāi)調(diào)速器機(jī)頻測(cè)量端，將頻率信號(hào)源接入調(diào)速器機(jī)頻測(cè)量端，由頻率信號(hào)源輸出額定頻率信號(hào)。

c、調(diào)速器測(cè)頻分辨率和精度校驗(yàn)

在調(diào)速器手動(dòng)狀態(tài)下，逐步改變頻率信號(hào)源輸出頻率，記錄調(diào)速器頻率測(cè)量值，驗(yàn)證測(cè)頻分辨率是否符合DL/T1245第5.1.7的要求，測(cè)頻誤差是否滿足設(shè)計(jì)要求。

d、一次調(diào)頻頻率/轉(zhuǎn)速死區(qū)及永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)校驗(yàn)

參照GB/T9652.2-2007之6.13.2、6.13.3節(jié)，DL/T496-2001之4.10.6節(jié)進(jìn)行。

e、一次調(diào)頻頻率階躍擾動(dòng)試驗(yàn)

調(diào)速器在自動(dòng)運(yùn)行方式下，投入一次調(diào)頻功能，機(jī)組帶60%～90%額定負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，通過(guò)信號(hào)源在額定頻率基礎(chǔ)上施加正負(fù)偏差的頻率階躍信號(hào)，有效頻率偏差絕對(duì)值應(yīng)不小于0.1Hz，記錄信號(hào)源頻率、主接力器位移、機(jī)組有功等信號(hào)的變化過(guò)程。

可以明確看出，前述實(shí)驗(yàn)方法（1）是在接力器帶上負(fù)載后考核經(jīng)典一次調(diào)頻功能；實(shí)驗(yàn)方法（2）及其指標(biāo)絕大部分考核的是水電站機(jī)電設(shè)備固有特性，而不是水輪機(jī)調(diào)速器的自身特性。參照此方法編制響應(yīng)程序開(kāi)展技術(shù)分析。

有功/開(kāi)度調(diào)節(jié)過(guò)程示意見(jiàn)圖1。

圖1一次調(diào)頻頻率階躍擾動(dòng)時(shí)的機(jī)組有功/開(kāi)度調(diào)節(jié)過(guò)程示意

除水輪機(jī)接力器外，可以通過(guò)計(jì)算研究分析水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在功率一次調(diào)頻時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性，以找出規(guī)律判斷是否滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。應(yīng)強(qiáng)調(diào)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生復(fù)雜的電磁現(xiàn)象，很難用簡(jiǎn)單的仿真技術(shù)予以解決，并給以清晰結(jié)論。目前為止尚沒(méi)有成功的計(jì)算分析并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻的報(bào)道，本文進(jìn)行探討性研究。

2　水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)按功率一次調(diào)頻時(shí)的不穩(wěn)定現(xiàn)象

在圖2上載有計(jì)算分析用的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻計(jì)算框圖。以閥代井問(wèn)題常發(fā)生在高水頭水電站，此時(shí)采用理想水輪機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析更有代表意義。圖中選擇開(kāi)關(guān)有和兩路信號(hào)的選擇。

圖2一次調(diào)頻計(jì)算框圖

由水輪機(jī)功率方程式：

由式（2）有穩(wěn)定條件：

bt>2bp

由式（3）有穩(wěn)定條件：

它與式（2）的第一個(gè)穩(wěn)定條件一致。

圖3為一次調(diào)頻y（t）過(guò)程，圖4、5為一次調(diào)頻p（t）過(guò)程。

圖3水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻y（t）過(guò)程

圖4水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻p（t）過(guò)程=0.5

圖5水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻p（t）過(guò)程=0.2

3　水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻時(shí)的過(guò)渡過(guò)程計(jì)算

當(dāng)選擇y路時(shí)，水輪機(jī)調(diào)速器是經(jīng)典的以導(dǎo)葉開(kāi)度為目標(biāo)的一次調(diào)頻，其傳遞函數(shù)為：

由圖2，借助Matlab很容易在給定cx后y（t）和p（t）過(guò)渡過(guò)程曲線。在圖3上載在cx=0.002的指令后，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作在線性區(qū)（沒(méi)有計(jì)入水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)死區(qū)的影響），系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性為一階慣性環(huán)節(jié)，系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)為0.1s，其動(dòng)力學(xué)特性與水流慣性無(wú)任何關(guān)系，在緩沖參數(shù)為零時(shí)系統(tǒng)更有出色的動(dòng)態(tài)特性。實(shí)際上這是經(jīng)典的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻功能。

令人困惑的是，從機(jī)械調(diào)速器起，一次調(diào)頻功能一直就默默的發(fā)揮積極的作用，現(xiàn)在卻被炒作成行業(yè)的話題。近年借鑒外國(guó)公司樣本和火電的原理結(jié)構(gòu)，采用以功率變送器為反饋核心的一次調(diào)頻系統(tǒng)（相關(guān)計(jì)算結(jié)果載于圖4）。通過(guò)計(jì)算可歸納如下規(guī)律：

（5）應(yīng)注意，圖4～5計(jì)算是在本文提出的模型及理想水輪機(jī)條件下取得，通過(guò)計(jì)算可知，實(shí)際轉(zhuǎn)速的變化對(duì)縮短控制時(shí)間有積極作用。在實(shí)際應(yīng)用中，需要在～參數(shù)平面上進(jìn)行廣泛的優(yōu)化試驗(yàn)，以確定功率型一次調(diào)頻的運(yùn)行參數(shù)；由前述該實(shí)驗(yàn)方法對(duì)機(jī)組有相當(dāng)?shù)臐撛谖ｋU(xiǎn)性；

（6）可能正因?yàn)榇嗽?，有文獻(xiàn)提出了可實(shí)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)的雙PID水輪機(jī)調(diào)節(jié)器，一路用于常規(guī)按導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)節(jié)，另一路PI調(diào)節(jié)器專用于功率型一次調(diào)節(jié)器。已頒布執(zhí)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)經(jīng)典型水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以接力器位移為目標(biāo)的一次調(diào)頻功能仍給以關(guān)注，最根本的原因是，它有高的速動(dòng)性，無(wú)需試驗(yàn)優(yōu)化，其特性與水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的水流慣性、緩沖回路參數(shù)無(wú)關(guān)；

（7）水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的水擊現(xiàn)象構(gòu)成水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)；只要粗略比較圖3和圖4就可看出經(jīng)典系統(tǒng)的優(yōu)越性。借鑒其它領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)應(yīng)持慎重態(tài)度（如有極個(gè)別業(yè)主要求用功率信號(hào)綜合），調(diào)速器業(yè)內(nèi)在函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)已有非常成功的經(jīng)驗(yàn)，即在導(dǎo)葉接力器回路接入函數(shù)發(fā)生器[2]，這種改良型一開(kāi)度為目標(biāo)的一次調(diào)頻，可實(shí)現(xiàn)即保留接力器反饋的所有優(yōu)越性，又可滿足功率信號(hào)為目標(biāo)實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻的欲望。實(shí)際上功率傳感器在精度、輸出信號(hào)的延時(shí)效應(yīng)、可靠性等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)接力器位移傳感器。綜合比較，以開(kāi)度為目標(biāo)的一次調(diào)頻優(yōu)于以功率為目標(biāo)的一次調(diào)頻。

參考文獻(xiàn)：

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[3]DL/T1040．電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則[S]．

[4]DL/T1245．水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則[S]．

中圖分類號(hào)：TK730.4+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2015）03-0001-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.001

收稿日期：2015-01-15

作者簡(jiǎn)介：孔昭年（1941-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究工作。