SAFR-2000H調(diào)速器系統(tǒng)有功調(diào)整穩(wěn)定性分析

劉廣宇，范進(jìn)喜，劉細(xì)輝

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司官地水力發(fā)電廠，四川 涼山 615704）

SAFR-2000H調(diào)速器系統(tǒng)有功調(diào)整穩(wěn)定性分析

劉廣宇，范進(jìn)喜，劉細(xì)輝

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司官地水力發(fā)電廠，四川 涼山 615704）

由調(diào)速器控制數(shù)學(xué)模型入手，結(jié)合一次調(diào)頻及負(fù)荷調(diào)整性能分析，同時針對有功調(diào)整過程中發(fā)現(xiàn)的問題提出了優(yōu)化建議，為機(jī)組有功調(diào)整穩(wěn)定可靠設(shè)計提供了參考，對機(jī)組有功調(diào)整策略的優(yōu)化有借鑒意義。

有功調(diào)整；開度模式；功率模式；穩(wěn)定性

SAFR-2000H調(diào)速器控制系統(tǒng)采用奧地利B&R公司2005系列PCC組成不同控制結(jié)構(gòu)、獨立雙通道，有功調(diào)整有開度和功率兩種模式。開度模式是在監(jiān)控系統(tǒng)上形成功率調(diào)節(jié)閉環(huán)，即監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定有功功率后，電調(diào)接收監(jiān)控系統(tǒng)開出脈沖，進(jìn)行導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，由監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)功率反饋值進(jìn)行閉環(huán)有功調(diào)節(jié)。功率模式是在調(diào)速器PCC控制系統(tǒng)上形成功率調(diào)節(jié)閉環(huán)，即調(diào)速器系統(tǒng)接收監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)有功功率定值（模擬量），以自身功率變送器作為反饋量，進(jìn)行導(dǎo)葉調(diào)節(jié)。

1 調(diào)速器控制數(shù)學(xué)模型分析

SAFR-2000H調(diào)速器控制系統(tǒng)具有頻率調(diào)節(jié)模式、功率調(diào)節(jié)模式及開度調(diào)節(jié)模式，并依據(jù)不同工況自動選用。整個控制結(jié)構(gòu)由主環(huán)及導(dǎo)葉副環(huán)組成，主環(huán)控制是變結(jié)構(gòu)的控制機(jī)構(gòu)，變換的原則是適應(yīng)當(dāng)時的運行工況和控制方式以獲得最優(yōu)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，導(dǎo)葉副環(huán)數(shù)字PID控制，使導(dǎo)葉閉環(huán)控制更精確，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)、靜特性指標(biāo)、開度測量準(zhǔn)確性更好。

SAFR-2000H調(diào)速器控制系統(tǒng)采用多級閉環(huán)、變結(jié)構(gòu)變參數(shù)原理，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要采用改進(jìn)型PID控制（見圖1），系統(tǒng)振蕩時疊加非線性魯棒控制規(guī)律，以抑制電力系統(tǒng)振蕩，增加電力系統(tǒng)阻尼。

SAFR-2000H系列水輪機(jī)調(diào)速器電氣調(diào)節(jié)裝置采用國網(wǎng)電力科學(xué)研究院研發(fā)的NARI-PID2控制算法，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用改進(jìn)型PID控制，與經(jīng)典PID相比，改進(jìn)型PID有較大優(yōu)點。經(jīng)典PID結(jié)構(gòu)永態(tài)轉(zhuǎn)差率Bp取自PID綜合輸出部分，而改進(jìn)型PID單取自積分I輸出。

圖1 調(diào)速器數(shù)學(xué)模型

經(jīng)典PID控制傳遞函數(shù)為：

改進(jìn)PID控制傳遞函數(shù)為：

通過比較上面兩式，發(fā)現(xiàn)兩者分子相同，但式（2）的分母比式（1）少一階，即改進(jìn)型PID控制比經(jīng)典PID在傳遞函數(shù)上少一個極點，式（2）結(jié)構(gòu)具有更好的動態(tài)調(diào)節(jié)性能，穩(wěn)定域更寬。

2 一次調(diào)頻性能分析

2.1 一次調(diào)頻響應(yīng)行為

在額定頻率50 Hz基礎(chǔ)上分別施加正負(fù)階躍頻率偏差信號（±0.10 Hz、±0.15 Hz、±0.20 Hz等），檢驗機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)性能，具體試驗結(jié)果見表1、2。

開度模式下，機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)滯后時間平均為2.5 s，機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整幅度達(dá)90%的時間平均為12.1 s，機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷穩(wěn)定時間平均為21 s，功率模式下，機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)滯后時間平均為1.8s，機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整幅度達(dá)90%的時間平均為10.5 s，機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷穩(wěn)定時間平均為25 s，均符合《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術(shù)導(dǎo)則》、《華中電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻技術(shù)管理規(guī)定》要求。

表1 開度模式下一次調(diào)頻試驗數(shù)據(jù)記錄表

表2 功率模式下一次調(diào)頻試驗數(shù)據(jù)記錄表

2.2 校核機(jī)組一次調(diào)頻的調(diào)整負(fù)荷限幅功能

在額定頻率50 Hz基礎(chǔ)上分別施加±0.25 Hz階躍頻率偏差信號，校核機(jī)組負(fù)荷變化值是否超過±10%額定負(fù)荷。依據(jù)試驗，當(dāng)前水頭下限幅10%額定負(fù)荷時開度模式積分限幅參數(shù)YL=4.8%，功率模式Y(jié)L=6.0%，試驗數(shù)據(jù)分別見表3、4。

表3 開度模式下一次調(diào)頻限幅試驗數(shù)據(jù)記錄表

表4 功率模式下一次調(diào)頻限幅試驗數(shù)據(jù)記錄表

開度模式、功率模式下一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整限幅功能均正常，為保證送出系統(tǒng)及孤網(wǎng)模式下安全穩(wěn)定運行，根據(jù)國調(diào)要求一次調(diào)頻暫未設(shè)定限幅值。

3 負(fù)荷調(diào)整性能分析

開度模式下，單機(jī)最大加負(fù)荷速度為333MW/min，單機(jī)最大減負(fù)荷速度為390 MW/min；在該試驗水頭下，依據(jù)機(jī)組加負(fù)荷速度測試，從空負(fù)荷調(diào)整到額定負(fù)荷的響應(yīng)時間約100 s。功率模式下，單機(jī)最大加負(fù)荷速度為450 MW/min，單機(jī)最大減負(fù)荷速度為375 MW/min；在該試驗水頭下，依據(jù)機(jī)組加負(fù)荷速度測試，從空負(fù)荷調(diào)整到額定負(fù)荷的響應(yīng)時間約85s。其試驗數(shù)據(jù)均滿足《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術(shù)導(dǎo)則》、《國家電網(wǎng)運行管理實施細(xì)則》要求，具體試驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 開度模式下負(fù)荷增減試驗數(shù)據(jù)記錄表

4 有功調(diào)整存在的問題及處理

4.1 水力因素影響分析

在水力因素的影響下，無論機(jī)組運行在開度模式還是功率模式，都會受到水流特性的脈動影響，機(jī)組功率容易波動到死區(qū)之外，會觸發(fā)有功調(diào)節(jié)對導(dǎo)葉進(jìn)行開、關(guān)控制。分別在監(jiān)控、調(diào)速器有功調(diào)整控制策略中設(shè)置兩個功率死區(qū)Ep和Ep＇（Ep＞Ep＇），Ep為判斷機(jī)組是否需進(jìn)行有功調(diào)整的死區(qū)，Ep＇為判斷機(jī)組有功調(diào)整是否結(jié)束的死區(qū)，這樣可以增加機(jī)組有功受水力因素影響的裕度，從而降低導(dǎo)葉動作的頻繁度。

圖2 設(shè)置1個死區(qū)的示意圖

圖3 設(shè)置2個死區(qū)的示意圖

4.2 機(jī)組功率調(diào)整存在超調(diào)現(xiàn)象

開度模式下進(jìn)行有功調(diào)整時出現(xiàn)超調(diào)，最高達(dá)28 MW，通過分析監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有功調(diào)節(jié)PID參數(shù)設(shè)置不佳是此次引起超調(diào)的原因，對監(jiān)控系統(tǒng)PID控制參數(shù)、功率死區(qū)和調(diào)節(jié)步長進(jìn)行優(yōu)化，將“大步向前”的調(diào)節(jié)方式改變?yōu)椤靶〔娇炫堋狈绞?，即脈沖調(diào)節(jié)采用逐步逼近方式進(jìn)行，大于6 MW（死區(qū)）小于等于10 MW時采用200 ms脈沖微調(diào)節(jié)；大于10 MW小于等于20 MW時采用500 ms脈沖調(diào)節(jié)；大于20 MW小于等于48.8 MW時進(jìn)行小于2 s的線性脈沖調(diào)節(jié)；大于48.8 MW時，進(jìn)行2 s脈沖調(diào)節(jié)，從而徹底解決有功超調(diào)現(xiàn)象。

4.3 開度模式下水頭下降時機(jī)組負(fù)荷緩慢自然降低

當(dāng)機(jī)組功率調(diào)節(jié)至死區(qū)10 s后，閉鎖輸出，無論是一次調(diào)頻動作還是水頭變化引起負(fù)荷偏差，監(jiān)控系統(tǒng)都不再進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，僅偏差大于20 MW時進(jìn)行報警，這樣會出現(xiàn)過負(fù)荷或者溜負(fù)荷。

對監(jiān)控有功調(diào)整策略優(yōu)化后，當(dāng)一次調(diào)頻功能投入、監(jiān)控有功PID調(diào)節(jié)投入、機(jī)組有功當(dāng)前值在-20 MW～600 MW之間時，若功率偏差小于監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)死區(qū)10 s后，閉鎖監(jiān)控有功PID調(diào)節(jié)輸出；監(jiān)控有功調(diào)節(jié)輸出閉鎖后，若一次調(diào)頻動作后20 s內(nèi)功率差值大于監(jiān)控調(diào)節(jié)死區(qū)，則機(jī)組LCU判定有功偏差超過死區(qū)是由于一次調(diào)頻動作引起的，輸出一直閉鎖，直到新設(shè)定值下發(fā)時才會解除閉鎖。當(dāng)一次調(diào)頻不動作時，功率偏差超過死區(qū)延時5 s解除監(jiān)控有功PID調(diào)節(jié)輸出閉鎖，監(jiān)控進(jìn)行PID有功調(diào)節(jié)。

4.4 部分故障報警切換邏輯需完善

（1）開度模式下，監(jiān)控系統(tǒng)對有功設(shè)定值（脈沖量）與實發(fā)值進(jìn)行比較，向調(diào)速器輸出調(diào)節(jié)脈沖，而有功設(shè)定值（模擬量）與實發(fā)值未進(jìn)行比較，如果調(diào)速器從開度模式切換至功率模式會產(chǎn)生擾動，可在監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)增加“有功設(shè)定值（模擬量）跟蹤實發(fā)值”程序。

（2）在控制方式切換邏輯中，未考慮到監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器數(shù)據(jù)中斷或者數(shù)據(jù)測量不一致時的保護(hù)邏輯。功率模式下，可增加實時比較監(jiān)控系統(tǒng)功率給定值和調(diào)速器功率給定反饋值的程序，如果不一致，上位機(jī)報警；可增加實時對比調(diào)速器系統(tǒng)反饋控制方式的程序，如果不一致，上位機(jī)報警。

（3）調(diào)速器PCC只監(jiān)視了主CPU模塊CP340的運行情況，未監(jiān)視輔助CPU模塊IP161的運行情況。當(dāng)IP161模塊死機(jī)時，不能正常采集外部重要模擬量信號和運行內(nèi)部控制程序，在可編程智能切換模塊中增加監(jiān)視IP161運行情況的程序，當(dāng)其故障或者死機(jī)時進(jìn)行報警并進(jìn)行PCC切換。

4.5 自動化元器件可靠性分析

調(diào)速器和監(jiān)控系統(tǒng)所有外部自動化元件均采取冗余配置，但未進(jìn)行數(shù)據(jù)對比判斷元件故障，當(dāng)自動化元件測量不準(zhǔn)時，可能會導(dǎo)致溜負(fù)荷、過負(fù)荷、接力器抽動、有功波動等設(shè)備異常現(xiàn)象。設(shè)計時可考慮調(diào)速器A、B套雙機(jī)通訊功能，將重要的外部測量信號（導(dǎo)葉反饋信號、功率反饋信號）進(jìn)行比較，當(dāng)兩套采樣值存在差異時，及時報警。

5 結(jié)語

通過對調(diào)速器數(shù)學(xué)模型、一次調(diào)頻性能及負(fù)荷調(diào)整性能3個方面對機(jī)組有功調(diào)整穩(wěn)定性進(jìn)行分析，SAFR-2000 H調(diào)速器控制系統(tǒng)開度模式及功率模式兩種方式下機(jī)組的動態(tài)調(diào)整穩(wěn)定性均符合電網(wǎng)需求及相關(guān)規(guī)范要求。在目前的運行控制參數(shù)下，功率模式有功調(diào)節(jié)較開度模式速度更快，超調(diào)量更小，一次調(diào)頻負(fù)荷穩(wěn)定時間更短，但一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)速度較開度模式更慢。通過有功控制模式切換邏輯、故障報警切換邏輯、元器件可靠性和抗干擾性等方面對機(jī)組有功調(diào)整可靠性進(jìn)行分析，開度模式及功率模式兩種方式下部分監(jiān)視、報警邏輯均需進(jìn)一步完善。

隨著智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展，用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高，水電站智能化電網(wǎng)建設(shè)是今后發(fā)展的必然趨勢和全新目標(biāo)，由于國內(nèi)外在智能化水電站自動化技術(shù)方面的研究剛剛起步，通過對開度及功率模式下穩(wěn)定性、可靠性深入分析，理順了監(jiān)控與調(diào)速器控制系統(tǒng)之間配合關(guān)系，但有功調(diào)節(jié)性能能否適應(yīng)今后智能化發(fā)展的要求還有待深入分析。

［1］魏守平.水輪機(jī)調(diào)節(jié)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社.

［2］郭大安，范建軍.淺析水電機(jī)組一次調(diào)頻［J］.水電廠自動化，2014，35（3）.

［3］張亞明.葛洲壩水電站有功調(diào)節(jié)穩(wěn)定性分析與改進(jìn)措施探索［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2013，37（2）.

［4］張晉東.水電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)的控制方式探索［J］.科技向?qū)В?012（29）.

TP272

B

1672-5387（2016）07-0020-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.006

2015-12-03

劉廣宇（1972-），男，教授級高級工程師，從事水電站運行維護(hù)管理工作。