電站水頭變化對(duì)機(jī)組有功調(diào)節(jié)的影響分析

王嵩

（遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110003）

電站水頭變化對(duì)機(jī)組有功調(diào)節(jié)的影響分析

王嵩

（遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110003）

水頭的變化會(huì)直接影響水輪發(fā)電機(jī)組的有功調(diào)節(jié)性能。本文就某水電站當(dāng)前水頭下機(jī)組最大有功出力限制對(duì)有功功率調(diào)節(jié)的影響進(jìn)行了分析，對(duì)其他水電站優(yōu)化有功調(diào)節(jié)，提高工作效率及處理響應(yīng)速度，具有重要的意義。

有功功率；PID調(diào)節(jié)；水頭變化

某水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用南瑞NC3.0監(jiān)控系統(tǒng)，按“無(wú)人值班”（少人值守）的原則設(shè)計(jì)，全計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由主控層（上位機(jī)）和現(xiàn)地控制單元層（LCU）組成。其中，現(xiàn)地控制單元包括4臺(tái)機(jī)組及輔助設(shè)備、公用、開(kāi)關(guān)站、進(jìn)水口和泄洪閘。既可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)監(jiān)控，又能實(shí)現(xiàn)集控中心和省調(diào)中心的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)主要是針對(duì)機(jī)組而言，使機(jī)組的有功、無(wú)功功率實(shí)發(fā)值保持在設(shè)定范圍內(nèi)，以確保電站發(fā)出的總有功、無(wú)功功率始終在設(shè)定值或負(fù)荷曲線的允許范圍內(nèi)。

1 機(jī)組的功率調(diào)節(jié)

機(jī)組的功率調(diào)節(jié)是對(duì)機(jī)組的有功、無(wú)功出力進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，使機(jī)組的有功、無(wú)功實(shí)發(fā)值保持在設(shè)定的范圍之內(nèi)。調(diào)節(jié)功能可分為三部分：調(diào)節(jié)，通過(guò)程序計(jì)算調(diào)節(jié)輸出脈寬來(lái)控制機(jī)組出力的升或降；監(jiān)視，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)監(jiān)視其出力是否在要求范圍之內(nèi)，如果超出則需對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)以恢復(fù)到設(shè)定值；調(diào)節(jié)保護(hù)，在調(diào)節(jié)過(guò)程中對(duì)機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，防止機(jī)組在調(diào)節(jié)過(guò)程中出現(xiàn)異常。

機(jī)組的有功功率調(diào)節(jié)主要通過(guò)調(diào)速器實(shí)現(xiàn)，其原理是通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)組的導(dǎo)葉開(kāi)度（也可能包括漿葉開(kāi)度或噴針開(kāi)度）控制水輪機(jī)的過(guò)水流量，從而控制發(fā)電機(jī)組的有功出力。通常水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)原理進(jìn)行計(jì)算調(diào)節(jié)輸出脈沖來(lái)控制機(jī)組出力的上升或者下降。其算法公式：

其中：Kp是比例項(xiàng)參數(shù)，在功率調(diào)節(jié)中起主導(dǎo)作用，計(jì)算時(shí)根據(jù)設(shè)定值和實(shí)測(cè)值的差值乘以比例系數(shù)得出一個(gè)調(diào)節(jié)脈寬值；Ki是積分項(xiàng)參數(shù)，積分控制的作用是只要設(shè)定值和實(shí)發(fā)值之間存在差值，積分部分就會(huì)不斷累積差值，輸出控制量，來(lái)消除差值；Kd是微分項(xiàng)參數(shù)，微分調(diào)節(jié)反應(yīng)了實(shí)發(fā)值的變化趨勢(shì)，從而產(chǎn)生一個(gè)有效的早期修正值，它可以有效的減小系統(tǒng)的超調(diào)，克服振蕩，加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；U（）k是PID調(diào)節(jié)脈寬，即比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)3項(xiàng)之和。

2 水頭變化對(duì)功率調(diào)節(jié)的影響

水頭的變化會(huì)直接影響機(jī)組的有功調(diào)節(jié)性能。在較高的水頭下，有功調(diào)節(jié)的速度變快，容易造成超調(diào)；相反，在較低的水頭下，有功調(diào)節(jié)速度變慢，容易造成超時(shí)。

現(xiàn)在電廠一般會(huì)將水頭信號(hào)引入調(diào)速器，由其控制不同水頭條件下的調(diào)節(jié)速度，從而對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)程序影響較小。

3 問(wèn)題描述

2015年11月某水電站在1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)機(jī)組有功功率不能達(dá)到滿負(fù)荷狀態(tài)（150 MW），上位機(jī)報(bào)警機(jī)組有功調(diào)節(jié)超時(shí)，PID調(diào)節(jié)退出，有功實(shí)發(fā)值為130 MW，有功設(shè)定值跟蹤有功實(shí)發(fā)值為130 MW。運(yùn)行人員手動(dòng)投入有功調(diào)節(jié)功能，再次下發(fā)有功設(shè)定值150 MW，PID調(diào)節(jié)一段時(shí)間后，上位機(jī)報(bào)警機(jī)組有功調(diào)節(jié)超時(shí)，PID調(diào)節(jié)退出，有功實(shí)發(fā)值未有明顯變化，有功設(shè)定值跟蹤有功實(shí)發(fā)值，導(dǎo)葉開(kāi)度90%以上，當(dāng)前水位18 m。運(yùn)行人員立即投入有功調(diào)節(jié)功能并下調(diào)有功功率設(shè)定值，機(jī)組進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

4 原因分析

上位機(jī)報(bào)警機(jī)組有功調(diào)節(jié)超時(shí)，PID調(diào)節(jié)退出，說(shuō)明有功調(diào)節(jié)在某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，調(diào)節(jié)程序自動(dòng)退出；運(yùn)行人員手動(dòng)投入有功調(diào)節(jié)功能，并再次下發(fā)有功設(shè)定值，PID調(diào)節(jié)一段時(shí)間后才退出，說(shuō)明有功可調(diào)條件是滿足的，有功功率調(diào)節(jié)也是正常的，只是有功功率調(diào)節(jié)不上去；導(dǎo)葉開(kāi)度90%以上，說(shuō)明調(diào)速器也沒(méi)有問(wèn)題，僅僅是機(jī)組出力不足；結(jié)合該水電站水輪機(jī)預(yù)期運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，不難看出當(dāng)前水位18 m時(shí)，機(jī)組的最大出力是130 MW。也就是說(shuō)是由于機(jī)組在當(dāng)前水位下無(wú)法達(dá)到滿發(fā)，導(dǎo)致機(jī)組有功調(diào)節(jié)超時(shí)，PID調(diào)節(jié)退出。

5 改進(jìn)措施

根據(jù)水輪機(jī)預(yù)期運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線計(jì)算當(dāng)前水頭下機(jī)組最大出力限制，其算法公式如下：

其中，H是當(dāng)前水位；Pmax是當(dāng)前水位下機(jī)組最大出力。

監(jiān)控系統(tǒng)有功設(shè)定值添加最大出力限制條件，即有功設(shè)定值大于當(dāng)前水頭下機(jī)組有功最大出力限制時(shí)，有功設(shè)定值非法或者無(wú)效，方便運(yùn)行人員操作。

考慮到在函數(shù)Pmax=aH+b（m＜H＜n）時(shí)，有功實(shí)發(fā)值等于當(dāng)前水頭下機(jī)組有功最大出力限制，受水位波動(dòng)或者有功調(diào)節(jié)波動(dòng)的影響，存在有功實(shí)發(fā)值大于當(dāng)前水頭下機(jī)組有功最大出力限制的情況，造成有功調(diào)節(jié)退出。所以有功調(diào)節(jié)需要添加有功調(diào)節(jié)增減閉鎖，即有功實(shí)發(fā)值大于當(dāng)前水頭下機(jī)組有功最大出力限制時(shí)，有功調(diào)節(jié)增減閉鎖，并報(bào)警通知運(yùn)行人員調(diào)整機(jī)組有功出力。

6 結(jié)語(yǔ)

水電站有功調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，不僅涉及電站的經(jīng)濟(jì)效益，也是調(diào)度的一個(gè)重要考核指標(biāo)，應(yīng)給予高度重視。該水電站目前尚處于建設(shè)階段，由水頭變化引起的機(jī)組有功調(diào)節(jié)退出問(wèn)題已經(jīng)得到很好的解決，水位不滿足負(fù)荷要求引起有功調(diào)節(jié)退出也是首次遇到，因此，分析電站水頭變化對(duì)機(jī)組有功調(diào)節(jié)的影響不僅對(duì)于該水電站，而且對(duì)于我國(guó)其他水電站優(yōu)化有功調(diào)節(jié)，提高工作效率及處理響應(yīng)速度，都具有十分重要的意義。

［1］劉細(xì)輝，范進(jìn)喜，呂曉東.機(jī)組有功功率波動(dòng)分析與策略優(yōu)化［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2016，39（10）：17—18.

［2］諶斐鳴，邱凱，李靖沙.區(qū)域集控模式下貫流式機(jī)組有功自動(dòng)優(yōu)化分配策略研究［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2014，37（3）：33—35.

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2017-01-20