藏木電廠孤網(wǎng)事故分析及調(diào)速器控制策略研究

蔡衛(wèi)江,榮 紅

(南京南瑞集團(tuán)公司,江蘇 南京 211106)

藏木電廠孤網(wǎng)事故分析及調(diào)速器控制策略研究

蔡衛(wèi)江,榮 紅

(南京南瑞集團(tuán)公司,江蘇 南京 211106)

通過(guò)對(duì)目前西藏最大的水電站藏木電站頻率及有功功率振蕩引起的事件分析,詳細(xì)闡述了事件產(chǎn)生的原因,從電站調(diào)速器的角度分析了原來(lái)的調(diào)速器調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu),提出了相應(yīng)的調(diào)速器調(diào)節(jié)框圖結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法、參數(shù)優(yōu)化策略、工況準(zhǔn)確識(shí)別方法及切換判據(jù)依據(jù)等,新的控制方法已在藏木水電站投入運(yùn)行并為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定起到重要作用。本文也可為國(guó)內(nèi)及國(guó)外類似水電站在孤網(wǎng)、小網(wǎng)情況下的穩(wěn)定控制提供一定的參考。

大機(jī)小網(wǎng);孤網(wǎng);控制結(jié)構(gòu);參數(shù)優(yōu)化;切換判斷

0 引言

西藏電網(wǎng)目前主要由覆蓋拉薩、山南、日喀則、那曲、林芝5個(gè)地區(qū)的藏中電網(wǎng),以及昌都、阿里兩個(gè)地區(qū)電網(wǎng)構(gòu)成“一大二小”的電網(wǎng)格局。而藏木水電站是目前西藏最大的水電開(kāi)發(fā)項(xiàng)目,也是雅魯藏布江干流上規(guī)劃建設(shè)的第一座水電站,裝機(jī)6臺(tái),單機(jī)85 MW,是藏中電網(wǎng)的主力電源。電站的建設(shè)有利于緩解西藏中部地區(qū)用電的緊張局面,對(duì)維護(hù)西藏和平穩(wěn)定等具有重要意義。然而,藏中電網(wǎng)總?cè)萘恐挥? 250 MW～1 300 MW,藏木電站機(jī)組單機(jī)容量已占系統(tǒng)總?cè)萘康?.7%,屬于典型的“大機(jī)小網(wǎng)”運(yùn)行工況[1],機(jī)組負(fù)荷稍有較大變化,都會(huì)對(duì)電網(wǎng)頻率產(chǎn)生波動(dòng),因此對(duì)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的控制要求較高[2]。

2015年1月,藏木電廠1號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)分別投產(chǎn)發(fā)電。1月23日14∶00,藏中電網(wǎng)系統(tǒng)頻率、電壓出現(xiàn)異常波動(dòng),頻率最高波動(dòng)到52.24 Hz,最低到47.63 Hz,并網(wǎng)運(yùn)行的1號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)也隨著出現(xiàn)導(dǎo)葉來(lái)回抽動(dòng)、機(jī)組出力反復(fù)波動(dòng)等情況,調(diào)速器不斷調(diào)整造成油壓持續(xù)下降,最終,兩臺(tái)機(jī)分別因事故低油壓保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。電網(wǎng)穩(wěn)控裝置隨即發(fā)出切負(fù)荷命令,電網(wǎng)頻率逐漸穩(wěn)定在50.3 Hz。整個(gè)事故造成電網(wǎng)減出力220 MW,切負(fù)荷210 MW,頻率和負(fù)荷波動(dòng)持續(xù)約4 min,給整個(gè)藏中地區(qū)的安全供電造成一定影響。

1 事故分析

事故后,國(guó)家電網(wǎng)及西藏電網(wǎng)公司調(diào)度中心、中國(guó)電科院、華能藏木電廠、南瑞集團(tuán)公司等相關(guān)單位,對(duì)于“1月23日藏木電廠2臺(tái)機(jī)組跳閘”情況展開(kāi)了詳細(xì)的分析和討論,給出了主要原因:

(1)當(dāng)時(shí)整個(gè)藏中電網(wǎng)的負(fù)荷約600 MW,藏木兩臺(tái)機(jī)當(dāng)時(shí)帶負(fù)荷約150 MW,占比約25%,藏木電站的負(fù)荷變化對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響較大,在電網(wǎng)波動(dòng)過(guò)程中,系統(tǒng)頻率與藏木電站兩臺(tái)機(jī)功率變化趨勢(shì)基本同步、一致,由此判斷系統(tǒng)頻率的波動(dòng)主要是由藏木機(jī)組出力波動(dòng)引起。且在藏木機(jī)組跳閘后,電網(wǎng)切除部分負(fù)荷,電網(wǎng)波動(dòng)停止,系統(tǒng)電壓和頻率恢復(fù)正常。

(2)從當(dāng)時(shí)藏木電站1號(hào)機(jī)頻率、導(dǎo)葉開(kāi)度、出力、一次調(diào)頻動(dòng)作錄波圖來(lái)看(參見(jiàn)圖1),初始時(shí)系統(tǒng)的頻率有一個(gè)緩慢下降的變化,調(diào)速器一次調(diào)頻動(dòng)作,導(dǎo)葉向上調(diào)節(jié),機(jī)組出力上升,超調(diào)較大,系統(tǒng)頻率隨即上升,導(dǎo)葉又往關(guān)方向調(diào)節(jié),但調(diào)節(jié)并不穩(wěn)定,導(dǎo)葉來(lái)回抽動(dòng),導(dǎo)致機(jī)組出力波動(dòng),頻率波動(dòng),最終導(dǎo)致事故低油壓停機(jī)。

(3)檢查藏木電站調(diào)速器的參數(shù)及調(diào)節(jié)方式,發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)調(diào)速器雖然設(shè)置有大網(wǎng)/小網(wǎng)運(yùn)行方式切換把手,但把手打在大網(wǎng)方式,其次其頻率調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置較大,比例系統(tǒng)KP為8,積分增益KI為8,微分增益KD為1,調(diào)差系數(shù)BP設(shè)置為4%,頻率死區(qū)設(shè)置為0.3 Hz。由于藏中電網(wǎng)運(yùn)行中頻率經(jīng)常在49.5～50.5 Hz范圍內(nèi)變化,當(dāng)系統(tǒng)頻率超過(guò)設(shè)置的0.3 Hz死區(qū)時(shí),電廠調(diào)速器設(shè)置的一次調(diào)頻PID調(diào)節(jié)參數(shù)較大,該參數(shù)是按照大電網(wǎng)模式設(shè)置,做一次調(diào)頻試驗(yàn)時(shí),頻率采用外部信號(hào)源輸入,并不能反映實(shí)際電網(wǎng)頻率變化,實(shí)際上西藏電網(wǎng)屬于小網(wǎng),電網(wǎng)頻率受負(fù)荷和發(fā)電影響變化范圍較大且較頻繁,當(dāng)電網(wǎng)頻率超過(guò)頻率死區(qū)(0.3 Hz)較多時(shí)(西藏電網(wǎng)頻率經(jīng)常在49.5～50.5 Hz范圍內(nèi)變化),調(diào)速器一次調(diào)頻將會(huì)產(chǎn)生較大輸出,再加上水電機(jī)組水錘效應(yīng)的影響,從而引起系統(tǒng)功率的擺動(dòng),加劇系統(tǒng)頻率的波動(dòng)。

(4)綜合上述情況,機(jī)組頻率波動(dòng)導(dǎo)致事故跳機(jī)主要由以下原因造成:①一次調(diào)頻PID調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置不合理,前面已經(jīng)提到,按照常規(guī)大電網(wǎng)并網(wǎng)模式進(jìn)行調(diào)速器一次調(diào)頻試驗(yàn)來(lái)確定參數(shù)是極其錯(cuò)誤的,大電網(wǎng)模式下,單臺(tái)機(jī)導(dǎo)葉動(dòng)作基本不會(huì)產(chǎn)生電網(wǎng)頻率變化,實(shí)際西藏電網(wǎng)屬于典型的“大機(jī)小網(wǎng)”模式,導(dǎo)葉動(dòng)作造成的單臺(tái)機(jī)組出力變化會(huì)產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的相應(yīng)變化,因此調(diào)節(jié)參數(shù)必須通過(guò)實(shí)際并網(wǎng)擾動(dòng)試驗(yàn)(反饋采用實(shí)際電網(wǎng)頻率)來(lái)確定,若現(xiàn)場(chǎng)不能進(jìn)行,也必須采用軟件建模仿真,通過(guò)安全穩(wěn)定計(jì)算來(lái)確定調(diào)速器初始PID參數(shù)[3]。②導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)速度不能太快,必須和電站機(jī)組的慣性比率RI相匹配,RI為電站水流慣性時(shí)間常數(shù)和機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)的比值,一般RI不超過(guò)0.4[4]。RI越大,表明電站水流慣性對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)的影響越大,導(dǎo)葉在劇烈變化過(guò)程中,機(jī)組的出力并不能同步變化,易出現(xiàn)反調(diào)、滯后等現(xiàn)象,從圖1的錄波圖中可以看出,調(diào)節(jié)末端,當(dāng)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)幅度加大時(shí),機(jī)組有功和開(kāi)度變化出現(xiàn)了不同步,反而造成了系統(tǒng)頻率的波動(dòng)幅度加大。最終導(dǎo)致事故低油壓而跳機(jī)。

圖1 藏木電站1號(hào)機(jī)頻率、導(dǎo)葉開(kāi)度、出力、一次調(diào)頻動(dòng)作錄波圖

2 原調(diào)速器調(diào)節(jié)規(guī)律

藏木電站采用的調(diào)速器PID調(diào)節(jié)原理框圖如圖2所示,圖中有兩個(gè)PID調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),前一個(gè)稱為頻率主環(huán),后一個(gè)PI調(diào)節(jié)框圖稱為導(dǎo)葉副環(huán),PGV是負(fù)荷的給定值。最終控制輸出U實(shí)際上是對(duì)應(yīng)導(dǎo)葉偏差的增量信號(hào)。調(diào)速器根據(jù)機(jī)組開(kāi)機(jī)、空載、并網(wǎng)、停機(jī)等工況的變化,自動(dòng)改變PID參數(shù)、頻率給定值、人工失靈區(qū)、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)、開(kāi)度限制值、功率給定值等。各工況下參數(shù)的改變和調(diào)節(jié)輸出量的計(jì)算,均由微控制器的軟件實(shí)現(xiàn)[2]。其變參數(shù)策略簡(jiǎn)述如下:

空載工況,不跟蹤電網(wǎng)頻率時(shí),調(diào)速器頻率給定為50 Hz,可接受手動(dòng)按鈕或同期裝置脈沖增減給定;跟蹤網(wǎng)頻時(shí),頻率給定為:網(wǎng)頻+跟蹤頻差?？蛰d時(shí)調(diào)差系數(shù)BP為零,死區(qū)為零,PID調(diào)節(jié)參數(shù)采用空載參數(shù),積分限幅為±10%導(dǎo)葉全開(kāi)度,開(kāi)度給定輸出限幅為0～1.5倍的空載開(kāi)度。

并大網(wǎng)運(yùn)行時(shí),調(diào)速器頻率給定為50 Hz,一次調(diào)頻投入時(shí),BP和死區(qū)為設(shè)定值(一般按系統(tǒng)要求設(shè)置,BP=4%,頻率死區(qū)為0.3 Hz),PID調(diào)節(jié)參數(shù)采用負(fù)載參數(shù),積分限幅為±100%開(kāi)度,開(kāi)度給定輸出限幅為0～100%。

功率一般都通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)(發(fā)增減脈沖),調(diào)速器將增減脈沖換算成導(dǎo)葉開(kāi)度增減量PGV,直接作用于導(dǎo)葉位置輸出,由監(jiān)控系統(tǒng)完成功率的大閉環(huán)調(diào)節(jié),系統(tǒng)頻率未超出死區(qū)時(shí),調(diào)速器按開(kāi)度調(diào)節(jié)動(dòng)作。當(dāng)系統(tǒng)頻率超出設(shè)定死區(qū)時(shí),按一次調(diào)頻規(guī)律作用于導(dǎo)葉。

圖2 藏木調(diào)速器原調(diào)節(jié)原理框圖

3 改進(jìn)后的調(diào)速器調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

原來(lái)的調(diào)速器控制策略存在對(duì)調(diào)速器并小網(wǎng)運(yùn)行、孤網(wǎng)運(yùn)行(帶廠用電、區(qū)域用電等較小負(fù)荷)的控制模式考慮不足,雖然通過(guò)優(yōu)化調(diào)速器PID調(diào)節(jié)參數(shù),在原有控制結(jié)構(gòu)上也能達(dá)到一定控制目的,但不能適應(yīng)機(jī)組并大網(wǎng)、小網(wǎng)及孤網(wǎng)運(yùn)行的各種情況,我們通過(guò)對(duì)調(diào)速器控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,設(shè)置科學(xué)的大網(wǎng)、小網(wǎng)的切換判據(jù),結(jié)合不同的優(yōu)化PID調(diào)節(jié)參數(shù),從而滿足機(jī)組不同運(yùn)行工況的調(diào)節(jié)穩(wěn)定要求。

改進(jìn)后的調(diào)速器控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,主要變化有3點(diǎn):

(1)在原有空載PID參數(shù),負(fù)載PID參數(shù)(一次調(diào)頻參數(shù))基礎(chǔ)上,增加了一組小網(wǎng)PID調(diào)節(jié)參數(shù),包括調(diào)差系數(shù)BP和頻率死區(qū),均可以單獨(dú)設(shè)置,該參數(shù)一般先通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真建模穩(wěn)定計(jì)算獲得,后期可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證修改確定。

(2)監(jiān)控系統(tǒng)過(guò)來(lái)的增減功率量PGV放在了頻率調(diào)節(jié)環(huán)前面,和頻率偏差進(jìn)行疊加后輸入到PID環(huán)節(jié),導(dǎo)葉給定算法變?yōu)?

各變量見(jiàn)圖3所示,改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)算法有利于當(dāng)大網(wǎng)切換到小網(wǎng)時(shí),克服切換前監(jiān)控功率給定值的影響。參見(jiàn)圖2:原來(lái)的控制算法為:

公式2算法PGV疊加在頻率環(huán)節(jié)之后,相當(dāng)于前饋環(huán)節(jié),雖然這樣導(dǎo)葉調(diào)功速度較快,但存在當(dāng)大網(wǎng)切換到小網(wǎng)時(shí),監(jiān)控給定量PGV一直保留切換前數(shù)值,會(huì)導(dǎo)致機(jī)組頻率不能調(diào)整到50 Hz(一般會(huì)高于額定頻率)。新的改進(jìn)算法,可以在大小網(wǎng)切換瞬間重新計(jì)算PGV,同時(shí)將PGV疊加到頻率環(huán)節(jié)之前,與頻差疊加后輸入到PID模塊,這樣可以保證機(jī)組頻率最終能夠回到額定。當(dāng)然在大網(wǎng)與小網(wǎng)互相切換時(shí),導(dǎo)葉給定、PGV、積分YI一定要重新計(jì)算,確保切換前后導(dǎo)葉給定保持一致。

(3)關(guān)于孤網(wǎng)工況(如雷擊等事故造成的機(jī)組遠(yuǎn)方線路跳閘,機(jī)組空載或帶廠用電等區(qū)域較小負(fù)荷情況),此時(shí)仍然可以按圖3所示的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié),只不過(guò)PID調(diào)節(jié)參數(shù)、調(diào)差系數(shù)BP、頻率死區(qū)需要適當(dāng)修改,一般PID調(diào)節(jié)參數(shù)可以選用空載參數(shù),或選用小網(wǎng)參數(shù),BP一般選為0。

圖3 改進(jìn)后調(diào)速器調(diào)節(jié)原理框圖

4 大小網(wǎng)、孤網(wǎng)切換判斷方法及處理

目前常用的判別方法主要以頻率偏差為依據(jù),在此基礎(chǔ)上,增加有功功率作為輔助判斷[5]。根據(jù)藏木電廠實(shí)際情況,大網(wǎng)與小網(wǎng),大網(wǎng)與孤網(wǎng)的判斷依據(jù)如下:

(1)人工判斷:裝置面板設(shè)置“大網(wǎng)/小網(wǎng)”切換開(kāi)關(guān),運(yùn)行前運(yùn)行人員根據(jù)當(dāng)前機(jī)組工況選擇。

(2)自動(dòng)判斷:當(dāng)切換開(kāi)關(guān)仍處于大網(wǎng),機(jī)組處于并網(wǎng)工況,但系統(tǒng)頻率檢測(cè)超過(guò)50±0.5 Hz,機(jī)組有功大于10%額定時(shí),延時(shí)1 s,調(diào)速器轉(zhuǎn)換到小網(wǎng)工況,當(dāng)頻率超過(guò)50±0.5 Hz,有功小于10%額定時(shí),延時(shí)1 s,調(diào)速器轉(zhuǎn)換到孤網(wǎng)工況。

(3)切換前后數(shù)據(jù)處理:大網(wǎng)轉(zhuǎn)到小網(wǎng)時(shí)參數(shù)調(diào)用小網(wǎng)PID參數(shù),調(diào)差Bp適當(dāng)減小(推薦1%～2%),死區(qū)按要求設(shè)置(西藏地區(qū)為0.3 Hz),數(shù)據(jù)處理方面:功給PGV=Y(導(dǎo)葉反饋)-Ynld(空載開(kāi)度) -YPID,積分輸出YI=Y(導(dǎo)葉反饋)-Ynld(空載開(kāi)度),導(dǎo)葉給定按新的公式1進(jìn)行計(jì)算,確保切換無(wú)擾動(dòng)。大網(wǎng)轉(zhuǎn)到孤網(wǎng)時(shí)參數(shù)調(diào)用空載PID參數(shù),調(diào)差Bp設(shè)為0,死區(qū)按要求設(shè)置(西藏地區(qū)為0.3 Hz),數(shù)據(jù)處理方面:功給PGV清零,導(dǎo)葉給定重新初始化,保持前后一致。

(4)小網(wǎng)或孤網(wǎng)切換回大網(wǎng)的判斷:大網(wǎng)工況主要考慮將來(lái)藏中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)后的運(yùn)行情況。機(jī)組并大網(wǎng)運(yùn)行時(shí),機(jī)組頻率變化很小,理論上講,一般不超過(guò)49.9～50.1 Hz,可以通過(guò)一段時(shí)間內(nèi)(一般3 min)檢測(cè)頻率是否一直在該范圍內(nèi)來(lái)判斷,但考慮到測(cè)頻信號(hào)毛刺的影響,本文采用了一定的濾波算法,頻率每20 ms檢測(cè)一次,3 min內(nèi)頻率的測(cè)量值共9 000點(diǎn),若超過(guò)80%的數(shù)據(jù)點(diǎn)均在49.9～50.1 Hz范圍內(nèi),則判斷機(jī)組已經(jīng)回到大網(wǎng)工況。

5 結(jié)語(yǔ)

目前,西藏水電建設(shè)已進(jìn)入較快的發(fā)展時(shí)期, 2015年10月,藏木6臺(tái)8.5萬(wàn)kW機(jī)組全部發(fā)電, 12月底,西藏第二大果多水電站也投產(chǎn)發(fā)電。一方面藏中電網(wǎng)與內(nèi)地還沒(méi)有聯(lián)網(wǎng),存在“大機(jī)小網(wǎng)”穩(wěn)定問(wèn)題;另一方面,因雷擊等事故可能造成機(jī)組遠(yuǎn)方斷路器跳閘,形成一個(gè)區(qū)域供電的孤網(wǎng)狀態(tài),如果調(diào)速器的參數(shù)及控制策略不完善,不能準(zhǔn)確識(shí)別工況和切換參數(shù),往往出現(xiàn)頻率波動(dòng)、振蕩等事故。藏木電廠經(jīng)過(guò)事故分析和調(diào)速器控制策略優(yōu)化改進(jìn)后,切換動(dòng)作正常,參數(shù)設(shè)置合理,目前運(yùn)行情況穩(wěn)定,為西藏電網(wǎng)和地區(qū)的穩(wěn)定做出了重要貢獻(xiàn)。

目前除了西藏地區(qū)外,由中國(guó)承建的國(guó)外電站也大量存在“大機(jī)小網(wǎng)”問(wèn)題,如緬甸瑞麗江電站、柬埔寨額勒賽電站、正在建設(shè)的柬埔寨桑河二級(jí)電站,本文所提出的調(diào)速器控制策略和參數(shù)優(yōu)化以及切換判斷原則均可以在類似電站機(jī)組上推廣應(yīng)用。

[1]桑 果.西藏電網(wǎng)大規(guī)模光伏電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行策略的探討[J].西藏科技,2013(12):77-79.

[2]高 文,榮 紅,蔡衛(wèi)江.±800 kV直流孤島方式下小灣調(diào)速系統(tǒng)控制策略研究及應(yīng)用 [J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè), 2013,37(2):27-31.

[3]鄧 磊,等.水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻功率振蕩現(xiàn)象分析及解決[C]//全國(guó)大中型水電廠技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第五屆年會(huì)論文集,2008:112-125.

[4]魏守平.水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2012:157-162.

[5]邵 彬.基于孤網(wǎng)下水輪機(jī)調(diào)速器參數(shù)自動(dòng)切換方法的實(shí)現(xiàn)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2010,34(6):35-37.

TV734.4

B

1672-5387(2017)07-0065-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.020

2017-04-27

蔡衛(wèi)江(1970-),男,研究員級(jí)高級(jí)工程師,從事水電站水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、綜合自動(dòng)化控制裝置的研究和設(shè)計(jì)等工作。