覺(jué)巴水電站調(diào)速器孤網(wǎng)試驗(yàn)頻率振蕩分析及改進(jìn)

陳明莉，榮 紅，蔡衛(wèi)江，馮啟文

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003）

覺(jué)巴水電站調(diào)速器孤網(wǎng)試驗(yàn)頻率振蕩分析及改進(jìn)

陳明莉，榮 紅，蔡衛(wèi)江，馮啟文

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003）

沖擊式水輪機(jī)采用噴針及折向器的多重調(diào)節(jié)與控制，控制策略較復(fù)雜，西藏覺(jué)巴水電站采用四噴四折沖擊式機(jī)組，且需要適應(yīng)西藏電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行工況，對(duì)調(diào)速器的控制提出較高要求。本文從覺(jué)巴水電站聯(lián)網(wǎng)切孤網(wǎng)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的系統(tǒng)頻率振蕩現(xiàn)象出發(fā)，分析了電站機(jī)組調(diào)速器液壓系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)、機(jī)組頻率振蕩的原因，從調(diào)速器控制方面提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，證明控制有效，本文可以為多噴嘴沖擊式以及需要孤網(wǎng)運(yùn)行的水電站機(jī)組控制提供有益參考。

沖擊式機(jī)組；調(diào)速器；折向器；噴針；孤網(wǎng)運(yùn)行；控制改進(jìn)

0 引言

覺(jué)巴水電站位于西藏昌都市芒康縣瀾滄江右岸一級(jí)支流登曲中下游河段，工程于2013年7月開(kāi)工，裝機(jī)3臺(tái)，單機(jī)容量10 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量1.47億kW·h。首臺(tái)機(jī)組于2016年1月正式投產(chǎn)發(fā)電。覺(jué)巴水電站可作為后期規(guī)劃的大型如美水電站（裝機(jī)2 400 MW）的電源電站，將為川藏聯(lián)網(wǎng)工程提供一個(gè)重要的電源支撐。電站機(jī)組采用高水頭四噴嘴四折向器沖擊式機(jī)組，配套調(diào)速器需要控制4個(gè)噴針和4個(gè)折向器，與常規(guī)調(diào)速器比較，沖擊式調(diào)速器具有控制對(duì)象多，組合規(guī)律復(fù)雜等難點(diǎn)[1]。另外，覺(jué)巴水電站建成后，還要解決當(dāng)?shù)丶s5萬(wàn)人的用電問(wèn)題，當(dāng)電網(wǎng)故障，電站從系統(tǒng)脫開(kāi)，還要面臨孤網(wǎng)運(yùn)行工況，確保當(dāng)?shù)赜脩?hù)用電安全，從而對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器的控制提出了更高要求。為此，2016年電站投產(chǎn)時(shí)進(jìn)行了詳細(xì)的聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)及孤網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組頻率出現(xiàn)了來(lái)回震蕩現(xiàn)象，3號(hào)機(jī)組頻率最大上升到53.4 Hz，1號(hào)機(jī)組最大上升到52.9 Hz，之后頻率震蕩逐漸衰減，約2 min才穩(wěn)定下來(lái)，為此，電站進(jìn)行了詳細(xì)的分析和機(jī)組控制策略的改進(jìn)。

1 覺(jué)巴調(diào)速器液壓控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

沖擊式水輪機(jī)調(diào)速器采用噴針及折向器的多重調(diào)節(jié)與控制，噴針數(shù)越多，控制策略越復(fù)雜。噴針作為主調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用連續(xù)控制，折向器則采用開(kāi)關(guān)量控制，噴針與折向器獨(dú)立控制而不協(xié)聯(lián)。噴針對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能起決定性作用，而折向器僅在大波動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)組進(jìn)行過(guò)速保護(hù)[2]。

覺(jué)巴電廠水輪機(jī)采用四噴四折結(jié)構(gòu)，調(diào)速系統(tǒng)液壓原理如圖1所示。從圖中可以看出：覺(jué)巴調(diào)速器機(jī)械液壓部分由5套獨(dú)立的液壓控制單元組成，分別為4套噴針控制單元、1套折向器控制單元。其中，噴針控制系統(tǒng)采用電液比例閥實(shí)現(xiàn)閉環(huán)連續(xù)控制；折向器采用電液閥及液動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量控制，僅在系統(tǒng)甩負(fù)荷等大波動(dòng)時(shí)快速關(guān)閉折向器，起到機(jī)組過(guò)速保護(hù)的作用。

每套噴針接力器均配置了高精度位移變送器，通過(guò)微機(jī)控制器檢測(cè)到噴針位置，再通過(guò)比例伺服閥實(shí)現(xiàn)噴針精確定位。折向器接力器的全開(kāi)和全關(guān)位均配置了位置開(kāi)關(guān)，通過(guò)微機(jī)控制器檢測(cè)折向器位置，再通過(guò)電磁閥實(shí)現(xiàn)折向器的開(kāi)關(guān)控制。四套折向器采用同步聯(lián)動(dòng)控制模式，由一套16通徑大流量電磁換向閥驅(qū)動(dòng)。

2 試驗(yàn)時(shí)頻率振蕩過(guò)程

2016年8月18日，覺(jué)巴水電站1號(hào)、3號(hào)機(jī)組進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)切孤網(wǎng)的真機(jī)真網(wǎng)試驗(yàn)。1號(hào)、3號(hào)聯(lián)網(wǎng)切孤網(wǎng)試驗(yàn)時(shí)，在電網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換瞬間，伴隨著機(jī)組頻率（系統(tǒng)頻率）上升，超過(guò)52.5 Hz后，調(diào)速器控制機(jī)組折向器投入，約2 s，折向器全關(guān)，機(jī)組頻率得到抑制，3號(hào)機(jī)組頻率最大上升到53.4 Hz，1號(hào)機(jī)組最大上升到52.9 Hz。噴針開(kāi)度正常關(guān)閉，但速度較慢。隨后3號(hào)、1號(hào)機(jī)組頻率下降到48.8 Hz，噴針開(kāi)度呈現(xiàn)短暫開(kāi)啟狀態(tài)。此時(shí)折向器退出，形成第2個(gè)周波的調(diào)節(jié)，3號(hào)機(jī)組頻率繼續(xù)迅速上升，最大為53.2 Hz（1號(hào)機(jī)組最大上升到52.3 Hz），隨后折向器再次投入，頻率再次下降，如此周期性調(diào)節(jié)。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)液壓原理圖

在震蕩到第5個(gè)周期時(shí)，頻率在50.18 Hz，3號(hào)機(jī)組切至手動(dòng)，噴針開(kāi)度為25.77%，保持不動(dòng)，同時(shí)折向器退出。隨后，頻率發(fā)生一次高頻后，呈現(xiàn)單調(diào)下降、快速收斂現(xiàn)象，并最終穩(wěn)定控制住頻率，這個(gè)過(guò)程中，折向器未發(fā)生投退現(xiàn)象。

從圖2中可以看出，整個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)述為，聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)瞬間，約55 s的時(shí)間內(nèi)，頻率發(fā)生5次波動(dòng)，折向器發(fā)生頻繁投退，噴針總體開(kāi)度是下降趨勢(shì)，頻率震蕩的包絡(luò)線(xiàn)呈緩慢收斂。當(dāng)3號(hào)機(jī)組調(diào)速器切到手動(dòng)后，折向器正常退出不再投入，頻率得到快速收斂和穩(wěn)定控制。

當(dāng)頻率基本穩(wěn)定后，3號(hào)機(jī)組在12:10左右切到自動(dòng)，系統(tǒng)（1號(hào)、3號(hào)機(jī)組成的孤網(wǎng)系統(tǒng)）得到穩(wěn)定調(diào)節(jié)，最終2臺(tái)機(jī)噴針開(kāi)度（負(fù)荷）均等，穩(wěn)定在14%左右。系統(tǒng)頻率在50.2Hz～50.25Hz之間動(dòng)態(tài)平衡。

圖2 3號(hào)機(jī)組聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)過(guò)渡過(guò)程及穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)曲線(xiàn)

3 頻率震蕩原因分析

查看圖2，聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)時(shí)頻率振蕩主要由以下原因造成：

折向器的主要作用是緊急情況下快速切斷噴嘴的水流，從而快速降低水輪機(jī)的出力，其動(dòng)作速度較快，約2 s可以關(guān)閉。覺(jué)巴機(jī)組折向器投退的條件為，頻率大于52.5 Hz時(shí)投入，小于50.5 Hz退出。聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)換到孤網(wǎng)后，電網(wǎng)負(fù)荷減少，機(jī)組頻率快速上升（超過(guò)53 Hz）。此時(shí)，1號(hào)、3號(hào)機(jī)組折向器快速投入，水輪機(jī)出力迅速下降，由于孤網(wǎng)運(yùn)行工況，電網(wǎng)負(fù)載較小，系統(tǒng)頻率隨著機(jī)組出力變化較快，因此頻率迅速下降，由于噴針開(kāi)度關(guān)閉速度較慢，（調(diào)保要求最快速度2.78%/s），等頻率降到接近額定時(shí)，折向器退出，由于機(jī)組慣性，轉(zhuǎn)速持續(xù)下降，但此時(shí)噴針還處在較高開(kāi)度，且額定頻率以下噴針還呈現(xiàn)短暫開(kāi)啟現(xiàn)象，不久又會(huì)造成機(jī)組頻率上升。等到轉(zhuǎn)速超過(guò)52.5 Hz，折向器再次動(dòng)作，形成下一個(gè)循環(huán)，但噴針的開(kāi)度已經(jīng)減少，頻率振蕩峰谷值有所下降。

在大波動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，可以看出，折向器的作用是，抑制了高頻，卻引起了頻率震蕩，但振幅是逐漸變小的，因?yàn)?，噴針開(kāi)度在總體下調(diào)。當(dāng)3號(hào)機(jī)組切至手動(dòng)后，噴針總開(kāi)度保持不變，3號(hào)機(jī)折向器在手動(dòng)條件下，是退出狀態(tài)。這樣3號(hào)機(jī)組的開(kāi)度確保了，即便1號(hào)機(jī)組折向器投入，系統(tǒng)的有功不會(huì)發(fā)生瞬間變小，系統(tǒng)頻率不會(huì)發(fā)生突然下降。事實(shí)上是，3號(hào)機(jī)組切到手動(dòng)，出力和負(fù)荷之間建立了一個(gè)基本的平衡，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這樣，1號(hào)機(jī)組折向器也未發(fā)生頻繁投退，系統(tǒng)頻率很快得到單調(diào)收斂的控制。

總體而言，孤網(wǎng)工況下，折向器的動(dòng)作將造成機(jī)組出力變化，從而引發(fā)系統(tǒng)頻率大幅變化。折向器動(dòng)作快，而噴針動(dòng)作慢，在機(jī)組頻率變化過(guò)程中，折向器起到主要調(diào)節(jié)作用，但由于其開(kāi)關(guān)方式的粗糙調(diào)節(jié)，造成頻率大幅度波動(dòng)，無(wú)法穩(wěn)定，而噴針接力器的逐步關(guān)閉，使得頻率波動(dòng)的峰峰值逐漸下降，3號(hào)機(jī)組切手動(dòng)，打破了振蕩條件，最終系統(tǒng)頻率趨于穩(wěn)定。從最終頻率穩(wěn)態(tài)控制來(lái)看，調(diào)速器孤網(wǎng)的控制參數(shù)是合適的，可以保證最終頻率的穩(wěn)定性控制。

4 改進(jìn)措施

從上述原因分析可以知道，問(wèn)題的焦點(diǎn)在于調(diào)速器孤網(wǎng)工況下折向器的頻繁投退。折向器投入可以抑制頻率上升，但退出后，會(huì)引起二次震蕩和調(diào)節(jié)。初步措施是，增加調(diào)速器孤網(wǎng)工況判斷，改變折向器投退條件，總體使得折向器投入點(diǎn)范圍變高，不要輕易動(dòng)作，當(dāng)頻率超過(guò)55 Hz再投入，退出也提前，防止出現(xiàn)低頻，這樣可以防止折向器過(guò)早投入產(chǎn)生大的擾動(dòng)，只起到過(guò)速時(shí)的保護(hù)作用。具體措施如下：

（1）聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)時(shí)，增加判斷條件：當(dāng)機(jī)組處于并網(wǎng)狀態(tài)（斷路器合閘），若機(jī)組頻率超過(guò)50±0.5 Hz，延時(shí)0.5 s，馬上切換到孤網(wǎng)運(yùn)行工況，調(diào)速器調(diào)用孤網(wǎng)運(yùn)行PID參數(shù)，頻率死區(qū)設(shè)置為0.05 Hz，同時(shí)調(diào)差系數(shù)設(shè)置為1%～2%；

（2）參見(jiàn)圖3，機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行工況，若系統(tǒng)頻率處于上升趨勢(shì)且超過(guò)55 Hz，則折向器關(guān)閉，切斷水流，當(dāng)頻率處于下降趨勢(shì)且低于54 Hz時(shí)，折向器開(kāi)啟，依靠噴針來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)組頻率，通過(guò)優(yōu)化的孤網(wǎng)控制參數(shù)，控制機(jī)組頻率穩(wěn)定。折向器的判斷條件不僅依靠頻率閾值，還要依靠頻率變化的方向和斜率，大大增加了動(dòng)作的可靠性。

圖3 折向器投切控制示意圖

（3）從操作規(guī)范角度，如果2臺(tái)機(jī)均并入孤網(wǎng)運(yùn)行，可以將其中1臺(tái)機(jī)組切至手動(dòng)，強(qiáng)制退出折向器。保證該機(jī)組一定的出力，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；此方法也可以達(dá)到迅速抑制頻率的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，西藏覺(jué)巴水電站3臺(tái)機(jī)組調(diào)速器已全部完成改進(jìn)措施，且重新進(jìn)行了孤網(wǎng)轉(zhuǎn)聯(lián)網(wǎng)的切換試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果正常，沒(méi)有出現(xiàn)頻率來(lái)回振蕩的現(xiàn)象。電站按照試驗(yàn)大綱進(jìn)行了調(diào)速器動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)，結(jié)果顯示調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)、穩(wěn)定性能指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)標(biāo)、部標(biāo)有關(guān)要求，具有操作簡(jiǎn)便、維護(hù)、調(diào)試方便、抗干擾性強(qiáng)、并網(wǎng)容易等優(yōu)點(diǎn)。

近年來(lái)，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)85 MW機(jī)組全部發(fā)電。一方面，西藏電網(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)速器的控制策略不完善，不能采取有效措施，往往出現(xiàn)頻率波動(dòng)、振蕩等事故。覺(jué)巴水電廠經(jīng)過(guò)事故分析和調(diào)速器控制策略?xún)?yōu)化改進(jìn)后，切換動(dòng)作正常，控制措施合理，目前運(yùn)行情況穩(wěn)定，為西藏電網(wǎng)的安全和地區(qū)的穩(wěn)定做出了重要貢獻(xiàn)。

[1]文斌.沖擊式機(jī)組微機(jī)調(diào)速器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].科技信息，2011（3）：132-133.

[2]涂振祥.多噴嘴沖擊式大型水輪機(jī)組的調(diào)速器控制與特殊工況運(yùn)行問(wèn)題的研究 [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，16（37）：16-19.

TV734.4

B

1672-5387（2017）08-0031-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.010

2017-03-22

陳明莉（1989-），女，助理工程師，從事水電站水輪機(jī)調(diào)速、綜合自動(dòng)化控制裝置的調(diào)試等工作。