水電機(jī)組有功波動(dòng)分析及處理

尹利群，王 雄，付 亮，張新華

(1.托口水電廠，湖南懷化418106；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；3.長(zhǎng)江三峽能事達(dá)電氣股份有限公司，湖北武漢430000)

水電機(jī)組有功波動(dòng)分析及處理

尹利群1，王 雄1，付 亮2，張新華3

(1.托口水電廠，湖南懷化418106；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；3.長(zhǎng)江三峽能事達(dá)電氣股份有限公司，湖北武漢430000)

針對(duì)水電機(jī)組普遍存在的由于輸 (引)水系統(tǒng) “水錘效應(yīng)”及水輪機(jī)非線性特性而造成的負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程中機(jī)組功率反調(diào)現(xiàn)象，通過(guò)理論分析及仿真得出了影響水電機(jī)組功率反調(diào)的主要因素為水輪機(jī)時(shí)間常數(shù)Tw、導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間和綜合調(diào)節(jié)系數(shù)e。據(jù)此對(duì)某水電廠3號(hào)機(jī)組有功功率波動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)檢查及原因分析，進(jìn)行了一系列參數(shù)敏感性分析實(shí)驗(yàn)，最終優(yōu)化了調(diào)速器導(dǎo)葉關(guān)閉速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)組有功反調(diào)幅值大幅降低，調(diào)節(jié)品質(zhì)大幅改善。

水電機(jī)組；功率反調(diào)；過(guò)渡過(guò)程；水錘效應(yīng)；處理

由于水電機(jī)組的引水系統(tǒng)中的 “水錘效應(yīng)”及水輪機(jī)非線性特性的影響，使得整個(gè)水輪機(jī)系統(tǒng)為一復(fù)雜的非線性、非最小相位系統(tǒng)，因此在負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程中容易出現(xiàn)功率波動(dòng)現(xiàn)象，極大地影響水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性〔1〕。文章通過(guò)分析、研究某水電廠3號(hào)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整過(guò)程出現(xiàn)的功率波動(dòng)現(xiàn)象，確定了其主要原因在于 “水錘效應(yīng)”以及監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)速器調(diào)功參數(shù)匹配不當(dāng)。文章對(duì)水電機(jī)組帶負(fù)荷過(guò)程由于功率反調(diào)過(guò)大引發(fā)的機(jī)組有功功率波動(dòng)的研究，提供了一種分析水電機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)的思路，同時(shí)對(duì)解決“水錘效應(yīng)”引發(fā)功率波動(dòng)問(wèn)題提供一個(gè)可行的解決辦法。

1 功率波動(dòng)現(xiàn)象

2016年4月13日6時(shí)45分，某水電廠3號(hào)機(jī)單機(jī)帶120 MW負(fù)荷運(yùn)行；6時(shí)45分31秒，按調(diào)度的96點(diǎn)計(jì)劃曲線，該水電廠總出力由120 MW加至240 MW；6時(shí)47分24秒，1號(hào)機(jī)開機(jī)并網(wǎng)帶30 MW運(yùn)行，3號(hào)機(jī)負(fù)荷從120 MW加至137 MW；6時(shí)51分49秒，AGC下令3號(hào)機(jī)負(fù)荷從137 MW減至86 MW，1號(hào)機(jī)負(fù)荷從30 MW加至90 MW，在負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中6時(shí)51時(shí)52秒計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)出現(xiàn)告警:1)3號(hào)機(jī)組有功功率144.89 MW越上限，瞬時(shí)復(fù)歸；2)開關(guān)站相量測(cè)量裝置PMU采集柜啟動(dòng)錄波，動(dòng)作。

調(diào)取PMU裝置錄波文件，3號(hào)機(jī)組有功功率、導(dǎo)葉開度曲線如圖1所示。

圖1 機(jī)組有功功率、導(dǎo)葉開度變化過(guò)程曲線

由圖可知，3號(hào)機(jī)組有功功率由137 MW減至86 MW過(guò)程中出現(xiàn)了功率反調(diào)及異常的周期波動(dòng)，有功最大值為151.3 MW，波動(dòng)周期約為3 s，整個(gè)波動(dòng)過(guò)程持續(xù)約5個(gè)周期后逐步衰減。

2 影響水電機(jī)組功率反調(diào)的主要因素

2.1 水輪機(jī)時(shí)間常數(shù)

大量仿真試驗(yàn)表明，隨著水電機(jī)組水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw的增大，水電機(jī)組的反調(diào)現(xiàn)象也變得更加明顯，如圖2所示。

圖2 水輪機(jī)時(shí)間常數(shù)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

2.2 導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間

導(dǎo)葉在整個(gè)過(guò)程中起到關(guān)鍵的作用，其關(guān)閉速度和幅度決定了調(diào)節(jié)初始階段引水道內(nèi)水流動(dòng)能的增幅，進(jìn)而影響到水輪機(jī)的功率反調(diào)。

如圖3給出了不同導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)功率響應(yīng)特性。從圖中可以看出，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間的延長(zhǎng)，削弱了水流慣性引起的水流動(dòng)能的徒增效應(yīng)，功率超調(diào)現(xiàn)象明顯減弱。

圖3 導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

2.3 水輪機(jī)綜合調(diào)節(jié)系數(shù)

水輪機(jī)導(dǎo)葉開度與機(jī)組有功功率傳遞函數(shù)如圖4所示，通過(guò)該式可看出，有功功率反調(diào)大小與水輪機(jī)綜合調(diào)節(jié)系數(shù)e相關(guān)。

圖4 水輪機(jī)原動(dòng)機(jī)模型

水輪機(jī)綜合調(diào)節(jié)系數(shù)e值主要與水輪機(jī)運(yùn)行工況相關(guān)〔2－3〕，一般來(lái)說(shuō)，在額定水頭及低水頭工況下e值較大 (其值大于1)，這也會(huì)加劇機(jī)組有功功率的反調(diào)。

3 機(jī)組功率反調(diào)原因分析

3.1 機(jī)組固有特性檢查情況

查閱該水電廠設(shè)計(jì)圖紙資料，計(jì)算得到3號(hào)機(jī)組水流慣性時(shí)間常數(shù) Tw＝1.91 s。

3.2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)檢查情況

該水電廠有功功率控制功能主要由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成，調(diào)速器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，二者通過(guò)接口脈沖信號(hào)相連。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)AGC根據(jù)調(diào)度下達(dá)的機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值和檢測(cè)的機(jī)組實(shí)際出力，按照設(shè)定參數(shù)實(shí)時(shí)向調(diào)速器發(fā)送功率 “增/減”脈沖信號(hào)，調(diào)速器根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)給出的脈沖寬度和脈沖個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)整導(dǎo)葉開度從而調(diào)節(jié)機(jī)組出力，完成機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)AGC調(diào)功參數(shù)設(shè)置:調(diào)功周期為t＿period＝3 000 ms，最小脈寬為t＿min＝40 ms， 最大脈寬為 t＿max ＝1 000 ms。

2016年4月13日06時(shí)51分49秒，該水電廠3號(hào)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)AGC下令3號(hào)機(jī)組有功由137 MW減至86 MW，監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)發(fā)減有功脈沖至調(diào)速器如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)減負(fù)荷脈沖指令

3.3 調(diào)速器系統(tǒng)檢查情況

調(diào)速器PLC平均掃描周期為15 ms，開度脈沖模式下，調(diào)速器程序內(nèi) “導(dǎo)葉開給遠(yuǎn)方脈沖增、減速率”設(shè)置為每掃描周期導(dǎo)葉開度給定為0.1%.調(diào)速器PID參數(shù)設(shè)置為:bt＝50%，Td＝10，Tn＝0.1， bp＝6%。

調(diào)節(jié)過(guò)程中機(jī)組有功及導(dǎo)葉開度情況如圖1所示，導(dǎo)葉開度動(dòng)作詳細(xì)情況見表1。

表1 3號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開度變化情況分析表

通過(guò)表1分析可以看出調(diào)速器收到監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)減有功脈沖后，調(diào)速器快速響應(yīng)，導(dǎo)葉關(guān)閉速度平均約為每秒7%，在每個(gè)調(diào)節(jié)周期內(nèi)導(dǎo)葉開度出現(xiàn)快速減少、隨后又小幅回調(diào)現(xiàn)象，且導(dǎo)葉每次動(dòng)作均引起了機(jī)組有功功率明顯反調(diào)，造成2016年4月13日6時(shí)51分52秒至6時(shí)52分05秒，機(jī)組有功功率出現(xiàn)了周期波動(dòng)。

第一周期內(nèi)功率反調(diào)最大值達(dá)到了151.3 MW，最小值為126.1 MW，波動(dòng)幅值為25.2 MW，由于功率反調(diào)最大值超過(guò)了機(jī)組過(guò)負(fù)荷保護(hù)設(shè)定值，造成機(jī)組的過(guò)負(fù)荷報(bào)警。

第二周期內(nèi)功率反調(diào)最大值達(dá)到了143.6 MW，最小值為121.3 MW，波動(dòng)幅值為22.3 MW。

第三周期內(nèi)功率反調(diào)最大值達(dá)到了137.6 MW，最小值為115.5 MW，波動(dòng)幅值為22.1 MW。

調(diào)速器系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置:1)調(diào)速器PLC控制器平均掃描周期約為15 ms；2)機(jī)組調(diào)速器程序內(nèi)“導(dǎo)葉開給遠(yuǎn)方脈沖減速率”設(shè)置為每掃描周期為0.1%開度；3)機(jī)組調(diào)速器程序內(nèi) “導(dǎo)葉開給遠(yuǎn)方脈沖增速率”設(shè)置為每掃描周期為0.1%開度。

從以上數(shù)據(jù)分析，可得出結(jié)論:1)調(diào)速器在每個(gè)調(diào)節(jié)周期內(nèi)，機(jī)組有功功率均出現(xiàn)明顯反調(diào)現(xiàn)象；2)在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，導(dǎo)葉開度均未超過(guò)起始開度 (76.67%)，由功率反調(diào)造成的最大功率達(dá)到150.82 MW，超初始功率13.1 MW，機(jī)組有功功率越上限報(bào)警；3)根據(jù)調(diào)速器系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)，可計(jì)算出調(diào)速器減負(fù)荷給定速度約為每秒6%開度，導(dǎo)致調(diào)整速度偏快；4)調(diào)速器系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)快，有回調(diào)現(xiàn)象，加劇了機(jī)組功率反調(diào)。

3.4 原因分析及結(jié)論

1)機(jī)組水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw較大。

2)監(jiān)控系統(tǒng)正確地響應(yīng)了AGC下發(fā)的指令。

3)調(diào)速器在每個(gè)調(diào)節(jié)周期內(nèi)，導(dǎo)葉開度每次動(dòng)作機(jī)組有功功率均出現(xiàn)明顯反調(diào)現(xiàn)象，造成了有功功率的周期波動(dòng)。

4)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)調(diào)速器參數(shù)設(shè)定計(jì)算得到調(diào)速器系統(tǒng)開度給定速度為每秒6%開度，同時(shí)又由于執(zhí)行元件響應(yīng)過(guò)快，實(shí)際導(dǎo)葉開度動(dòng)作速度達(dá)到了每秒7%開度，且有回調(diào)現(xiàn)象，導(dǎo)葉動(dòng)作速度較快加劇了機(jī)組功率反調(diào)，進(jìn)一步加劇了功率的周期波動(dòng)。

4 處理措施研究

由于3號(hào)機(jī)組水流慣性時(shí)間常數(shù)難以在短時(shí)間內(nèi)改變，水輪機(jī)綜合調(diào)節(jié)系數(shù)e值與水輪機(jī)運(yùn)行工況相關(guān)，也難以控制，因此以導(dǎo)葉關(guān)閉速率為切入點(diǎn)，開展調(diào)速器、監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)功參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究。分別對(duì)調(diào)速器及監(jiān)控系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)機(jī)組調(diào)功過(guò)渡過(guò)程的影響進(jìn)行了敏感性分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化了調(diào)功參數(shù)及調(diào)速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)性能。

4.1 調(diào)速器參數(shù)敏感性分析

監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)不變，不同調(diào)速器參數(shù)下3號(hào)機(jī)組調(diào)功過(guò)渡過(guò)程試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 調(diào)速器參數(shù)對(duì)功率調(diào)節(jié)的影響

通過(guò)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知改變調(diào)速器系統(tǒng)導(dǎo)葉開給遠(yuǎn)方脈沖增、減速率對(duì)功率反調(diào)幅值影響較大，速率越小，功率反調(diào)幅值越小，調(diào)節(jié)時(shí)間越長(zhǎng)。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)敏感性分析

調(diào)速器參數(shù)不變 (導(dǎo)葉開給遠(yuǎn)方脈沖增、減速率為每掃描周期0.03%開度)，改變監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)，不同監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)下3號(hào)機(jī)組調(diào)功過(guò)渡過(guò)程試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)對(duì)功率調(diào)節(jié)的影響

通過(guò)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出如下結(jié)論:改變監(jiān)控系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)最大脈寬、調(diào)節(jié)周期對(duì)功率反調(diào)幅值影響較小。最大脈寬≤1 500 ms情況下，增大調(diào)功最大脈寬、減小調(diào)功周期可以提高調(diào)節(jié)速度，最大脈寬＞1 500 ms后，對(duì)提高調(diào)節(jié)速度作用不明顯。

4.3 參數(shù)優(yōu)化

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，初步選定最優(yōu)調(diào)功參數(shù):監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)功參數(shù)中，最大脈寬為1 500 ms，調(diào)功周期為2 000 ms；調(diào)速器系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)中，導(dǎo)葉開給遠(yuǎn)方脈沖增、減速率均為每掃描周期0.04%開度。參數(shù)優(yōu)化后3號(hào)機(jī)組調(diào)功過(guò)渡過(guò)程試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 參數(shù)優(yōu)化后功率調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，參數(shù)優(yōu)化前2016年4月13日3號(hào)機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)，3號(hào)機(jī)組在單次減少51 MW負(fù)荷下，有功反調(diào)幅值13 MW，反調(diào)幅值占負(fù)荷階躍量的25%；調(diào)速器、監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)功參數(shù)優(yōu)化后，3號(hào)機(jī)組在單次減少60 MW負(fù)荷下，有功反調(diào)幅值8 MW，反調(diào)幅值占負(fù)荷階躍量的13%；通過(guò)優(yōu)化參數(shù)使得機(jī)組功率反調(diào)大幅改善。

4.4 調(diào)速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整

對(duì)調(diào)速器的動(dòng)作性能進(jìn)行優(yōu)化，監(jiān)控調(diào)功周期2 000 ms，最大脈沖調(diào)節(jié)脈寬1 200 ms，中位傳感器電氣零點(diǎn)為38.58。確保機(jī)組調(diào)節(jié)過(guò)程中具有最優(yōu)的調(diào)節(jié)品質(zhì)〔4〕，對(duì)調(diào)速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行了檢查、試驗(yàn)及調(diào)整，重新對(duì)主配壓閥中位進(jìn)行了調(diào)整，對(duì)主配反饋進(jìn)行了標(biāo)定，于2016年4月18—19日，進(jìn)行負(fù)荷階躍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化后功率調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，調(diào)速器系統(tǒng)調(diào)節(jié)器、電液轉(zhuǎn)換裝置和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢查、優(yōu)化、聯(lián)調(diào)后，機(jī)組在單次減少60 MW負(fù)荷下，有功反調(diào)幅值4.3 MW，反調(diào)幅值占負(fù)荷階躍量的7%。大負(fù)荷階躍過(guò)程中，功率調(diào)整平穩(wěn)，未出現(xiàn)調(diào)速器往復(fù)調(diào)節(jié)、功率來(lái)回波動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)一步改善了功率調(diào)節(jié)的過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)。

5 結(jié)語(yǔ)

該水電廠3號(hào)機(jī)組由于功率反調(diào)引發(fā)的功率波動(dòng)處理結(jié)果表明，無(wú)需對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組及其固有流道進(jìn)行較大改造，僅通過(guò)優(yōu)化監(jiān)控與調(diào)速器系統(tǒng)調(diào)功參數(shù)、改善調(diào)速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)性能，在保證帶負(fù)荷的速動(dòng)性的前提下來(lái)適當(dāng)降低導(dǎo)葉關(guān)閉速率，可以降低功率反調(diào)幅值，改善過(guò)渡過(guò)程的調(diào)節(jié)品質(zhì)。對(duì)今后分析、處理此類問(wèn)題具有參考借鑒意義。

采用這種方式來(lái)降低功率反調(diào)是犧牲了水電機(jī)組帶負(fù)荷的部分速度，無(wú)法充分體現(xiàn)水電機(jī)組比火電機(jī)組帶負(fù)荷速動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)。水電機(jī)組快速帶大負(fù)荷過(guò)程中如何可以既減少甚至避免功率反調(diào)，同時(shí)又保證帶負(fù)荷的速動(dòng)性，還需要進(jìn)一步研究導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，采用 “慢－快－慢”的方式，來(lái)達(dá)到在水電機(jī)組負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中減少水錘效應(yīng)引起的功率反調(diào)幅值，又滿足帶負(fù)荷的速動(dòng)性。

〔1〕張劍云，李明節(jié)，周濟(jì)，等.三峽巨型電站異常功率波動(dòng)仿真與試驗(yàn)研究 〔J〕.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(16):122-129.

〔2〕魏守平.水輪機(jī)調(diào)節(jié) 〔M〕.武漢:華中科技大學(xué)出版社2009.2.

〔3〕魏守平，伍永剛，林靜懷.水輪機(jī)調(diào)速器與電網(wǎng)負(fù)荷頻率控制:(二)電網(wǎng)負(fù)荷頻率控制仿真研究 〔J〕.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2006，30(1):18-22.

〔4〕中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件:GB/T9652.1—2007〔S〕.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

Analysis and Treatment on Active Power Fluction of Hydro Generator

YING liqun1， WANG Xiong1， FU Liang2， ZHANG Xinhua3
(1.Tuokou Hydropower Plant， Huaihua 418106， China ；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute， Changsha 410007， China；3.Three Gorges Nengshida Electric Co.， Ltd， Wuhan 430000， China)

The power anti-regulation phenomenon is very common in the hydropower generator during the power adjust process，because of the water hammer effect of water system and the nonlinear characteristics of the hydro generator.The simulation and theoretical analysis shows that the main factors that cause the power anti-regulation are the Tw of hydropower generator，the time to close the gate and the comprehensive adjustment coefficient e.It analyzes the power anti-regulation of NO.3 unit of a hydropower station.And it makes a series of parameter sensitivity analysis experiments.It optimizes the governor guide vane closing rate ultimately.The result shows that the power anti-regulation is greatly reduced and the regulation quality is improved greatly.

hydro generator； power anti-regulation； transient process； water hammer effect； treatment

TM74

B

1008-0198(2017)05-0051-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.05.013

2016-12-12

尹利群(1968)，男，湖南益陽(yáng)人，工程師，主要從事水電廠生產(chǎn)管理工作。

王雄(1986)，男，湖北黃梅人，助理工程師，主要從事水電廠設(shè)備維護(hù)工作。

付亮(1981)，男，湖北五峰人，高級(jí)工程師，主要從事水電廠試驗(yàn)科研工作。

張新華(1977)，男，湖北公安人，高級(jí)工程師，主要從事水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。