大型水電站調(diào)速器孤網(wǎng)模式設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

于文杰，劉細(xì)輝，王亞華

（雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都610041）

0 前言

隨著跨區(qū)域大負(fù)荷輸電的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模越來(lái)越大，相應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制提出了更高要求。2008年年初雪災(zāi)，電力設(shè)施損毀慘重，部分地區(qū)解裂為孤立電網(wǎng)后，機(jī)組容量與孤網(wǎng)負(fù)荷不匹配，電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行受到威脅，此時(shí)調(diào)速器參數(shù)的設(shè)計(jì)是否合理是影響穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，設(shè)置不合理易引起機(jī)組震蕩[1]。在系統(tǒng)嚴(yán)重故障時(shí)，大型水力發(fā)電廠帶區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行模式。本文介紹了某大型水電站的孤網(wǎng)模式的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)過(guò)程，可為同類電廠提供案例參考。

1 調(diào)速系統(tǒng)孤網(wǎng)模式技術(shù)要求

根據(jù)《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T1245）第5.1.14條要求，“水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況、不同控制模式下所使用的PID調(diào)節(jié)參數(shù)、人工頻率/轉(zhuǎn)速死區(qū)、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)/調(diào)差率以及隨動(dòng)系數(shù)參數(shù)、協(xié)聯(lián)關(guān)系等均應(yīng)能通過(guò)人機(jī)界面或?qū)Ｓ谜{(diào)試設(shè)備方便查詢和調(diào)整”。調(diào)速器系統(tǒng)設(shè)置的孤網(wǎng)模式應(yīng)PID參數(shù)、人工頻率/轉(zhuǎn)速死區(qū)等應(yīng)單獨(dú)設(shè)置參數(shù)并方便查詢和調(diào)整。

根據(jù)《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T1245）第5.2.6條要求，“水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)該能對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行開(kāi)度調(diào)節(jié)模式、功率調(diào)節(jié)模式、孤網(wǎng)運(yùn)行頻率調(diào)節(jié)模式及一次調(diào)頻模式分別設(shè)置相應(yīng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，調(diào)節(jié)模式切換時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)能自動(dòng)切換”。調(diào)速器控制系統(tǒng)應(yīng)能獨(dú)立設(shè)置孤網(wǎng)模式及參數(shù)，其孤網(wǎng)模式應(yīng)能獨(dú)立配置孤網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)死區(qū)、PID參數(shù)、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)等。

根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行需求，調(diào)速器控制系統(tǒng)應(yīng)具備自動(dòng)/手動(dòng)投入、退出孤網(wǎng)模式運(yùn)行的功能，手動(dòng)投入孤網(wǎng)模式后不允許自動(dòng)返回正常聯(lián)網(wǎng)模式。

2 孤網(wǎng)模式設(shè)計(jì)

2.1 孤網(wǎng)模式自動(dòng)投退功能

在調(diào)速器控制系統(tǒng)觸摸屏上設(shè)置孤網(wǎng)模式投退窗口如下頁(yè)圖1所示，在監(jiān)控系統(tǒng)上設(shè)置孤網(wǎng)模式投退窗口如下頁(yè)圖2所示。優(yōu)化控制程序?qū)崿F(xiàn)功能如下：

（1）在調(diào)速器控制系統(tǒng)觸摸屏上設(shè)置密碼登錄窗口，輸入密碼方能進(jìn)行孤網(wǎng)模式切換及參數(shù)修改工作。

（2）設(shè)置孤網(wǎng)模式切換按鈕，點(diǎn)擊按鈕進(jìn)行“自動(dòng)”及“人工”模式切換。在“自動(dòng)”模式下，調(diào)速器控制系統(tǒng)按照設(shè)置窗中“自動(dòng)投孤網(wǎng)頻差0.50 Hz”及“自動(dòng)退孤網(wǎng)頻差0.10 Hz”進(jìn)行模式自動(dòng)投退，在此模式下監(jiān)控系統(tǒng)選擇“切手動(dòng)”方式，點(diǎn)擊“投孤網(wǎng)”、“退孤網(wǎng)”按鈕仍然可實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)模式的手動(dòng)投退；在“人工”模式下，調(diào)速器控制系統(tǒng)按照監(jiān)控系統(tǒng)上的投退按鈕進(jìn)行操作，點(diǎn)擊“切手動(dòng)”按鈕，“孤網(wǎng)投退方式”顯示“手動(dòng)”，此時(shí)可點(diǎn)擊“投孤網(wǎng)”、“退孤網(wǎng)”按鈕，進(jìn)行孤網(wǎng)運(yùn)行模式切換。

（3）在“自動(dòng)”模式下，系統(tǒng)頻率滿足“自動(dòng)退孤網(wǎng)頻差0.10 Hz”后進(jìn)行延時(shí)3 min，孤網(wǎng)運(yùn)行模式自動(dòng)退出，防止頻率出現(xiàn)急劇波動(dòng)時(shí)孤網(wǎng)模式發(fā)生高頻率投退現(xiàn)象，保證調(diào)速器孤網(wǎng)調(diào)節(jié)過(guò)程穩(wěn)定可靠。

圖1 調(diào)速器控制系統(tǒng)孤網(wǎng)模式投退窗口

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)上孤網(wǎng)模式投退窗口

2.2 孤網(wǎng)模式控制參數(shù)

在調(diào)速器控制系統(tǒng)觸摸屏上設(shè)置孤網(wǎng)投退窗口如圖3所示。優(yōu)化控制程序?qū)崿F(xiàn)功能如下：

（1）調(diào)速器進(jìn)入孤網(wǎng)控制模式，按照“比列增益3.00”、“積分增益0.20”及“微分增益1.00”的參數(shù)進(jìn)行過(guò)程調(diào)節(jié)與控制。與并網(wǎng)開(kāi)度控制模式調(diào)節(jié)參數(shù)“比例增益3.00”、“積分增益1.00”及“微分增益1.00”相比積分增益變小，已保證調(diào)節(jié)過(guò)程平穩(wěn)，避免發(fā)生振蕩情形。

（2）“頻率死區(qū)0.20 Hz”表示頻率在50±0.2 Hz的范圍內(nèi)，孤網(wǎng)模式下調(diào)速器系統(tǒng)不進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（3）“調(diào)差系數(shù)1.00%”與開(kāi)度模式下“調(diào)差系數(shù)4.00%”相比較數(shù)值變小，已保證調(diào)節(jié)的幅度與效果。

（4）“頻差限幅”參數(shù)的作用是保證頻率調(diào)節(jié)在正常的數(shù)值范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)過(guò)度調(diào)節(jié)及頻率誤調(diào)節(jié)的情況。

圖3 手動(dòng)投入孤網(wǎng)模式只能手動(dòng)退出，頻差死區(qū)設(shè)置

3 孤網(wǎng)模式試驗(yàn)

3.1 靜態(tài)試驗(yàn)

“靜態(tài)”是指機(jī)組未啟動(dòng)，蝸殼無(wú)水或者靜壓狀態(tài)，調(diào)速器液壓系統(tǒng)調(diào)試合格后的狀態(tài)。

3.1.1 孤網(wǎng)模式PID調(diào)節(jié)特性測(cè)試及Bp校驗(yàn)[2]

試驗(yàn)按分環(huán)節(jié)測(cè)試法，測(cè)量比例、積分及微分等環(huán)節(jié)的輸入輸出特性。試驗(yàn)方法及步驟：

（1）調(diào)速器切手動(dòng)，在50 Hz穩(wěn)定信號(hào)，模擬并網(wǎng)信號(hào)，接力器行程穩(wěn)定于50%附近，死區(qū)設(shè)置為0，Bp設(shè)置為0，進(jìn)行分環(huán)節(jié)時(shí)域測(cè)量。比例放大倍數(shù)測(cè)量時(shí)，將微分、積分環(huán)節(jié)退出，進(jìn)行不同比例放大倍數(shù)下的階躍試驗(yàn)；微分測(cè)量時(shí)，將比例、積分、環(huán)節(jié)退出，進(jìn)行不同微分系數(shù)下的階躍試驗(yàn)；積分測(cè)量時(shí)，將比例、微分環(huán)節(jié)退出，進(jìn)行不同積分系數(shù)下的階躍試驗(yàn)。

（2）調(diào)速器切自動(dòng)頻率模式運(yùn)行，進(jìn)行頻率給定階躍試驗(yàn)，辨識(shí)PID各環(huán)節(jié)參數(shù)。

（3）調(diào)速器切手動(dòng)，設(shè)置 Bp=0、4%、5%；Kd、Kp、Ki為定值，重復(fù)擾動(dòng)試驗(yàn)[3]。

3.1.2 孤網(wǎng)人工頻率死區(qū)檢查校驗(yàn)

試驗(yàn)方法及步驟：

（1）在機(jī)柜端子上加50 Hz穩(wěn)定信號(hào)，模擬并網(wǎng)信號(hào)，手動(dòng)接力器行程穩(wěn)定于約50%附近，調(diào)速器模擬機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷工況，自動(dòng)開(kāi)度模式運(yùn)行，人工頻率死區(qū)設(shè)置為：E=±0.2 Hz。

（2）使頻率給定發(fā)生階躍擾動(dòng)，擾動(dòng)量為±0.2Hz，±0.22 Hz，±0.3 Hz記錄接力器行程的變化過(guò)程及調(diào)速器人工頻率死區(qū)設(shè)定值。

（3）接力器行程穩(wěn)定與約20%附近，將人工頻率死區(qū)設(shè)置為E=±0.05 Hz，以0.01 Hz步長(zhǎng)將機(jī)頻由50 Hz逐次降至49.8 Hz，穩(wěn)定后返回50 Hz，然后再由50 Hz逐次加到50.2 Hz，穩(wěn)定后返回。測(cè)出在設(shè)定頻率死區(qū)下導(dǎo)葉接力器的開(kāi)度與頻率的關(guān)系，計(jì)算其實(shí)測(cè)值與誤差值。

3.1.3 孤網(wǎng)人工頻率死區(qū)檢查校驗(yàn)

試驗(yàn)方法及步驟：

（1）在機(jī)柜端子上加50 Hz穩(wěn)定信號(hào)，模擬并網(wǎng)信號(hào)，手動(dòng)接力器行程穩(wěn)定于約50%附近，調(diào)速器模擬機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷工況，自動(dòng)開(kāi)度模式運(yùn)行，人工頻率死區(qū)設(shè)置為：E=±0.1 Hz。

（2）使頻率給定發(fā)生階躍擾動(dòng)，逐步增大擾動(dòng)量直到調(diào)速器輸出限幅動(dòng)作。

3.1.4 模擬并網(wǎng)下自動(dòng)切換孤網(wǎng)模式試驗(yàn)

試驗(yàn)方法及步驟：

（1）調(diào)速系統(tǒng)模擬并網(wǎng)運(yùn)行，調(diào)速系統(tǒng)大網(wǎng)、孤網(wǎng)參數(shù)按照正常參數(shù)設(shè)置，在機(jī)柜端子上加50 Hz穩(wěn)定信號(hào)，自動(dòng)開(kāi)度/功率模式運(yùn)行。根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)孤網(wǎng)切換頻率設(shè)定值，設(shè)定信號(hào)發(fā)生器輸出頻率發(fā)生階躍擾動(dòng)，若頻率擾動(dòng)量超過(guò)切換頻率并持續(xù)足夠時(shí)間，調(diào)速系統(tǒng)將自動(dòng)切換至孤網(wǎng)模式運(yùn)行。

（2）略微增大頻率階躍量，重新進(jìn)行階躍試驗(yàn)，測(cè)試在孤網(wǎng)模式下的PID輸出調(diào)節(jié)特性。

3.1.5 模擬并網(wǎng)下孤網(wǎng)自動(dòng)返回試驗(yàn)

試驗(yàn)方法及步驟：

在3.1.4的基礎(chǔ)上，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)切換為孤網(wǎng)模式運(yùn)行后，逐步將信號(hào)發(fā)生器輸出頻率返回至50 Hz，在此過(guò)程中，記錄調(diào)速器系統(tǒng)孤網(wǎng)模式返回至正常聯(lián)網(wǎng)模式的返回頻率及時(shí)間。

3.1.6 模擬并網(wǎng)下手動(dòng)切換孤網(wǎng)模式試驗(yàn)

試驗(yàn)方法及步驟：

在3.1.5的基礎(chǔ)上，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)切換為孤網(wǎng)模式運(yùn)行后，手動(dòng)將孤網(wǎng)模式切換至正常聯(lián)網(wǎng)模式，測(cè)量調(diào)速系統(tǒng)PID輸出等調(diào)節(jié)特性。測(cè)試返回正常聯(lián)網(wǎng)模式是否正常。

3.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

“動(dòng)態(tài)”是指機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行的發(fā)電狀態(tài)，且機(jī)組一次調(diào)頻調(diào)試合格，一次調(diào)頻能正常投入運(yùn)行。

3.2.1 機(jī)組自動(dòng)切孤網(wǎng)模式頻率擾動(dòng)試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)擾動(dòng)通常在開(kāi)度模式、功率模式及監(jiān)控功率閉環(huán)調(diào)節(jié)模式等調(diào)節(jié)方式下進(jìn)行，25%額定負(fù)荷下動(dòng)態(tài)頻率擾動(dòng)試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：

（1）調(diào)速系統(tǒng)其他各項(xiàng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)（如一次調(diào)頻試驗(yàn)）驗(yàn)收已完畢。

（2）機(jī)組具備變負(fù)荷條件，同時(shí)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。

（3）PID設(shè)置為一次調(diào)頻試驗(yàn)整定值，死區(qū)按一次調(diào)頻要求設(shè)置。

試驗(yàn)方法：

（1）確認(rèn)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，將聯(lián)網(wǎng)模式下的一次調(diào)頻限幅值臨時(shí)修改為約3%～5%額定功率。

（2）逐次改變調(diào)速器頻率給定值（或模擬機(jī)組頻率信號(hào)，下同），根據(jù)調(diào)速器系統(tǒng)孤網(wǎng)切換頻率設(shè)置情況，逐步變化過(guò)程為正負(fù) 0.1 Hz，0.2 Hz，0.25 Hz，0.5 Hz，1.0 Hz測(cè)試記錄每一次擾動(dòng)過(guò)程。調(diào)速器機(jī)旁一直有人監(jiān)視，以便異常工況下調(diào)速器切手動(dòng)。若頻率擾動(dòng)量超過(guò)切換頻率并持續(xù)足夠時(shí)間，調(diào)速系統(tǒng)將自動(dòng)切換至孤網(wǎng)模式運(yùn)行。測(cè)試在孤網(wǎng)切換及切換后的調(diào)節(jié)特性。

（3）記錄機(jī)組孤網(wǎng)模式切換頻率及延時(shí)，記錄頻率返回后調(diào)速系統(tǒng)切換為正常聯(lián)網(wǎng)模式的頻率及延時(shí)。

3.2.2 機(jī)組并網(wǎng)帶孤立調(diào)節(jié)試驗(yàn)

根據(jù)《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T1245）第6.5“孤立調(diào)節(jié)試驗(yàn)”推薦，機(jī)組并入電網(wǎng)運(yùn)行，帶不少于25%的額定負(fù)荷，待負(fù)荷穩(wěn)定后，跳開(kāi)主變高壓側(cè)斷路器，但發(fā)電機(jī)出口斷路器依然保持閉合，觀察并記錄頻率、接力器位移等信號(hào)在此切換過(guò)程中的變化，驗(yàn)證調(diào)節(jié)過(guò)程是否正常穩(wěn)定。

3.2.3 模擬并網(wǎng)下手動(dòng)切換孤網(wǎng)模式試驗(yàn)

機(jī)組正常并網(wǎng)運(yùn)行，手動(dòng)將調(diào)速系統(tǒng)切換為孤網(wǎng)模式，調(diào)節(jié)穩(wěn)定后將孤網(wǎng)模式切換至正常聯(lián)網(wǎng)模式，測(cè)量調(diào)速系統(tǒng)PID輸出等調(diào)節(jié)特性。測(cè)試各切換及返回過(guò)程是否正常。

3.2.4 孤網(wǎng)模式下機(jī)組運(yùn)行監(jiān)視

機(jī)組正常并網(wǎng)運(yùn)行，手動(dòng)將調(diào)速系統(tǒng)切換為孤網(wǎng)模式，記錄30 min正常運(yùn)行監(jiān)測(cè)情況，確認(rèn)試驗(yàn)期間機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。

4 試驗(yàn)波形

根據(jù)第3節(jié)的試驗(yàn)內(nèi)容，選擇有代表性的波形如圖4至圖8。圖4、圖5是機(jī)組80%負(fù)荷（480 MW），系統(tǒng)頻率變化0.2 Hz時(shí)調(diào)速器進(jìn)行一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)過(guò)程，未進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行模式。圖6是機(jī)組25%負(fù)荷（150 MW）跳開(kāi)主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)，機(jī)組帶主變廠用電，自動(dòng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行模式的波形，進(jìn)入孤網(wǎng)模式后調(diào)節(jié)穩(wěn)定，孤網(wǎng)功能正常。圖7是機(jī)組25%負(fù)荷（150 MW）并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，模擬網(wǎng)頻50 Hz變?yōu)?0.505 Hz機(jī)組孤網(wǎng)模式調(diào)節(jié)波形圖，調(diào)速器正確進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行模式，調(diào)節(jié)過(guò)程平穩(wěn)。圖8是機(jī)組25%負(fù)荷（150 MW）并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，模擬網(wǎng)頻50 Hz變?yōu)?0.6 Hz機(jī)組自動(dòng)進(jìn)入及退出孤網(wǎng)模式波形圖，自動(dòng)切換至孤網(wǎng)運(yùn)行模式運(yùn)行為穩(wěn)定，調(diào)節(jié)過(guò)程平穩(wěn)，自動(dòng)退出孤網(wǎng)模式時(shí)動(dòng)作準(zhǔn)確，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，滿足規(guī)程及電網(wǎng)的運(yùn)行要求。

圖4 開(kāi)度模式下頻率擾動(dòng)由50 Hz變?yōu)?9.8 Hz再變?yōu)?0 Hz功率、開(kāi)度變化波形圖

圖5 開(kāi)度模式下頻率擾動(dòng)由50 Hz變?yōu)?0.2 Hz再變?yōu)?0 Hz功率、開(kāi)度變化波形圖

圖6 機(jī)組25%負(fù)荷跳開(kāi)主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)自動(dòng)進(jìn)入孤網(wǎng)模式波形圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)水力發(fā)電廠的孤網(wǎng)模式設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了調(diào)速器系統(tǒng)適應(yīng)孤網(wǎng)運(yùn)行的能力，不僅滿足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而且滿足電網(wǎng)對(duì)電站調(diào)速系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)及穩(wěn)定運(yùn)行的要求。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了孤網(wǎng)模式的實(shí)際動(dòng)作過(guò)程及調(diào)節(jié)特性穩(wěn)定可靠，對(duì)其他電站孤網(wǎng)模式的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)有一定的借鑒作用。

圖7 機(jī)組25%負(fù)荷網(wǎng)頻50 Hz變?yōu)?0.505 Hz機(jī)組孤網(wǎng)模式調(diào)節(jié)及退出波形圖

圖8 機(jī)組25%負(fù)荷網(wǎng)頻50 Hz變?yōu)?0.6 Hz機(jī)組自動(dòng)進(jìn)入及退出孤網(wǎng)模式波形圖