加蓬大布巴哈水電站孤網(wǎng)運(yùn)行及調(diào)速器系統(tǒng)調(diào)試

喬 濤

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明650032）

1 加蓬大布巴哈電站情況概述

加蓬大布巴哈電站位于加蓬奧果韋河上，距離弗朗斯維爾（加蓬第三大城市）直線距離15 km，電站安裝4臺45.76 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組。電站主體工程有大壩、廠房、引水隧洞、調(diào)壓塔、進(jìn)場公路；一條45 km 220 kV輸電線路與220/63 kV莫安達(dá)變電站連接，單獨(dú)向COMILOG錳礦廠供電；一條24 km的63 kV輸電線路與弗朗斯維爾擴(kuò)建63 kV變電站連接，可向弗朗斯維爾供民用電。

非洲加蓬大布巴哈電站工程屬于EPC項(xiàng)目，由中水十四局負(fù)責(zé)工程的設(shè)計、采購、建設(shè)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)工作。工程2008年11月15日正式開工，于2010年11月3日順利完成截流，并于2013年4月30日完成下閘蓄水，2013年8月5日廠房4臺機(jī)組全部完成72 h空載試運(yùn)行調(diào)試，2013年12月5日開始并網(wǎng)帶小負(fù)荷發(fā)電向錳礦廠提供調(diào)試電源，2014年3月正式運(yùn)行。

同與弗朗斯維爾變電站連接的還有當(dāng)?shù)仉娏維EEG運(yùn)行的小布巴哈水電站，該電站裝機(jī)容量為4×5.8 MVA+2×11.6 MVA，可在弗朗斯維爾變電站與大布巴哈電站并網(wǎng)運(yùn)行。

目前，大布巴哈電站機(jī)組長期負(fù)荷在10～50 MW區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。由于錳礦廠的負(fù)荷特性主要為感性負(fù)載而且未合理的配備和投入無功補(bǔ)償裝置，現(xiàn)大布巴哈電站需啟動兩臺機(jī)組才能基本抵抗住負(fù)荷端的無功沖擊，每臺機(jī)組基本長期在5～25 MW的負(fù)荷區(qū)間和0.65～0.8的功率因數(shù)區(qū)間內(nèi)低負(fù)載低功率因數(shù)運(yùn)行，這對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行極為不利。

2 孤網(wǎng)運(yùn)行的概念

孤網(wǎng)是獨(dú)立電網(wǎng)的簡稱，一般泛指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)。我國規(guī)定電網(wǎng)中單機(jī)容量一般應(yīng)小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%，以保證當(dāng)該機(jī)組發(fā)生甩負(fù)荷時，不影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。如果電網(wǎng)中的機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)都正常投入，一旦失去小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%的1臺機(jī)組，電網(wǎng)失去的功率可以暫時由網(wǎng)中其他機(jī)組承擔(dān)，保證電網(wǎng)頻率下降不超過0.2 Hz，轉(zhuǎn)速下降不超過12 r/min，對供電質(zhì)量的影響仍在運(yùn)行規(guī)程規(guī)定范圍內(nèi)。因此，一般情況下，稱最大單機(jī)容量小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%的電網(wǎng)為大電網(wǎng)，反之稱之為小網(wǎng)，孤立運(yùn)行的小網(wǎng)稱為孤網(wǎng)。

大布巴哈電站單機(jī)容量為45.76 MW，在與小布巴哈電站并網(wǎng)運(yùn)行時，大布巴哈電站單機(jī)容量約占系統(tǒng)容量的20%，屬于小網(wǎng)運(yùn)行。由于小布巴哈電站僅在其容量不滿足弗朗斯維爾民用電負(fù)荷時才通過弗朗斯維爾變電站聯(lián)絡(luò)斷路器合閘與大布巴哈電站并網(wǎng)運(yùn)行，其余大部分時間大布巴哈電站獨(dú)立運(yùn)行向COMILOG錳礦廠供電，單機(jī)容量占系統(tǒng)容量的25%，形成典型的孤網(wǎng)運(yùn)行。

3 孤網(wǎng)運(yùn)行調(diào)速器系統(tǒng)特點(diǎn)

在大電網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組，允許的頻率偏差為±0.2 Hz，調(diào)度給定負(fù)荷，調(diào)速器通過功率給定調(diào)整導(dǎo)葉開度，并比較機(jī)組頻率和電網(wǎng)頻率進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，跟蹤電網(wǎng)頻率，使機(jī)組保持穩(wěn)定頻率輸出給定功率。由于大電網(wǎng)頻率及負(fù)荷穩(wěn)定，調(diào)速器控制動作頻率較低。

調(diào)速器控制原理見圖1。

圖1 調(diào)速器控制原理圖

孤網(wǎng)運(yùn)行的最大特點(diǎn)是沒有調(diào)度分配負(fù)荷，大布巴哈水電站孤網(wǎng)運(yùn)行時單獨(dú)向COMILOG錳礦廠供電，因而負(fù)荷大小及功率因數(shù)全部由錳礦廠的生產(chǎn)設(shè)備投入情況決定。調(diào)速器不能通過負(fù)荷控制，也不能跟蹤電網(wǎng)頻率（電網(wǎng)頻率即是本機(jī)組頻率或是本電站其他機(jī)組頻率），只能通過跟蹤給定頻率進(jìn)行導(dǎo)葉控制。要求調(diào)速器系統(tǒng)具有符合要求的靜態(tài)特性、良好的穩(wěn)定性、迅速的動態(tài)響應(yīng)特性，以保證在用戶負(fù)荷變化的情況下自動保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

其中：Fj機(jī)組頻率，F(xiàn)g為頻率給定值。

通過對頻率差值進(jìn)行PID運(yùn)算后，得到一個與該差值所對應(yīng)的開度輸出信號，經(jīng)過開度限制環(huán)節(jié)輸出到液壓隨動系統(tǒng)來控制導(dǎo)葉的開度，導(dǎo)葉的開度經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后與PID調(diào)節(jié)器的輸出信號進(jìn)行綜合比較，放大輸出，直到調(diào)整輸出信號和導(dǎo)葉開度所對應(yīng)的信號之差為零。

4 孤網(wǎng)運(yùn)行調(diào)速器系統(tǒng)參數(shù)

大布巴哈電站孤網(wǎng)運(yùn)行，單獨(dú)對錳礦廠供電，機(jī)組調(diào)速器的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置需根據(jù)錳礦廠的用電特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，錳礦廠設(shè)備投退頻繁，用電負(fù)荷經(jīng)常短時間內(nèi)出現(xiàn)多次較大波動（超過單臺機(jī)組容量的25%），對調(diào)速器系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性有較高的要求，每次用戶設(shè)備投退造成負(fù)荷波動時都要求調(diào)速器迅速穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。經(jīng)過多次試驗(yàn)及運(yùn)行過程觀察，對調(diào)速器系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了整定。

4.1 負(fù)載頻率PID調(diào)節(jié)永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)Bp

調(diào)速器靜特性，是在平衡狀態(tài)下，調(diào)速器轉(zhuǎn)速n和接力器行程Y之間的關(guān)系，即Y=f（n），其靜特性的斜率就是永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)Bp。國家標(biāo)準(zhǔn)要求靜特性曲線應(yīng)近似為直線，其最大非線性度不超過5%，當(dāng)靜特性近似為直線時，Bp的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：

nmax——機(jī)組在空載時的轉(zhuǎn)速；

nmin——機(jī)組在額定出力時的轉(zhuǎn)速；

ne——機(jī)組額定轉(zhuǎn)速。

機(jī)組調(diào)速器Bp=6.3%時靜特性曲線見圖2。

圖2 Bp=6.3%調(diào)速器靜特性曲線圖

將式（1）轉(zhuǎn)換為頻率表達(dá)：

式中：

fmax——機(jī)組在空載時的頻率；

fmin——機(jī)組在額定出力時的頻率；

fe——機(jī)組額定頻率。

將圖2數(shù)據(jù)代入式（2）得出：

由圖可知：ΔY=100%。

因而Bp=6.3%時頻率與導(dǎo)葉開度的關(guān)系為：3.15 Hz的頻率變化對應(yīng)了100%的導(dǎo)葉開度變化。

在大電網(wǎng)運(yùn)行的水輪發(fā)電機(jī)組Bp一般設(shè)置為6%左右，大布巴哈水電站調(diào)速器Bp調(diào)整范圍為：0～10%。為滿足動態(tài)響應(yīng)迅速的要求取較小值1%，即0.5 Hz的頻率變化對應(yīng)100%的導(dǎo)葉開度變化，在出現(xiàn)負(fù)荷波動時迅速穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。

4.2 機(jī)組開關(guān)機(jī)時間

關(guān)閉機(jī)組進(jìn)水蝶閥，采用調(diào)速器仿真儀測試開（導(dǎo)葉開度由 0～100%）關(guān)（導(dǎo)葉開度由 100%～0）機(jī)時間。

開關(guān)機(jī)試驗(yàn)曲線見圖3。

圖3 開關(guān)機(jī)試驗(yàn)曲線

圖3 中：

開機(jī)時間：94.1-84.05=10.05 s；

關(guān)機(jī)時間：109.35-99.10=10.25 s；

第一段關(guān)閉時間：101.75-99.10=2.65 s；

第二段關(guān)閉時間：109.35-101.75=7.6 s；

開方向分段點(diǎn)：75.08%；

關(guān)方向分段點(diǎn)：48.30%。

現(xiàn)場通過調(diào)整節(jié)流閥流量，多次試驗(yàn)，將4臺機(jī)組開關(guān)機(jī)時間均調(diào)整為10～12 s之間。

通過按緊急停機(jī)按鈕停機(jī)時，導(dǎo)葉關(guān)閉不通過分段關(guān)閉閥，由100%直接關(guān)到0%，現(xiàn)場4臺機(jī)組均調(diào)整為9～10 s之間。

4.3 PID調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置

PID控制器根據(jù)系統(tǒng)的偏差利用比例、積分、微分計算出控制量對導(dǎo)葉開度進(jìn)行控制，其中偏差是給定頻率值減去系統(tǒng)輸出頻率反饋值，PID控制器是線性控制器，組成如圖1，PID控制器的控制規(guī)律如式（3）。

式中：

e（t）——t時刻的輸入偏差值 ΔF（t）；

KP——比例系數(shù)；

TI——積分時間常數(shù)；

TD——微分時間常數(shù)。

（1）比例系數(shù)KP作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。當(dāng)給定頻率與系統(tǒng)輸出頻率反饋值之間出現(xiàn)偏差時，比例控制就會發(fā)出Yp信號，增大或減小導(dǎo)葉開度，使偏差向減小方向調(diào)整，比例系數(shù)KP越大，則它的作用也越強(qiáng)，比例控制雖然反應(yīng)快，但是當(dāng)偏差很小時，它的調(diào)節(jié)作用就比較慢，KP取值過小，會降低對偏差的靈敏度及調(diào)節(jié)精度，使系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，不符合大布巴哈電站運(yùn)行要求。但KP取值過大，系統(tǒng)雖然調(diào)節(jié)精度高，反應(yīng)速度快，但是會產(chǎn)生超調(diào)，動態(tài)性能變壞，系統(tǒng)容易不穩(wěn)定。

大布巴哈電站調(diào)速器KP的設(shè)定范圍為：0.5～20。經(jīng)過多次試驗(yàn)調(diào)試，設(shè)定 KP=4.8～5.2，用于帶變動負(fù)荷調(diào)頻的機(jī)組設(shè)為5.2，迅速根據(jù)負(fù)荷變動調(diào)整機(jī)組出力。用于帶穩(wěn)定負(fù)荷的機(jī)組設(shè)為4.8，負(fù)荷波動時反應(yīng)滯后于調(diào)頻機(jī)組。

（2）積分系數(shù)KI作用是減小并消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。積分的控制作用是可以記憶給定與輸出的偏差，并隨著時同的累積，積分作用隨之加強(qiáng)，減小了小偏差的存在，能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差，在調(diào)節(jié)過程中，積分系數(shù)KI雖然能夠消除穩(wěn)態(tài)偏差，但是也不能過大，否則在單極性偏差長時間存在情況下將出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，容易使系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，同時也不能過小，否則不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，還影響調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。

大布巴哈電站調(diào)速器KI的設(shè)定范圍為：0.05～10 s-1。經(jīng)過多次試驗(yàn)調(diào)試，設(shè)定 KI=0.5～0.6 s-1。

（3）微分系數(shù)KD作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分控制信號有預(yù)測和超前的特點(diǎn)，它能夠很快的感覺到偏差的變化，從一定程度上代表了偏差變化的速度，在系統(tǒng)脫離平衡位置前，它就會給出控制。它能夠減小超調(diào)量，增加穩(wěn)定性，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間減小，但是它的敏感性使它抗干擾能力差，同時微分增益過大時，在給定突變情況下會出現(xiàn)微分飽和。

大布巴哈電站調(diào)速器KD的設(shè)定范圍為：0～10 s。經(jīng)過多次試驗(yàn)調(diào)試，設(shè)定KD=0～0.05 s。

4.4 頻率調(diào)節(jié)死區(qū)（人工失靈區(qū)域）

頻率調(diào)節(jié)死區(qū)是指人工給定一個頻率偏差E，當(dāng)給定頻率與系統(tǒng)輸出頻率反饋值之差的絕對值大于E時，調(diào)速器才開始動作進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。當(dāng)電網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)小負(fù)荷波動時給定較大的E值可以減少調(diào)速器控制閥動作的頻率。

大布巴哈電站的頻率調(diào)節(jié)死區(qū)范圍為：0～±1.5%nr即±0.75 Hz。

（1）單臺機(jī)組運(yùn)行時為使電網(wǎng)頻率保持在50±0.2 Hz將頻率調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置為0.2 Hz。

（2）兩臺機(jī)組并列運(yùn)行時，由于電網(wǎng)頻率就是電站機(jī)組頻率，為避免負(fù)荷波動時兩臺機(jī)組同時進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，負(fù)荷在兩臺機(jī)組間來回轉(zhuǎn)移，造成頻率震蕩。所以兩臺機(jī)組必須設(shè)置不同的頻率調(diào)節(jié)死區(qū)，調(diào)頻機(jī)組設(shè)置為0.2 Hz，帶穩(wěn)定負(fù)荷機(jī)組設(shè)置為0.5 Hz，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)小負(fù)荷波動時主要由調(diào)頻機(jī)組穩(wěn)定頻率。

（3）同理，在其他并列運(yùn)行情況下，如3臺或4臺機(jī)組并列運(yùn)行，同樣將頻率調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置為不同值，以區(qū)分各機(jī)組進(jìn)入頻率調(diào)節(jié)的先后順序。

5 小網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)速器系統(tǒng)的特殊設(shè)置

通過弗朗斯維爾變電站與大布巴哈電站電網(wǎng)連接的小布巴哈電站，在其容量不滿足弗朗斯維爾民用電負(fù)荷時會通過弗朗斯維爾變電站聯(lián)絡(luò)斷路器合閘與大布巴哈電站并網(wǎng)運(yùn)行。由于小布巴哈電站建于20世紀(jì)70年代，設(shè)備陳舊，其調(diào)速器系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性與大布巴哈電站有較大差距，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷降低時，小布巴哈電站機(jī)組頻率出現(xiàn)抬高，并較長時間不能回歸到額定值，造成電網(wǎng)頻率抬高（峰值達(dá)51 Hz）。大布巴哈機(jī)組為將電網(wǎng)頻率調(diào)整到給定頻率（50 Hz）不斷降低機(jī)組出力，最終造成機(jī)組逆功率，逆功率保護(hù)動作，事故停機(jī)。大布巴哈電站機(jī)組在小網(wǎng)運(yùn)行時多次出現(xiàn)逆功率事故停機(jī)，事故記錄曲線見圖4。

圖4 機(jī)組逆功率事故停機(jī)

為避免與小布巴哈并列運(yùn)行時出現(xiàn)機(jī)組逆功率事故停機(jī)，我方技術(shù)人員到小布巴哈電廠進(jìn)行了多次考察，發(fā)現(xiàn)小布巴哈電廠運(yùn)行頻率經(jīng)常保持在50.2 Hz左右，而且頻率升高后調(diào)速器調(diào)節(jié)緩慢，經(jīng)常在較高頻率下持續(xù)運(yùn)行2 min以上。

針對以上情況，大布巴哈電站通過研究討論制定了以下措施：

（1）并列運(yùn)行時手動調(diào)整頻率給定（Fg）設(shè)定為50.2 Hz；

（2）并列運(yùn)行時人為降低大布巴哈電站機(jī)組調(diào)速器的調(diào)節(jié)靈敏度，將頻率調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置為0.4 Hz，將永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)Bp設(shè)置為6%；

（3）并列運(yùn)行時運(yùn)行人員加強(qiáng)監(jiān)控，一旦小布巴哈連接的弗朗斯維爾線路出現(xiàn)較大逆功率，為避免機(jī)組事故停機(jī)，提前手動進(jìn)行解列操作，并及時與小布巴哈電廠溝通解列原因。

以上措施執(zhí)行后，大布巴哈機(jī)組并列運(yùn)行時出現(xiàn)逆功率事故停機(jī)的幾率大大減小，保證孤網(wǎng)模式正常運(yùn)行的概率也提高了。

6 結(jié)語

孤網(wǎng)運(yùn)行電站的負(fù)荷全部由用戶決定，電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)工作全部由電站水輪機(jī)調(diào)速器承擔(dān)。因而對電站機(jī)組調(diào)速器的動態(tài)響應(yīng)特性及電站并列運(yùn)行各臺機(jī)組調(diào)速器的配合有較高的要求。鑒于COMILOG錳礦廠負(fù)荷突變大的特點(diǎn)，進(jìn)一步選擇調(diào)速器最優(yōu)調(diào)節(jié)規(guī)律及PID調(diào)節(jié)參數(shù)，保證孤網(wǎng)模式正常運(yùn)行，兼顧考慮調(diào)節(jié)過程與保護(hù)配置關(guān)系，能確保機(jī)組不停機(jī)。需要運(yùn)行調(diào)試人員在試驗(yàn)及運(yùn)行過程中不斷觀察調(diào)整、分析改進(jìn)，才能減少事故停機(jī)出現(xiàn)的幾率，提高供電質(zhì)量及電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。