提升水輪機(jī)調(diào)速器機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)能力的技術(shù)研究

蔡衛(wèi)江

（南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇 南京211106）

近年來，隨著我國裝機(jī)規(guī)模的日益增長(zhǎng)，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)建設(shè)得到了快速發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大變化，一是三峽、瀾滄江、雅礱江流域等巨型水電站群，大多采用特高壓直流方式輸送到廣東、華東地區(qū)，西南電網(wǎng)將通過特高壓直流與四川、云南等交流主網(wǎng)形成異步聯(lián)網(wǎng)方式，存在聯(lián)網(wǎng)/孤島運(yùn)行方式變化，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制帶來新的問題[1]。二是西南地區(qū)如云南四川水電占比較高，截止2017年3月，四川水電裝機(jī)超過全省裝機(jī)的80%，云南水電占全省裝機(jī)的70%。水電站引水系統(tǒng)的“水錘效應(yīng)”帶來的負(fù)阻尼將顯著改變現(xiàn)有電網(wǎng)穩(wěn)定特性，嚴(yán)重時(shí)將引起電網(wǎng)頻率的低頻振蕩[2]。最后隨著近期西藏雅魯藏布江水電的開發(fā)，一大批大型水電站如藏木、加查、大古等相繼開發(fā)和投運(yùn)，而西藏電網(wǎng)容量較小，存在“大機(jī)小網(wǎng)”運(yùn)行工況。另外我國調(diào)速器產(chǎn)品已相繼走出國門，在東南亞、非洲等大型電站獲得了廣泛應(yīng)用，這些地區(qū)與西藏電網(wǎng)類似，同樣存在小網(wǎng)運(yùn)行工況，此外還有雷擊等事故造成的機(jī)組遠(yuǎn)方線路跳閘，機(jī)組帶廠用電或當(dāng)?shù)剌^小負(fù)荷情況，均需要考慮調(diào)速器的特殊控制策略[3]。

目前水輪機(jī)調(diào)速器的控制策略還不能滿足電網(wǎng)新的變化，如2016年5月南方電網(wǎng)開展云南異步聯(lián)網(wǎng)整體試驗(yàn)，在進(jìn)行異步后系統(tǒng)小擾動(dòng)試驗(yàn)期間，電網(wǎng)出現(xiàn)頻率波動(dòng)，范圍在49.9～50.1Hz之間，后采取退AGC、退出各大水電廠一次調(diào)頻才穩(wěn)定下來。2012年，錦蘇直流孤島試驗(yàn)中也出現(xiàn)頻率異常波動(dòng)現(xiàn)象，波動(dòng)周期約14s，幅度達(dá)到±0.25Hz[4]。2015年1月，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52.24Hz，最低到47.63Hz，藏木1號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)出現(xiàn)導(dǎo)葉來回抽動(dòng)油壓持續(xù)下降現(xiàn)象，造成兩臺(tái)機(jī)事故低油壓保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。

以上電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化以及發(fā)生的一系列安全穩(wěn)定問題，迫切需要從提升水輪機(jī)調(diào)速器機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)能力方面來研究相應(yīng)的對(duì)策。

1 調(diào)速器控制模式改進(jìn)研究

目前，水電機(jī)組調(diào)速器的控制方式主要有3種：頻率模式、功率模式和開度模式，頻率模式主要適用于機(jī)組空載運(yùn)行或帶較小負(fù)荷（如廠用電）運(yùn)行，開度模式和功率模式主要適用于機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，一般主要考慮大電網(wǎng)（聯(lián)網(wǎng)）運(yùn)行方式，3種模式下調(diào)速器的PID調(diào)節(jié)參數(shù)一般也不相同。以上的控制模式主要適用于大型同步電網(wǎng)，但近年來隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化，異步聯(lián)網(wǎng)、直流孤島、區(qū)域小網(wǎng)模式的出現(xiàn)，水輪機(jī)調(diào)速器面臨異步聯(lián)網(wǎng)的切換、直流孤島運(yùn)行、孤立電網(wǎng)運(yùn)行等新情況，常規(guī)的3種調(diào)節(jié)模式已經(jīng)難以適應(yīng)電網(wǎng)各種運(yùn)行情況的控制，甚至成為高占比水電異步電網(wǎng)超低頻振蕩的誘因，必須研究新環(huán)境下調(diào)速器針對(duì)異步聯(lián)網(wǎng)、直流孤島、孤網(wǎng)運(yùn)行模式的準(zhǔn)確識(shí)別、參數(shù)優(yōu)化及切換策略。

為應(yīng)對(duì)超低頻率振蕩，根據(jù)電網(wǎng)同步、異步聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)換的實(shí)際需求，本文提出了靈活適應(yīng)電網(wǎng)形態(tài)的的調(diào)速系統(tǒng)多模式切換控制原則。控制策略核心是新增一個(gè)適應(yīng)電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)形態(tài)的小網(wǎng)模式，并啟用孤網(wǎng)模式。大網(wǎng)、小網(wǎng)、孤網(wǎng)3個(gè)模式實(shí)現(xiàn)在線無擾靈活切換。各模式功能定位如下：

（1）大網(wǎng)模式：交流同步聯(lián)網(wǎng)使用，可有條件切換至孤網(wǎng)模式；

（2）小網(wǎng)模式：直流異步聯(lián)網(wǎng)或“大機(jī)小網(wǎng)”使用，可有條件切換至孤網(wǎng)模式；

（3）孤網(wǎng)模式：適應(yīng)機(jī)組帶地區(qū)小電網(wǎng)或廠用電運(yùn)行的模式。

各模式之間的轉(zhuǎn)換條件如圖1所示：

圖1 調(diào)速器運(yùn)行模式切換及參數(shù)配置示意圖

各模式之間的切換主要有2種情況，一是通過外部輸入指令判斷，主要指遠(yuǎn)方各斷路器位置信號(hào)，或安穩(wěn)控制裝置給出的“直流孤島”、“聯(lián)網(wǎng)”、“雙極閉鎖”等信號(hào)。還有一種是調(diào)速器根據(jù)頻率、有功自動(dòng)判斷。目前常用的自動(dòng)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。當(dāng)機(jī)組處于并網(wǎng)工況，但系統(tǒng)頻率檢測(cè)超過50±0.5Hz（可修改），機(jī)組有功大于10%額定時(shí)（可修改），延時(shí)1s，調(diào)速器轉(zhuǎn)換到小網(wǎng)工況，當(dāng)頻率超過50±0.5Hz，有功小于10%額定時(shí)，延時(shí)1s，調(diào)速器轉(zhuǎn)換到孤網(wǎng)工況。小網(wǎng)或孤網(wǎng)切換回大網(wǎng)的判斷：可以通過一段時(shí)間內(nèi)（一般3min）檢測(cè)頻率是否一直在該范圍內(nèi)來判斷，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20ms檢測(cè)一次，3min內(nèi)頻率的測(cè)量值共9000點(diǎn)，若超過80%的數(shù)據(jù)點(diǎn)均在49.9～50.1Hz范圍內(nèi)（本文稱為頻率概率統(tǒng)計(jì)法），則判斷機(jī)組已經(jīng)回到大網(wǎng)工況。

2 調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

水輪機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)原理框圖參見圖2，主要調(diào)節(jié)參數(shù)包括比例、積分、微分增益、頻率死區(qū)、功率死區(qū)、開度限制、調(diào)差率等，“孤網(wǎng)”、“小網(wǎng)”、“聯(lián)網(wǎng)”模式下的調(diào)節(jié)參數(shù)均有不同，需要進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和參數(shù)切換，每種運(yùn)行工況下還要考慮參數(shù)的優(yōu)化問題。

圖2 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理框圖

針對(duì)機(jī)組聯(lián)網(wǎng)、小網(wǎng)、孤網(wǎng)不同運(yùn)行工況，對(duì)調(diào)速器控制要求較高，需要研究調(diào)速器調(diào)差率、頻率死區(qū)、PID調(diào)節(jié)參數(shù)變化、開度（功率）上下限設(shè)置等問題，并考慮上述因素之間的配合和優(yōu)化。如圖2所示，聯(lián)網(wǎng)工況下，主要考慮2種工況，一種是開度模式，一種是功率模式，其人工頻率死區(qū)（一般要求為 0.05Hz）、調(diào)差率（一般要求為 4%）、功率限幅均按系統(tǒng)要求設(shè)置，其PID調(diào)節(jié)參數(shù)一般通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來整定，主要是通過一次調(diào)頻試驗(yàn)，頻率階躍擾動(dòng)，考核調(diào)速器的反應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間及穩(wěn)定時(shí)間是否滿足并網(wǎng)導(dǎo)則要求，功率模式下，還需要進(jìn)行負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)，通過負(fù)荷階躍擾動(dòng)，考核功率調(diào)節(jié)時(shí)間，超調(diào)量等來確定，功率調(diào)節(jié)死區(qū)一般設(shè)置為0.5%～1%。

小網(wǎng)模式下，最理想的方式就是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，但由于涉及的范圍較廣，波及電網(wǎng)、機(jī)組、控制設(shè)備等，現(xiàn)場(chǎng)難以實(shí)施。也可以通過仿真建模分析，但由于建模需要較精確的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，一般很難完全獲取，需要估算，優(yōu)化出的參數(shù)也難以準(zhǔn)確。目前較簡(jiǎn)單的方法就是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)確定?？梢砸罁?jù)機(jī)組負(fù)載和空載參數(shù)，參照工程經(jīng)驗(yàn)來初步確認(rèn)，主要是比例和積分，該參數(shù)的特點(diǎn)是比空載大，但比負(fù)載參數(shù)小，另外頻率死區(qū)的選擇也很重要，一般孤網(wǎng)模式下，死區(qū)比聯(lián)網(wǎng)模式要大0.1～0.2Hz，調(diào)差系數(shù)一般設(shè)置為1%。為了防止機(jī)組進(jìn)相，轉(zhuǎn)入孤島模式后還應(yīng)設(shè)置最小開度限制，該經(jīng)驗(yàn)參數(shù)還需要經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行考驗(yàn)。

孤網(wǎng)工況下，目前主要指帶廠用電或地區(qū)小負(fù)荷，一般按空載工況考慮，可以考慮采用空載頻率擾動(dòng)試驗(yàn)確定的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，人工頻率死區(qū)和調(diào)差系數(shù)可以設(shè)置為零，開度限制可以考慮為空載開度的2倍左右。

3 調(diào)速器機(jī)網(wǎng)協(xié)控制技術(shù)研究

3.1 水錘效應(yīng)的抑制和改善

“水錘效應(yīng)”是指水輪機(jī)調(diào)節(jié)過程中由于水流慣性，使得引水系統(tǒng)壓力反向變化，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)有功功率反向調(diào)節(jié)的現(xiàn)象，由于水電機(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)行工況緊密相關(guān)，也難以控制[5]。水電機(jī)組快速帶大負(fù)荷過程中如何既可以減少甚至避免功率反調(diào)，同時(shí)又可以保證帶負(fù)荷的速動(dòng)性，可以從優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉速率為切入點(diǎn)，開展調(diào)速系統(tǒng)的控制策略優(yōu)化。研究導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律采用“慢-快-慢”的柔性控制方式，來達(dá)到在水電機(jī)組負(fù)荷調(diào)整過程中減少水錘效應(yīng)引起的功率反調(diào)幅值，又滿足帶負(fù)荷的速動(dòng)性的可行性。

基于減小“水錘效應(yīng)”的分段變速率調(diào)速控制技術(shù)，相比于當(dāng)前實(shí)際機(jī)組的運(yùn)行控制策略，該研究的“分段變速率調(diào)速控制”具有更多的“柔性調(diào)節(jié)”（圖3）。通過變速率控制，有效減小機(jī)組快速開啟、關(guān)閉導(dǎo)葉過程帶來的較為明顯的“水錘效應(yīng)”。主要策略如下：若導(dǎo)葉處于穩(wěn)態(tài)（動(dòng)作速率小于某值），當(dāng)導(dǎo)葉給定與反饋偏差突然變大時(shí)，投入柔性控制（限制導(dǎo)葉給定變化速率），延時(shí)一段時(shí)間退出，導(dǎo)葉則以正常速度開啟（關(guān)閉）。

圖3 導(dǎo)葉柔性控制示意圖

目前國內(nèi)主要調(diào)速器廠家已開展這方面研究，已經(jīng)開始局部工程應(yīng)用。

3.2 調(diào)速器GPSS控制

開展水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定控制研究對(duì)于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要的意義，同步發(fā)電機(jī)組裝設(shè)GPSS是改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的簡(jiǎn)單而有效的措施之一。針對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，目前主要是在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制裝設(shè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS，這種控制方式保留了以發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為輸入的控制器，此外增加了一個(gè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速或頻率或功率偏差的附加控制，實(shí)踐應(yīng)用已取得了較好的控制效果。參考勵(lì)磁系統(tǒng)，PSS也可以裝設(shè)在同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)側(cè)，這種PSS簡(jiǎn)稱GPSS，GPSS只改變本機(jī)組原動(dòng)機(jī)的輸入功率，而不參與系統(tǒng)電磁功率的改變，具有多機(jī)解耦特性，從而避免了安裝地點(diǎn)選擇和參數(shù)協(xié)調(diào)的問題，國外曾對(duì)水輪機(jī)組加裝GPSS進(jìn)行過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，得出可以提高機(jī)組穩(wěn)定性的結(jié)論。

水輪機(jī)調(diào)節(jié)大多采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律，液壓系統(tǒng)則可以簡(jiǎn)化為一節(jié)慣性環(huán)節(jié)，其中慣性時(shí)間常數(shù)為TS，考慮調(diào)速器GPSS控制，其模型可以用圖4表示。

圖4 調(diào)速器GPSS控制框圖

與勵(lì)磁系統(tǒng)類似，GPSS環(huán)節(jié)由放大環(huán)節(jié)、超前-滯后環(huán)節(jié)、隔直環(huán)節(jié)組成，表述如下：

式中，K-GPSS的增益；T1，T2，T3，T4- 超前，滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，單位：s；TW-隔直環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，單位：s。

已有研究資料表明[6]：水輪發(fā)電機(jī)組加裝GPSS附加控制，無論對(duì)于大小擾動(dòng)，都能夠很好地改善水電系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。結(jié)合其他先進(jìn)控制技術(shù)，無論是對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行工況變化、GPSS自身參數(shù)變化、對(duì)于擾動(dòng)強(qiáng)度的大小，還是對(duì)于模型的精確程度以及類型都具有較強(qiáng)的魯棒性。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及測(cè)試

2017年7月12日，在北京召開了西南電網(wǎng)水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整方案評(píng)審會(huì)。確定了水電調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整技術(shù)方案，明確了納入調(diào)整范圍的機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)增設(shè)小網(wǎng)模式。直流聯(lián)網(wǎng)后正常運(yùn)行在小網(wǎng)模式下，大擾動(dòng)下可自動(dòng)切換至孤網(wǎng)模式運(yùn)行。具體要求如下：

（1）異步后調(diào)速系統(tǒng)正常運(yùn)行基于開度調(diào)節(jié)的小網(wǎng)模式。

（2）調(diào)速一般具備大網(wǎng)、小網(wǎng)、孤網(wǎng)3個(gè)調(diào)節(jié)模式（參數(shù)），3個(gè)模式具有基本一致的調(diào)節(jié)框圖；并可由遠(yuǎn)方和現(xiàn)地切換。

（3）大網(wǎng)模式及小網(wǎng)模式均可自動(dòng)和手動(dòng)方式切換至孤網(wǎng)模式運(yùn)行，但孤網(wǎng)模式需要設(shè)置一定條件自動(dòng)返回大網(wǎng)或小網(wǎng)模式。

（4）調(diào)速系統(tǒng)在孤網(wǎng)模式運(yùn)行下應(yīng)可以正常調(diào)節(jié)機(jī)組出力。

（5）監(jiān)控系統(tǒng)AGC應(yīng)與調(diào)速系統(tǒng)正常頻率調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)。

（6）水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻不宜采用在調(diào)頻死區(qū)附近增大一次調(diào)節(jié)速度或調(diào)節(jié)幅度的功能（即“增強(qiáng)型”一次調(diào)頻）。已投入增強(qiáng)型一次調(diào)頻的應(yīng)退出運(yùn)行。

2018年5月開始，中國電科院在西南電網(wǎng)開展了100多臺(tái)大型水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的模式切換及參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)。通過現(xiàn)場(chǎng)靜態(tài)測(cè)試、動(dòng)態(tài)測(cè)試、切換試驗(yàn)等，對(duì)大網(wǎng)、小網(wǎng)、孤網(wǎng)模式切換及參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)一確認(rèn)，確保升級(jí)后的機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，參數(shù)配置合理，對(duì)西南電網(wǎng)的安全穩(wěn)定提供了有力支撐。

5 結(jié)語

本文針對(duì)近期電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化，如西南電網(wǎng)水電裝機(jī)已接近70%，特高壓遠(yuǎn)距離直流輸電帶來的異步聯(lián)網(wǎng)方式，西藏以及東南亞國家“大機(jī)小網(wǎng)”運(yùn)行工況的出現(xiàn)，以及區(qū)域供電等，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制帶來的諸多問題。提出了水輪機(jī)調(diào)速器側(cè)的控制策略，包括調(diào)速器控制模式改進(jìn)研究，調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，水錘效應(yīng)的抑制和改善，調(diào)速器GPSS控制，最后給出了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及測(cè)試情況。論文研究表明，采用水電機(jī)組調(diào)速器機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，可以提高電力系統(tǒng)抑制振蕩的能力，提升電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性能。