抽蓄電站一管兩機(jī)負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)被擾機(jī)組特性研究

張 飛，王 濤，劉 殿 海，趙 志 文

(1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100761； 2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100140； 3.國(guó)網(wǎng)新源浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 臺(tái)州 317300)

1 研究背景

2016年，我國(guó)相繼投產(chǎn)了廣東清遠(yuǎn)、江西洪屏、浙江仙居3座大型抽水蓄能電站[1]，2017年投產(chǎn)了江蘇溧陽(yáng)抽水蓄能電站，2018年投產(chǎn)了廣東深圳抽水蓄能電站。近3 a來(lái)，先后開工了句容、廈門、阜康、清原等10余座大型抽水蓄能電站。根據(jù)水電“十三五”規(guī)劃，在此期間我國(guó)將新增約1 700萬(wàn)kW抽水蓄能電站的裝機(jī)[2]。大量抽水蓄能電站機(jī)組裝機(jī)的投運(yùn)有效地改善了我國(guó)電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)，提高了電力系統(tǒng)綜合調(diào)節(jié)能力。目前，竣工投運(yùn)的蓄能電站普遍采用一管多機(jī)流道設(shè)置，比如，浙江仙居[3]電站采用一管兩機(jī)設(shè)計(jì)，浙江天荒坪電站采用一管三機(jī)設(shè)計(jì)[4]，廣東清遠(yuǎn)電站采用一管四機(jī)設(shè)計(jì)[5]，這給電站以及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。2016年，國(guó)網(wǎng)公司要求對(duì)系統(tǒng)內(nèi)一管雙機(jī)電站雙機(jī)甩負(fù)荷及雙機(jī)切泵等極端工況進(jìn)行復(fù)核，以確保機(jī)組在極端工況下的調(diào)節(jié)能力滿足電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行要求。在一管雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)中，首先需要進(jìn)行負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)，以確定同一水力單元中一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷不會(huì)影響到另一臺(tái)機(jī)組的安全運(yùn)行。

針對(duì)負(fù)荷干擾現(xiàn)象，以往研究多集中在數(shù)值計(jì)算方面，缺乏相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面的分析研究。比如，鄒金等人對(duì)多機(jī)引水發(fā)電系統(tǒng)中的水力和電氣過(guò)程進(jìn)行了仿真分析[6]；付亮等人對(duì)同一水力單元的2臺(tái)機(jī)組進(jìn)行建模分析，優(yōu)化了機(jī)組的運(yùn)行方式[7]；余雪松等人對(duì)仙游電站水力干擾過(guò)程進(jìn)行了建模與分析[8]等。本文結(jié)合浙江仙居抽水蓄能電站，介紹了一管雙機(jī)系統(tǒng)開度模式和功率模式下的負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)施過(guò)程，對(duì)機(jī)組振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)等穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試；同時(shí)，還研究了工況參數(shù)和穩(wěn)定性參數(shù)的變化規(guī)律，研究成果可供運(yùn)行單位、主機(jī)廠家及設(shè)計(jì)院相關(guān)單位參考。

2 測(cè)試情況簡(jiǎn)介

2.1 機(jī)組參數(shù)

仙居抽水蓄能電站采用立軸、單機(jī)、混流可逆式水泵水輪機(jī)，水輪機(jī)工況額定出力為382.7 MW，額定水頭為428 m，額定流量為96.34 m3/s，額定轉(zhuǎn)速為375 r/min；水泵工況最大凈水頭為492.33 m，相應(yīng)流量為85.51 m3/s，最小凈水頭為421.86 m，相應(yīng)流量為92.75 m3/s，吸出高度為-71 m。調(diào)節(jié)保證要求蝸殼中心線處最大壓力值不得超過(guò)7.31 MPa，尾水管進(jìn)口與出口處最低壓力不得小于0 MPa，尾水管進(jìn)口處最高壓力不得大于1.60 MPa，尾水管出口處最高壓力不得大于1.70 MPa。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

一管雙機(jī)負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，主要驗(yàn)證2臺(tái)機(jī)組帶額定負(fù)荷后一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷對(duì)另外一臺(tái)機(jī)組的影響，因此需要測(cè)試被擾機(jī)組的振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)，以確定機(jī)組的穩(wěn)定性參數(shù)是否受到影響，以及調(diào)節(jié)保證參數(shù)是否能夠滿足機(jī)組的安全運(yùn)行?？紤]到同一流道一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷將導(dǎo)致另一臺(tái)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生較大波動(dòng)，因此需要測(cè)試被擾機(jī)組調(diào)速器在不同模式下的響應(yīng)特性以及驗(yàn)證涉及過(guò)流、過(guò)負(fù)荷等方面的機(jī)組保護(hù)。測(cè)試過(guò)程中的機(jī)組機(jī)械及水力穩(wěn)定性參數(shù)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖1所示。除圖1中所示點(diǎn)以外，對(duì)有功功率、導(dǎo)葉開度、勵(lì)磁電流等工況參數(shù)需進(jìn)行同步錄波。

圖1 機(jī)組穩(wěn)定性測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Measuring points distribution of units stability

2.3 測(cè)試儀器

試驗(yàn)所用傳感器參數(shù)如下：

(1) 速度傳感器采用本特利生產(chǎn)的330505型低頻速度傳感器，其靈敏度為20 mV/(mm·s)，頻響范圍為0.5～1 000 Hz(-3.0 dB)、1～200 Hz(-0.9 dB)；

(2) 速度型位移傳感器采用豪瑞斯生產(chǎn)的MLS/V-9型傳感器，靈敏度為8 mV/μm，頻響范圍為0.5～600 Hz(-3 dB)；

(3) 電渦流位移傳感器采用本特利330180型傳感器，其靈敏度為8 V/mm，頻響范圍為0～10 kHz(-3 dB)；

(4) 壓力傳感器采用通用公司生產(chǎn)的PTX5072型傳感器，其精度為±0.2%，頻響范圍為0～5 kHz(-3 dB)。

試驗(yàn)采用2套采集儀器進(jìn)行同步采集，分別是本特利公司的ADRE408 DSPi和HBM公司的QuantumX MX840A-P。采樣精度可以達(dá)到24位A/D。整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。

圖2 測(cè)量?jī)x器平臺(tái)Fig.2 Test equipment

3 測(cè)試結(jié)果

考慮到正常帶負(fù)荷情況下調(diào)速器的運(yùn)行模式主要有兩種：功率模式和開度模式[9]。

(1) 開度模式下，調(diào)速器接收來(lái)自監(jiān)控的增減開度指令，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的調(diào)節(jié)。

(2) 功率模式下，監(jiān)控系統(tǒng)給調(diào)速器下達(dá)負(fù)荷指令，由調(diào)速器完成功率閉環(huán)從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的調(diào)節(jié)。正常發(fā)電情況下，機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行于功率模式。

當(dāng)調(diào)速器功率傳感器異常時(shí)，調(diào)速器將工作于開度模式，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率閉環(huán)。此時(shí)，一旦監(jiān)控閉環(huán)出現(xiàn)問題(如監(jiān)控系統(tǒng)功率變送器異常)，對(duì)于同一流道的另外一臺(tái)機(jī)組故障甩負(fù)荷后，正常運(yùn)行機(jī)組功率將產(chǎn)生最大的波動(dòng)情況。因此負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)分別在兩種模式下進(jìn)行，其中，1號(hào)通流系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，被擾機(jī)組(1號(hào)機(jī)組)運(yùn)行在功率模式(2號(hào)機(jī)組甩額定負(fù)荷)，試驗(yàn)在上庫(kù)水位661.7 m、下庫(kù)水位194.9 m時(shí)完成；2號(hào)通流系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，被擾機(jī)組(3號(hào)機(jī)組)運(yùn)行在開度模式(4號(hào)機(jī)組甩額定負(fù)荷)，且監(jiān)控系統(tǒng)閉環(huán)切除，試驗(yàn)在上庫(kù)水位666.2 m、下庫(kù)水位200.1 m時(shí)完成。

3.1 受擾機(jī)組調(diào)速器響應(yīng)分析

1號(hào)機(jī)組功率模式下被擾特性如圖3(a)所示，3號(hào)機(jī)組開度模式下被擾特性如圖3(b)所示。

圖3 機(jī)組不同模式下的被擾特性Fig.3 Disturbed characteristics of unit under different regulation modes

由圖3可以看出：1號(hào)機(jī)組在功率模式下功率波動(dòng)范圍在317～445 MW之間，3號(hào)機(jī)組在開度模式下的功率范圍在325～471MW范圍內(nèi)，開度模式下較功率模式下功率波動(dòng)要大。當(dāng)同一流道的2臺(tái)機(jī)組為額定負(fù)荷，一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷后，在水錘壓力的作用下2臺(tái)機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力同時(shí)升高、尾水出口壓力同時(shí)減小，進(jìn)而導(dǎo)致工作水頭增大，造成被擾機(jī)組水頭升高、流量增大以及出力上升。但是，在功率模式下，由于調(diào)試器以有功功率為受控對(duì)象，而水頭和流量的持續(xù)波動(dòng)以及功率閉環(huán)由調(diào)速器執(zhí)行，響應(yīng)速度快，在調(diào)節(jié)過(guò)程中造成的水頭與流量變化疊加導(dǎo)致調(diào)速器將在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)才能將機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定至額定負(fù)荷，這一時(shí)間取決于通流系統(tǒng)對(duì)壓力波動(dòng)的阻尼效果。而在開度模式下，調(diào)速器的動(dòng)作與功率模式截然不同，一方面由于調(diào)速器以導(dǎo)葉開度為控制目標(biāo)，在一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷后，受水錘壓力作用而導(dǎo)致機(jī)組水頭升高/降低波動(dòng)，調(diào)速器開度降低/升高，進(jìn)而導(dǎo)致調(diào)速器導(dǎo)葉開度向減小/增大的方向動(dòng)作，從而造成功率波動(dòng)大。

3.2 受擾機(jī)組振動(dòng)、擺度及壓力脈動(dòng)穩(wěn)定性分析

負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，在功率模式下，1號(hào)機(jī)組振動(dòng)、擺度混頻幅值趨勢(shì)如圖4所示；開度模式下的3號(hào)機(jī)組振動(dòng)、擺度混頻幅值趨勢(shì)如圖5所示；被擾1號(hào)和3號(hào)機(jī)組壓力脈動(dòng)的混頻幅值趨勢(shì)變化如圖6所示。

圖4 功率模式下被擾1號(hào)機(jī)組振動(dòng)、擺度混頻幅值變化趨勢(shì)Fig.4 Vibration and runout peak-to-peak value trends of disturbed unit 1 in constant power mode

圖5 開度模式下被擾3號(hào)機(jī)組振動(dòng)、擺度混頻幅值變化趨勢(shì)Fig.5 Vibration and runout peak-to-peak value trends of disturbed unit 3 in constant guide vane opening mode

圖6 被擾1，3號(hào)機(jī)組壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)混頻幅值變化趨勢(shì)Fig.6 Pressure peak-to-peak value trend of disturbed unit 1 and 3

從圖4～6受擾機(jī)組振動(dòng)與擺度混頻幅值的變化趨勢(shì)可以看出：

(1) 在2種模式下，受水力因素影響，在擾動(dòng)瞬間，2臺(tái)機(jī)組的水導(dǎo)擺度混頻幅值略有增大，上導(dǎo)和下導(dǎo)的擺度混頻幅值基本不會(huì)受另一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷的影響。

(2) 擾動(dòng)瞬間，機(jī)組上機(jī)架、下機(jī)架以及頂蓋垂直方向的振動(dòng)增大明顯，尤其以頂蓋的垂直振動(dòng)增大最為明顯，導(dǎo)致這一因素的原因主要是通流系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)增大。

(3) 擾動(dòng)過(guò)程中，相比于開度模式，在功率模式下機(jī)組調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，從而導(dǎo)致壓力脈動(dòng)波動(dòng)持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)；而在開度模式下，調(diào)節(jié)時(shí)間短，則波動(dòng)強(qiáng)度較功率模式下的壓力脈動(dòng)強(qiáng)度大。

(4) 從(1)和(2)對(duì)比可見，考慮到上導(dǎo)和下導(dǎo)的擺度混頻幅值沒有明顯增大，而上機(jī)架、下機(jī)架以及定子基座的振動(dòng)混頻幅值增大明顯，因此，可以判斷在負(fù)荷擾動(dòng)過(guò)程中，機(jī)組固定部件的振動(dòng)并非由轉(zhuǎn)動(dòng)部件傳遞所導(dǎo)致。根據(jù)文獻(xiàn)[10]所述機(jī)組固定部件與廠房的振動(dòng)傳遞的3種途徑，考慮到振動(dòng)增大的方向性以及振源因素的影響，可以確認(rèn)機(jī)組固定部件振動(dòng)的主要傳遞路徑為“水壓-蝸殼-廠房-機(jī)組固定部件”和“水壓-頂蓋-廠房-固定部件”。

負(fù)荷擾動(dòng)過(guò)程中，考慮無(wú)窮大電網(wǎng)條件下，被擾機(jī)組轉(zhuǎn)速保持不變，因此被擾機(jī)組振動(dòng)主頻以轉(zhuǎn)頻、一倍葉片過(guò)流頻率和動(dòng)靜干涉頻率為主，擺度以轉(zhuǎn)頻及其倍頻為主，而壓力脈動(dòng)則受甩負(fù)荷機(jī)組的影響嚴(yán)重，與甩負(fù)荷機(jī)組壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)頻率基本相同。圖7給出了被擾機(jī)組典型測(cè)點(diǎn)的時(shí)頻圖。時(shí)頻分析采用短時(shí)傅里葉變換實(shí)現(xiàn)[11]，漢寧窗的窗口長(zhǎng)度為2 s，步長(zhǎng)為0.25 s。

對(duì)于被擾機(jī)組而言，在同一流道中，當(dāng)另一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷后，被擾機(jī)組的振動(dòng)在時(shí)域和頻域均會(huì)受到明顯影響。以3號(hào)機(jī)組為例，在圖7頂蓋垂直振動(dòng)中，除穩(wěn)定的動(dòng)靜干涉頻率成分外，可見明顯的隨著甩負(fù)荷機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的動(dòng)靜干涉頻率成分，這一頻率成分在下機(jī)架垂直振動(dòng)中也有出現(xiàn)。受甩負(fù)荷機(jī)組的影響，被擾機(jī)組壓力測(cè)點(diǎn)中低頻成分明顯增強(qiáng)。

圖7 被擾機(jī)組典型測(cè)點(diǎn)時(shí)頻圖Fig.7 Typical spectrograms of disturbed unit measuring points

3.3 受擾機(jī)組電磁穩(wěn)定性分析

在進(jìn)行2種情況下的機(jī)組擾動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)均處于正常工作狀態(tài)，被擾動(dòng)機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)響應(yīng)基本一致，圖8給出了3號(hào)機(jī)組的勵(lì)磁電流、機(jī)組有功和無(wú)功的變化趨勢(shì)，以及勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理。

圖8 被擾機(jī)組有功、無(wú)功及勵(lì)磁電流變化趨勢(shì)和勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理Fig.8 Active power，reactive power and field current trends of disturbed unit and excitation system regulation principles

為保證發(fā)電機(jī)的功角穩(wěn)定并有足夠的裕度來(lái)避免發(fā)電機(jī)失穩(wěn)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)置有欠勵(lì)保護(hù)。通常發(fā)電機(jī)不在進(jìn)相模式下運(yùn)行，而當(dāng)擾動(dòng)機(jī)組甩負(fù)荷后，被擾機(jī)組由于水力作用導(dǎo)致有功功率大幅增加。無(wú)窮大電網(wǎng)條件下，由勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理圖可見：此時(shí)在勵(lì)磁系統(tǒng)不參與調(diào)節(jié)時(shí)機(jī)組參數(shù)將由U、I1、E01變化到U’、I’、E0’，這將造成發(fā)電機(jī)進(jìn)相模式運(yùn)行時(shí)處于欠勵(lì)模式運(yùn)行，導(dǎo)致功角穩(wěn)定裕度大幅降低，因此必須增大勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)運(yùn)行至U、I2、E02狀態(tài)。上述分析表明，機(jī)組的勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)基本與有功功率的波動(dòng)保持一致，從而保證發(fā)電機(jī)能夠保持在一定的功角穩(wěn)定水平上。

4 結(jié) 論

本文對(duì)浙江仙居抽水蓄能電站功率及開度模式下的負(fù)荷干擾試驗(yàn)過(guò)程中被擾機(jī)組的振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)以及電磁穩(wěn)定性參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究，研究結(jié)果表明：

(1) 在一管雙機(jī)額定負(fù)荷情況下，極限工況條件時(shí)，當(dāng)一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷擾動(dòng)到另外一臺(tái)機(jī)組，此時(shí)被擾機(jī)組能夠做出良好的響應(yīng)；

(2) 被擾機(jī)組穩(wěn)定性參數(shù)在可控范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)其造成嚴(yán)重影響。