某大型水電站調(diào)速器負(fù)荷波動分析及應(yīng)對策略探討

李士哲，韓冠濤

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司錦屏水力發(fā)電廠，四川 西昌 615000)

某大型水電站位于四川雅礱江上，以發(fā)電為主，兼具蓄能、蓄洪和攔沙作用。是雅礱江中游龍頭梯級電站，電站裝設(shè)6臺600 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為3 600 MW。

該電站水輪機(jī)控制系統(tǒng)采用微機(jī)型調(diào)速系統(tǒng)。其微機(jī)調(diào)節(jié)器部分采用了貝加萊公司的PCC2005控制器為核心，機(jī)械液壓部分則選用了BOSCH公司的比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換單元，GE-5000作為主配壓閥，電源、控制模塊、傳感器、電液轉(zhuǎn)換等全部采用了雙冗余配置，且采用了第三方智能切換模塊作為仲裁判斷，軟件部分則采用了專有的改進(jìn)型并聯(lián)PID算法。調(diào)速器控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 調(diào)速器控制系統(tǒng)框圖

1 概 述

調(diào)速器轉(zhuǎn)入“發(fā)電態(tài)”后，處在開度模式，調(diào)速器的當(dāng)前調(diào)整目標(biāo)為導(dǎo)葉開度給定。此時的導(dǎo)葉開度給定=空載開度Ynld+主環(huán)YPID+Pgv[1]。其中，空載開度Ynld為預(yù)設(shè)的定值，其大小和水頭自動成一一對應(yīng)的關(guān)系。主環(huán)YPID，為頻率主環(huán)的計算輸出；機(jī)組并網(wǎng)后，機(jī)頻和網(wǎng)頻同步，其數(shù)值和頻率給定(發(fā)電下，自動為50 Hz)的偏差，若頻率波動不大，一般在設(shè)定的人工失靈區(qū)(頻率死區(qū))以內(nèi)，則在死區(qū)之后的頻差為0，此時的主環(huán)為具有調(diào)差bp的負(fù)反饋閉環(huán)環(huán)節(jié)，所以輸出的YPID為0%[2]。

導(dǎo)葉給定還有一個重要的變量為Pgv(脈沖開度給定)，該數(shù)值來自監(jiān)控系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)模塊。監(jiān)控檢測自身的功率反饋和功率給定(功率設(shè)定)之間的偏差，在監(jiān)控功率調(diào)節(jié)(P調(diào)節(jié))投入時，計算該偏差，輸出響應(yīng)的脈沖增加或減少[3]。調(diào)速器收到該脈沖后，根據(jù)其脈寬(一個脈沖的持續(xù)時間)的長短，與之對應(yīng)形成一個開度累積量，即Trp。

該過程，對調(diào)速器而言是一個脈沖式的積分過程，積分公式為Pgv=Pgv±Trp。其中，Trp一般設(shè)置范圍為1%/s ～5%/s。需要指出的是，調(diào)速器為了防止脈沖粘連，Trp的累積只在2 s鐘內(nèi)有效，超過2 s后的脈沖失效。在2 s內(nèi)，累積的速度和脈沖時間成正比。舉例說明，調(diào)速器Trp目前一般設(shè)置為2%/s，如果脈沖為2 s，則2 s內(nèi)累積4%，0.5秒累積1%，3 s依然是4%。

由此可見，在開度閉環(huán)模式下，如果機(jī)組調(diào)整功率，調(diào)速器此時是監(jiān)控大功率調(diào)節(jié)下的一個開度執(zhí)行環(huán)節(jié)。只對開度給定負(fù)責(zé)，不對功率負(fù)責(zé)。在監(jiān)控的功率調(diào)節(jié)下，監(jiān)控通過脈沖的增加、減少而改變調(diào)速器的Pgv，從而改變調(diào)速器的導(dǎo)葉給定[4]。調(diào)速器通過導(dǎo)葉副環(huán)的PI環(huán)節(jié)，對導(dǎo)葉開度反饋進(jìn)行控制。從而改變機(jī)組有功，機(jī)組有功監(jiān)控采集后，再次和其功率設(shè)定比較，如此形成循環(huán)有功調(diào)節(jié)控制[5]。

該模式下，如果網(wǎng)頻波動較大，同時機(jī)頻也波動較大，當(dāng)頻差超過頻率死區(qū)后，一次調(diào)頻動作，這時該頻差(減去死區(qū)后的部分)送入主環(huán)PID進(jìn)行計算，輸出YPID發(fā)生變化，從而改變導(dǎo)葉給定和導(dǎo)葉開度。當(dāng)頻差在頻率死區(qū)以內(nèi)時，一次調(diào)頻復(fù)歸。同時，由于調(diào)差bp的負(fù)反饋作用，主環(huán)PID輸出也逐漸變?yōu)?，因頻率變化形成的開度給定偏差消失，恢復(fù)到調(diào)頻動作前的開度給定和導(dǎo)葉開度。

故對于調(diào)速器控制系統(tǒng)而言，調(diào)速器導(dǎo)葉給定受空載開度Ynld、主環(huán)YPID和Pgv影響較大，同時由于調(diào)速器控制系統(tǒng)導(dǎo)葉反饋完成大閉環(huán)[6]，因此，導(dǎo)葉反饋的準(zhǔn)確性也會影響到調(diào)速器負(fù)荷的穩(wěn)定。

2 調(diào)速器負(fù)荷異常波動原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

2019-07-30T03:12:57 CCS“5號機(jī)組調(diào)速器A套水頭采樣故障”、“5號機(jī)組調(diào)速器B套水頭采樣故障”、“5號機(jī)組調(diào)速器A套尾水水位測量故障”、“5號機(jī)組調(diào)速器B套尾水水位測量故障”、“5號機(jī)組有功設(shè)定值與實測偏差大于12 MW報警”、“5號機(jī)組調(diào)速器及其油壓裝置可用退出”、“5號機(jī)組調(diào)速器調(diào)節(jié)器B套總故障”、“5號機(jī)組調(diào)速器調(diào)節(jié)器B套功率給定模入故障”、“5號機(jī)組調(diào)速器調(diào)節(jié)器A套功率給定模入故障”、“5號機(jī)組調(diào)速器A套總故障”、“5號機(jī)組調(diào)速器A套功率給定超差故障”、“5號機(jī)組調(diào)速器B套功率給定測量故障”、“5號機(jī)組調(diào)速器B套功率給定超差故障”。5號機(jī)組調(diào)速器有功由570 MW升至625 MW后下降至525 MW，最后恢復(fù)至正常570 MW，A套水頭由229 m降至167 m后升至208 m再升至正常229 m，B套水頭由229 m降至153 m后升至212 m再升至正常229 m，5號機(jī)組導(dǎo)葉開度由72.85%上升至78.53%后下降至66.15%，后恢復(fù)正常72.5%；隨后將5號機(jī)調(diào)速器水頭切為人工水頭，防止再次出現(xiàn)負(fù)荷波動。

2.2 數(shù)據(jù)波形過程分析

03:12:57調(diào)速器A套水頭由229 m變化到167 m，調(diào)速器空載開度隨之增大，根據(jù)協(xié)聯(lián)曲線，空載開度應(yīng)增大5.8%，從而使導(dǎo)葉給定增加，導(dǎo)葉開度由72.85%上升至78.53%，機(jī)組有功上升至625 MW。當(dāng)機(jī)組有功增大至610 MW時，監(jiān)控有功調(diào)節(jié)自動解除閉鎖，將機(jī)組有功減至552.7 MW，并開始回調(diào)，此時調(diào)速器計算水頭恢復(fù)至208 m，調(diào)速器空載開度隨之減小，導(dǎo)葉給定減小，機(jī)組有功進(jìn)一步減?。辉诳蛰d開度和監(jiān)控閉環(huán)調(diào)節(jié)的共同作用下，機(jī)組有功減小至521.6 MW后逐步穩(wěn)定在573.4 MW。調(diào)速器開度模式下，有功給定跟隨有功反饋，監(jiān)控測量機(jī)組有功最大至到達(dá)629.6 MW，考慮采樣通道偏移因素，有功給定值可能超過630 MW，滿足有功給定越高限報警條件(>630 MW)，因此報有功給定故障。有功給定偏差報警條件為A、B套偏差大于30 MW，以A套為例，因B套功率給定值為通訊值，存在延時，加之有功波動變化太快，導(dǎo)致偏差故障報警。有功波動波形曲線見圖2。

圖2 有功波動波形曲線

2.3 調(diào)速器負(fù)荷異常波動原因分析

1)水位傳感器故障。因4個水位變送器同時發(fā)生變化，可排除水位傳感器故障原因。

2)測壓管路堵塞引起。蝸殼進(jìn)口水位變送器測壓管路堵塞將導(dǎo)致水頭下降，但不會報尾水水位測量故障報警，尾水水位變送器測壓管路堵塞將導(dǎo)致水頭上升，也不會報尾水水位測量故障報警，因此可排除測壓管路堵塞原因。

3)供電電源異常。對該變送器進(jìn)行不帶壓試驗，當(dāng)供電電源電壓降低至7.2 V左右時，變送器輸出由4 mA突降至2.5 mA左右，且隨供電電源電壓降低，變送器輸出可進(jìn)一步減少。對該變送器進(jìn)行帶壓試驗，當(dāng)供電電源降低至12 V左右時，變送器輸出值呈鋸齒波形，采樣水頭測量值變小。模擬蝸殼進(jìn)口水位變送器及尾水水位變送器供電電源同時減小，水頭測量值變小(蝸殼進(jìn)口壓力、尾水出口壓力均變小)，由于尾水水位變送器處于低量程工作區(qū)域，存在尾水水位變送器越低限報警可能性。

4)測量回路并入電阻。電阻并入測量回路，產(chǎn)生分流作用，導(dǎo)致測量值偏低，甚至低于低限，經(jīng)現(xiàn)場檢查，4個水頭測量回路中未發(fā)現(xiàn)并入電阻。

5)采樣通道異常。因A、B套采樣通道分開，2個采樣通道同時異?？赡苄暂^小。

6)測量回路干擾。查詢水頭波動時事件簡報，無相關(guān)事件，需通過故障錄波監(jiān)視進(jìn)一步分析該因素。

2.4 調(diào)速器負(fù)荷異常波動檢查情況

1)對電源回路進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)松動、虛接情況。測量電源電壓正常，無波動，無交流分量。

2)對水位傳感器電纜進(jìn)行絕緣檢查，無接地及短接現(xiàn)象，使用兆歐表檢查電纜芯線兩兩之間及芯線對地之間絕緣值均為無窮，電纜屏蔽層接地良好。

3)對水位信號采樣回路進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)松動、虛接、接地情況，并接電阻接觸牢固，測量電阻阻值均為250 Ω(±0.5 Ω)。

4)對測壓管路進(jìn)行排氣檢查，未發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣現(xiàn)象。

5)檢查雙重供電模塊過程中發(fā)現(xiàn)水位信號采樣曲線有輕微震蕩，水頭降低1～2 m，已對B套雙重供電模塊進(jìn)行更換。

6)檢查0 V公共端短接片與端子不匹配，在拆解0 V短接片過程中發(fā)現(xiàn)水頭測值有下降現(xiàn)象，水頭最大下降值21 m，對采樣錄波進(jìn)行分析原因為蝸殼進(jìn)口水位采樣大幅跳變(向下)，因水頭為30 s平均值，因此水頭呈現(xiàn)下降現(xiàn)象，現(xiàn)已對0V短接處增加短接線。

2.5 調(diào)速器負(fù)荷異常波動預(yù)控措施

1)優(yōu)化調(diào)速器水頭處理程序，當(dāng)水頭發(fā)生大變化時報水頭故障并凍結(jié)水頭值，水頭故障時將故障前水頭賦給人工水頭，并切人工水頭。

2)優(yōu)化調(diào)速器控制程序，空載開度僅在開機(jī)時起作用，不影響并網(wǎng)狀態(tài)下導(dǎo)葉給定。優(yōu)化開限協(xié)聯(lián)曲線，導(dǎo)葉開限能有效限制有功波動幅值。

3 結(jié) 語

本文針對某大型電站5號機(jī)調(diào)速器負(fù)荷波動現(xiàn)象，分析了導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因，并對該問題進(jìn)行深入分析和檢查，進(jìn)而制定了相應(yīng)的預(yù)控措施，對同類型的電站分析和處理類似情況可起到一定的參考借鑒作用。