三峽左岸水輪機組調(diào)速及勵磁系統(tǒng)國產(chǎn)化改造

王本紅，張元棟，李青茂，劉光權(quán)

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

三峽左岸電站安裝有700 MW 水輪發(fā)電機組14 臺，2003 年，三峽左岸電站投運之初，機組調(diào)速系統(tǒng)選用了法國ALSTOM 公司研制生產(chǎn)的NEYRPIC系列產(chǎn)品。勵磁系統(tǒng)選用德國SIEMENS 公司研制生產(chǎn)的SIMADYN-D 型勵磁調(diào)節(jié)器。至2016 年，這些設(shè)備已連續(xù)運行十幾年，隨著運行年限的不斷延長，這些設(shè)備逐漸暴露出以下問題：

（1）國家和電網(wǎng)對機組涉網(wǎng)功能提出了新要求、新標(biāo)準(zhǔn)，原設(shè)備涉網(wǎng)功能不能滿足現(xiàn)行國家和電網(wǎng)要求，如調(diào)速系統(tǒng)的一次調(diào)頻功能、勵磁系統(tǒng)的PSS功能等。

（2）設(shè)備度過運行穩(wěn)定期后故障率逐年升高，存在影響機組安全運行的風(fēng)險。

（3）進口核心備件已停止生產(chǎn)，庫存?zhèn)浼?shù)量逐漸減少，威脅設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定運行，其它進口備件價格昂貴。

為解決上述問題，三峽左岸電站于2016 開始著手研究設(shè)備技術(shù)改造路線及改造中涉及的具體技術(shù)問題。經(jīng)大量分析、研究，最終選擇了一條經(jīng)濟、可行、可靠的技術(shù)路線，即用國產(chǎn)設(shè)備代替進口設(shè)備中技術(shù)落后、功能不全的控制部分，對設(shè)備進行部分改造。針對調(diào)速系統(tǒng)，電氣部分整體改造，機械部分局部優(yōu)化保留其機械部分；針對勵磁系統(tǒng)保留功率整流柜、滅磁開關(guān)柜，這樣既減少了改造投資，又能大幅提高控制設(shè)備性能。但相對設(shè)備整體更換，此種方式造成了大量的系統(tǒng)兼容、接口配合、控制功能需單獨開發(fā)等一系列技術(shù)難題。

三峽水力發(fā)電廠組建國產(chǎn)化改造項目團隊，通過與相關(guān)院校及公司聯(lián)合科研與攻關(guān)，最終解決了上述技術(shù)難題。從2017 年開始，對三峽左岸電站14 臺機組調(diào)速及勵磁系統(tǒng)進行改造，改造歷時兩年多，于2019 年結(jié)束。改造后調(diào)速及勵磁系統(tǒng)設(shè)備完全滿足國家和電網(wǎng)對機組涉網(wǎng)性能的要求，其控制精度、穩(wěn)定性、控制靈活性都得到了大幅提高，達到改造設(shè)計要求和目標(biāo)。

1 機組調(diào)速系統(tǒng)國產(chǎn)化改造主要創(chuàng)新點

對適應(yīng)式變參數(shù)控制與優(yōu)化運行等關(guān)鍵技術(shù)在此次大型水電機組調(diào)速系統(tǒng)國產(chǎn)化改造中的應(yīng)用進行研究，通過精細(xì)化建模、工況辨識和控制參數(shù)優(yōu)化等，使國產(chǎn)化后的水輪機控制系統(tǒng)成功實現(xiàn)“全時段、全工況”適應(yīng)式變參數(shù)控制策略。

改造后調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能顯著提高，如壓油泵加載時間間隔由原來的15～20 min延長至70～200 min（與工況相關(guān)），有效降低了能耗，減輕了壓油泵機械磨損，延長了設(shè)備壽命。

表1 調(diào)速系統(tǒng)國產(chǎn)化改造前后主要性能指標(biāo)對比

1.1 創(chuàng)新調(diào)速系統(tǒng)功率控制模式

調(diào)速器功率調(diào)節(jié)模式下主要通過LCU 給定功率，調(diào)速器通過實際功率與給定功率之間的偏差形成閉環(huán)調(diào)節(jié)，同時也可接收遠方增減信號。有別于原進口系統(tǒng)依賴水頭參數(shù)的功率-開度轉(zhuǎn)換控制方式，該功率調(diào)節(jié)模式完全采用國產(chǎn)化模型，完全不受水頭變化影響，在運行過程表現(xiàn)出調(diào)節(jié)速度快、調(diào)節(jié)精度高及調(diào)節(jié)穩(wěn)定等優(yōu)點。

1.2 全面實現(xiàn)一次調(diào)頻功能

改造后全面實現(xiàn)了調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻功能。經(jīng)中國電科院測試，性能指標(biāo)均達到或優(yōu)于國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 調(diào)速器改造后一次調(diào)頻試驗曲線

1.3 雙重控制硬件結(jié)構(gòu)

改造采用比例閥+步進電機非對稱冗余控制結(jié)構(gòu)，控制元件為比例伺服閥和步進電機，實現(xiàn)兩種不同控制策略的優(yōu)勢互補。調(diào)速器同時具備了流量控制和位移＋速度控制兩種方式的優(yōu)點：以比例伺服閥通道為主通道時，可以獲得相對更好的系統(tǒng)整體性能；借助伺服電機電液轉(zhuǎn)換裝置，可減少對油質(zhì)的依賴，提高系統(tǒng)抗油污的能力，使系統(tǒng)有更高的可靠性；而且方便實現(xiàn)純手動功能，中間切換環(huán)節(jié)少，簡化液壓系統(tǒng)輔助油路，結(jié)構(gòu)更加簡單可靠。

1.4 開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)機械控制結(jié)構(gòu)

設(shè)計開發(fā)了具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)、適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)形式的水輪機調(diào)速器主配壓閥閥芯，優(yōu)化了原主配壓閥閥芯和閥套結(jié)構(gòu)形式，提升了主配壓閥動態(tài)調(diào)節(jié)性能，同時帶動國內(nèi)調(diào)速器機械方面精密加工制造和配套能力發(fā)展。

1.5 增加純機械手動操作功能

當(dāng)控制器全部故障離線時，調(diào)速器可以穩(wěn)定當(dāng)前導(dǎo)葉開度和機組負(fù)荷，防止發(fā)生機組負(fù)荷大幅波動。

1.6 配置事故配壓閥

為機組事故時可靠停機提供多重保障。當(dāng)機組出現(xiàn)過速或工作油壓降至事故低油壓時，事故配壓閥動作，切斷調(diào)速器的控制油壓，從而直接控制接力器進行事故緊急停機，有效保障水輪發(fā)電機組運行安全。

1.7 增加主配失靈判斷

實現(xiàn)主配拒動時115%轉(zhuǎn)速的一級電氣過速保護功能。避免只能靠電氣二級過速甚至更高一級的機械過速動作快速門停機，防止機組嚴(yán)重過速，影響機組壽命和安全。

1.8 實現(xiàn)智能診斷

原調(diào)速系統(tǒng)對關(guān)鍵電器元件故障缺乏判斷和保護，現(xiàn)通過自主技術(shù)實現(xiàn)關(guān)鍵器件的故障智能化自診斷功能。如原來執(zhí)行機構(gòu)，兩套電液轉(zhuǎn)換器故障不報警，且直接停機，造成經(jīng)濟損失。

2 機組勵磁系統(tǒng)國產(chǎn)化改造創(chuàng)新點

通過研發(fā)與進口西門子功率整流柜脈沖回路的匹配方案，首次實現(xiàn)了國產(chǎn)勵磁調(diào)節(jié)器與進口西門子功率整流柜的完美配合，解決了勵磁系統(tǒng)部分功能不滿足新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求的問題，主要備品備件不再依賴于進口，勵磁系統(tǒng)整體性能和可靠性得到大幅提升。同時開發(fā)了試驗方式功能、手/自動錄波功能，并解決了并網(wǎng)時無功沖擊的問題，優(yōu)化了TV 斷線判據(jù)策略，提升了用戶體驗感，延長了原功率整流柜的使用年限，減少了改造成本，實現(xiàn)了勵磁系統(tǒng)整體性能和可靠性的最優(yōu)化。

2.1 開發(fā)了脈沖接口與分配電路

設(shè)計開發(fā)了勵磁調(diào)節(jié)器脈沖接口電路、脈沖分配板，既提高了脈沖驅(qū)動能力和穩(wěn)定性，又實現(xiàn)了脈沖接口的統(tǒng)一，使國產(chǎn)勵磁調(diào)節(jié)器與進口西門子功率整流柜脈沖變回路完美結(jié)合，實現(xiàn)了僅進行勵磁系統(tǒng)控制部分的改造而提高全套勵磁設(shè)備性能的目標(biāo)，主要備品備件也不再依賴于進口，勵磁系統(tǒng)整體性能和可靠性得到最優(yōu)化。

2.2 設(shè)計開發(fā)了勵磁調(diào)節(jié)器脈沖觸發(fā)程序

脈沖的頻率、個數(shù)和脈寬等參數(shù)與原西門子勵磁調(diào)節(jié)器保持一致，設(shè)計了脈沖檢測電路，并由FPGA 硬件實現(xiàn)，同時具備實時診斷、報警功能。雙套無擾動切換，不會因為脈沖故障而導(dǎo)致失磁跳機情況的發(fā)生。

2.3 優(yōu)化完善了PSS 功能

左岸電站部分機組原西門子勵磁調(diào)節(jié)器安裝外置硬件PSS2B 裝置，外置PSS 裝置硬件老化，附加的外部PSS 信號回路給勵磁系統(tǒng)安全運行帶來隱患；部分機組原西門子勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)置PSS2B 軟件，內(nèi)置PSS 引入的ω信號取自機端電壓頻率，在動態(tài)過程中轉(zhuǎn)速和機端電壓頻率的差值足以影響PSS 的補償效果，對系統(tǒng)阻尼有惡化作用，不符合現(xiàn)行行業(yè)技術(shù)要求。改造后的勵磁調(diào)節(jié)器全部內(nèi)置PSS2B/4B兩種模型，PSS2B 模型ω信號取自發(fā)電機q 軸虛擬電氣分量Eq 的頻率，試驗證明其對0.1～2 Hz 的低頻振蕩具有良好的阻尼作用，滿足電網(wǎng)要求。預(yù)裝的PSS4B 模型能更好地對各種頻段低頻振蕩起到抑制作用，同時PSS4B 對電力系統(tǒng)聯(lián)系阻抗的強弱具有較好的適應(yīng)性，為今后電網(wǎng)運行的更高要求做好了準(zhǔn)備。

圖2 脈沖產(chǎn)生流程圖

圖3 脈沖寬度和脈沖群生成流程圖

圖4 PSS4B 模型傳遞函數(shù)

圖5 改造后PSS 試驗曲線

2.4 試驗定制功能

在水輪機組試驗中經(jīng)常進行零起升壓、升流試驗和勵磁大電流、小電流等試驗，目前行業(yè)中，多需要修改勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)和相關(guān)程序，過程繁瑣、效率低，存在著一定安全隱患。改造后的勵磁調(diào)節(jié)器首次增加了“試驗方式”功能，試驗方式投入后，即可方便進行各種勵磁開環(huán)試驗，不受外部開關(guān)狀態(tài)等的限制。

2.5 開發(fā)了手/自動錄波功能

改造后的勵磁調(diào)節(jié)器新增錄波功能，可手/自動錄波（150 個開關(guān)量及50 個模擬量），調(diào)節(jié)器內(nèi)置大容量存儲器，可脫離工控機獨立存儲100 組波形，在開機、停機、限制、試驗、故障等工況下，在開關(guān)量變化及模擬量跳變時可手/自動錄波。通過專用波形查看工具，可通過分析波形的變化為試驗結(jié)果與故障分析提供依據(jù)。

2.6 實現(xiàn)了母線電壓跟蹤功能

原勵磁調(diào)節(jié)器無母線電壓跟蹤功能，母線電壓隨著季節(jié)的不同有一定范圍的變化，機組并網(wǎng)時，機端電壓和母線電壓之間有一定的差值，可能造成較大的無功沖擊，最大值曾達220 Mvar，無功沖擊對發(fā)電機定子繞組、變壓器繞組均產(chǎn)生影響，威脅發(fā)變組的安全運行。改造后的勵磁調(diào)節(jié)器具有母線電壓跟蹤功能，并網(wǎng)前，勵磁調(diào)節(jié)器給定值跟蹤母線電壓，機端電壓和母線電壓之間無差值，機組同期并網(wǎng)過程中沒有無功沖擊。

2.7 提出組合式TV 斷線檢測判據(jù)

原勵磁系統(tǒng)TV 斷線判斷策略單一，無法反映TV 斷線的多種情況。改造后的勵磁調(diào)節(jié)器從以下三個方面進行設(shè)計，保證正確應(yīng)對TV 斷線。

（1）單套TV 斷線：在1.6 ms 內(nèi)完成主備快速平穩(wěn)切換，避免機端電壓升高導(dǎo)致跳機。

（2）增添負(fù)序電壓、電壓電流相關(guān)性等判據(jù)，可準(zhǔn)確判斷單TV 單相、多相斷線；雙TV 單相、多相斷線等故障模式。

（3）短路與雙TV 三相斷線引起的電壓突降。通過檢測發(fā)電機定子電壓、電流和轉(zhuǎn)子電流，并根據(jù)在各種TV斷線和短路情況下各個量的不同變化組合，正確判斷各種TV 斷線故障，并能正確區(qū)別TV 斷線和發(fā)電機出口短路，為發(fā)電機勵磁控制裝置提供正確的控制基準(zhǔn)，保障機組安全運行。

2.8 增加智能電站多場景支撐功能

原勵磁調(diào)節(jié)器只提供Profibus通信協(xié)議和接口。改造后的勵磁調(diào)節(jié)器支持多種通信協(xié)議，為智能電站的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

三峽左岸電站水輪機組調(diào)速及勵磁系統(tǒng)國產(chǎn)化改造的實施后，達到了以下改造效果：

（1）采用國產(chǎn)化替代的改造方式，技術(shù)路線選擇正確，技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、性能可靠，改造后設(shè)備關(guān)鍵性能指標(biāo)符合或優(yōu)于國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）調(diào)速系統(tǒng)在適應(yīng)式變參數(shù)控制策略、功率控制模式、事故停機多重保障、設(shè)備智能診斷、機械部分結(jié)構(gòu)形式等方面實現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新。

（3）勵磁系統(tǒng)在勵磁調(diào)節(jié)器脈沖接口硬件及程序、PSS 控制實現(xiàn)方式、組合式TV 斷線檢測、智能試驗和診斷等方面實現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新。

（4）改造后調(diào)速和勵磁系統(tǒng)具備完整的一次調(diào)頻及PSS 功能，增強了電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)壓能力，對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行起到了關(guān)鍵作用，創(chuàng)造了良好的社會效益。

（5）通過現(xiàn)場試驗及設(shè)備各工況運行考驗，改造后設(shè)備運行穩(wěn)定，設(shè)備安全可靠性大幅提高，經(jīng)濟效益顯著。

綜上所述，本次改造實現(xiàn)了調(diào)速及勵磁系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備和核心技術(shù)的國產(chǎn)化，整體性能指標(biāo)達到或超過同類設(shè)備先進水平；解決了“關(guān)鍵部件過于依賴進口，關(guān)鍵設(shè)備受制于人”的問題，創(chuàng)新了水電機組控制設(shè)備的改造模式，屬國內(nèi)首創(chuàng)，具有行業(yè)引領(lǐng)及示范作用。