水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)按功率一次調(diào)頻時的不穩(wěn)定現(xiàn)象

孔昭年，田忠祿，楊遠生，王思文（.中國水利水電科學研究院，北京 00048；.天津電氣科學研究院，天津 30030）

水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)按功率一次調(diào)頻時的不穩(wěn)定現(xiàn)象

孔昭年1，田忠祿1，楊遠生2，王思文2
（1.中國水利水電科學研究院，北京 100048；2.天津電氣科學研究院，天津 300301）

摘要：國內(nèi)中小型水電站建設(shè)中，水電站的?已提高達15～25s，需要研究此時水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在承擔一次調(diào)頻時的特點。本文揭示了在以功率為目標的一次調(diào)頻時的不穩(wěn)定現(xiàn)象，以及在調(diào)頻過程中的形態(tài)均與?密切相關(guān)。對此提出改進型的以接力器開度為目標的一次調(diào)頻。

關(guān)鍵詞：水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)；一次調(diào)頻；功率控制；開度控制；導(dǎo)葉接力器；不穩(wěn)定現(xiàn)象

1　問題的提出

近年我國開發(fā)了不少沒有調(diào)壓井的長引水系統(tǒng)的水電站[1]，這類水電站已提高達15～25s，顯然它應(yīng)滿足電力運營部門合理的技術(shù)要求。電力系統(tǒng)強調(diào)并網(wǎng)機組的一次調(diào)頻功能，究其實質(zhì)是將調(diào)速器自動、安全可靠性加以量化，提出要求，加以約束；DL/T1040電網(wǎng)運行準則已頒布執(zhí)行[3]。一次調(diào)頻對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)提出的要求如下：并網(wǎng)機組均應(yīng)參與一次調(diào)頻；功率永態(tài)調(diào)差系數(shù)=4～5%;人工失靈區(qū)Ef=0.03～-0.03Hz：響應(yīng)特性應(yīng)滿足在頻率變化超過一次調(diào)頻死區(qū)時，機組應(yīng)在15s內(nèi)響應(yīng)目標功率，在45s內(nèi)機組實際功率與目標功率偏差的平均值應(yīng)在其額定功率的3%～-3%內(nèi)，穩(wěn)定實際小于1min。DL/T1245水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術(shù)導(dǎo)則[4]中，水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻階躍響應(yīng)要求機組帶負荷在穩(wěn)定運行工況下，對于有效頻差變化不低于±0.1Hz的頻率階躍擾動，一次調(diào)頻階躍響應(yīng)過程應(yīng)滿足如下要求之一：

（1）以開度作為響應(yīng)目標時，一次調(diào)頻的開度響應(yīng)行為應(yīng)滿足如下要求：

1）自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開始，至接力器開始向目標開度變化時的開度響應(yīng)滯后時間，應(yīng)不大于2s。

2）自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開始，至接力器位移達到90%目標值的上升時間，應(yīng)不大于12s。

3）自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開始，至開度調(diào)節(jié)達到穩(wěn)定，所經(jīng)歷的時間不大于24s。

（2）以功率作為響應(yīng)目標時，一次調(diào)頻的功率響應(yīng)行為應(yīng)滿足如下要求：

1）自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開始，至機組有功開始向目標功率變化時的功率響應(yīng)滯后時間，對于額定水頭50m及以上的水電機組，不大于4s；對于額定水頭在50m以下的水電機組，不大于8s。

2）自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開始，至機組有功達到90%目標值的上升時間，應(yīng)不大于15s。

3）自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開始，至功率調(diào)節(jié)達到穩(wěn)定，所經(jīng)歷的時間不大于30s。

測試方法：

a、一次調(diào)頻試驗準備

b、將調(diào)速器切換至手動，斷開調(diào)速器機頻測量端，將頻率信號源接入調(diào)速器機頻測量端，由頻率信號源輸出額定頻率信號。

c、調(diào)速器測頻分辨率和精度校驗

在調(diào)速器手動狀態(tài)下，逐步改變頻率信號源輸出頻率，記錄調(diào)速器頻率測量值，驗證測頻分辨率是否符合DL/T1245第5.1.7的要求，測頻誤差是否滿足設(shè)計要求。

d、一次調(diào)頻頻率/轉(zhuǎn)速死區(qū)及永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)校驗

參照GB/T9652.2-2007之6.13.2、6.13.3節(jié)，DL/T496-2001之4.10.6節(jié)進行。

e、一次調(diào)頻頻率階躍擾動試驗

調(diào)速器在自動運行方式下，投入一次調(diào)頻功能，機組帶60%～90%額定負荷穩(wěn)定運行，通過信號源在額定頻率基礎(chǔ)上施加正負偏差的頻率階躍信號，有效頻率偏差絕對值應(yīng)不小于0.1Hz，記錄信號源頻率、主接力器位移、機組有功等信號的變化過程。

可以明確看出，前述實驗方法（1）是在接力器帶上負載后考核經(jīng)典一次調(diào)頻功能；實驗方法（2）及其指標絕大部分考核的是水電站機電設(shè)備固有特性，而不是水輪機調(diào)速器的自身特性。參照此方法編制響應(yīng)程序開展技術(shù)分析。

有功/開度調(diào)節(jié)過程示意見圖1。

圖1一次調(diào)頻頻率階躍擾動時的機組有功/開度調(diào)節(jié)過程示意

除水輪機接力器外，可以通過計算研究分析水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在功率一次調(diào)頻時的動力學特性，以找出規(guī)律判斷是否滿足行業(yè)標準的要求。應(yīng)強調(diào)機組并網(wǎng)運行時發(fā)生復(fù)雜的電磁現(xiàn)象，很難用簡單的仿真技術(shù)予以解決，并給以清晰結(jié)論。目前為止尚沒有成功的計算分析并網(wǎng)機組一次調(diào)頻的報道，本文進行探討性研究。

2　水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)按功率一次調(diào)頻時的不穩(wěn)定現(xiàn)象

在圖2上載有計算分析用的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻計算框圖。以閥代井問題常發(fā)生在高水頭水電站，此時采用理想水輪機進行計算分析更有代表意義。圖中選擇開關(guān)有和兩路信號的選擇。

圖2一次調(diào)頻計算框圖

由水輪機功率方程式：

由式（2）有穩(wěn)定條件：

bt>2bp

由式（3）有穩(wěn)定條件：

它與式（2）的第一個穩(wěn)定條件一致。

圖3為一次調(diào)頻y（t）過程，圖4、5為一次調(diào)頻p（t）過程。

圖3水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻y（t）過程

圖4水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻p（t）過程=0.5

圖5水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻p（t）過程=0.2

3　水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻時的過渡過程計算

當選擇y路時，水輪機調(diào)速器是經(jīng)典的以導(dǎo)葉開度為目標的一次調(diào)頻，其傳遞函數(shù)為：

由圖2，借助Matlab很容易在給定cx后y（t）和p（t）過渡過程曲線。在圖3上載在cx=0.002的指令后，水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作在線性區(qū)（沒有計入水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)死區(qū)的影響），系統(tǒng)動態(tài)特性為一階慣性環(huán)節(jié)，系統(tǒng)時間常數(shù)為0.1s，其動力學特性與水流慣性無任何關(guān)系，在緩沖參數(shù)為零時系統(tǒng)更有出色的動態(tài)特性。實際上這是經(jīng)典的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻功能。

令人困惑的是，從機械調(diào)速器起，一次調(diào)頻功能一直就默默的發(fā)揮積極的作用，現(xiàn)在卻被炒作成行業(yè)的話題。近年借鑒外國公司樣本和火電的原理結(jié)構(gòu)，采用以功率變送器為反饋核心的一次調(diào)頻系統(tǒng)（相關(guān)計算結(jié)果載于圖4）。通過計算可歸納如下規(guī)律：

（5）應(yīng)注意，圖4～5計算是在本文提出的模型及理想水輪機條件下取得，通過計算可知，實際轉(zhuǎn)速的變化對縮短控制時間有積極作用。在實際應(yīng)用中，需要在～參數(shù)平面上進行廣泛的優(yōu)化試驗，以確定功率型一次調(diào)頻的運行參數(shù)；由前述該實驗方法對機組有相當?shù)臐撛谖ｋU性；

（6）可能正因為此原因，有文獻提出了可實現(xiàn)變結(jié)構(gòu)的雙PID水輪機調(diào)節(jié)器，一路用于常規(guī)按導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)，另一路PI調(diào)節(jié)器專用于功率型一次調(diào)節(jié)器。已頒布執(zhí)行的行業(yè)標準對經(jīng)典型水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以接力器位移為目標的一次調(diào)頻功能仍給以關(guān)注，最根本的原因是，它有高的速動性，無需試驗優(yōu)化，其特性與水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的水流慣性、緩沖回路參數(shù)無關(guān)；

（7）水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的水擊現(xiàn)象構(gòu)成水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)；只要粗略比較圖3和圖4就可看出經(jīng)典系統(tǒng)的優(yōu)越性。借鑒其它領(lǐng)域經(jīng)驗應(yīng)持慎重態(tài)度（如有極個別業(yè)主要求用功率信號綜合），調(diào)速器業(yè)內(nèi)在函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計已有非常成功的經(jīng)驗，即在導(dǎo)葉接力器回路接入函數(shù)發(fā)生器[2]，這種改良型一開度為目標的一次調(diào)頻，可實現(xiàn)即保留接力器反饋的所有優(yōu)越性，又可滿足功率信號為目標實現(xiàn)一次調(diào)頻的欲望。實際上功率傳感器在精度、輸出信號的延時效應(yīng)、可靠性等方面遠遠低于水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)接力器位移傳感器。綜合比較，以開度為目標的一次調(diào)頻優(yōu)于以功率為目標的一次調(diào)頻。

參考文獻：

[1]程遠楚．水輪機自動調(diào)節(jié)[M]．北京：中國水利水電出版社2010．

[2]孔昭年．水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計與計算[M]．武漢：長江出版社．2012．

[3]DL/T1040．電網(wǎng)運行準則[S]．

[4]DL/T1245．水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術(shù)導(dǎo)則[S]．

中圖分類號：TK730.4+1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）03-0001-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.001

收稿日期：2015-01-15

作者簡介：孔昭年（1941-），男，教授級高級工程師，從事水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計研究工作。