機組有功功率波動分析與策略優化

劉細輝，范進喜，呂曉東

（雅礱江流域水電開發有限公司官地水力發電廠，四川 涼山 615704）

機組有功功率波動分析與策略優化

劉細輝，范進喜，呂曉東

（雅礱江流域水電開發有限公司官地水力發電廠，四川 涼山 615704）

水電站有功調節的穩定性關系到水電站的安全與經濟效益。本文以某大型水電站有功功率波動案例為基礎，對功率波動的原因進行了分析，從一次調頻與功率閉環調節配合控制策略方面提出了優化建議，對其他水電站類似功率波動事件具有很好的借鑒意義。

有功調節；功率波動；控制策略；大型水電站

0 引言

目前，國內大型水電站有功調整方式一般有兩種，即開度模式和功率模式。開度模式是在監控系統上形成功率調節閉環，即監控系統設定有功功率后，調速器接收監控系統開出脈沖，進行導葉調節，由監控系統根據功率反饋值進行有功閉環調節。功率模式是在調速器控制系統上形成功率調節閉環，即調速器系統接收監控系統下發有功功率定值（模擬量），以自身功率變送器作為反饋量，進行導葉調節。

某大型水電站監控系統為NC2000系統，調速器控制系統為SAFR-2000H冗余微機控制系統，采用了貝加萊公司的PCC2005控制器為核心，機械液壓部分選用BOSCH公司的比例伺服閥為電液轉換單元，GE20000作為主配壓閥，調速器系統具有開度模式、功率模式兩種模式，開度模式為主用模式。

1 現象描述

2013年7月10日08∶40，某大型水電站1號機組調速器運行在“遠方、自動、開度模式”方式下，有功設定值保持600 MW不變，開度穩定在79.85%沒有較大變化時，有功功率發生向下波動現象，有功設定值與有功實發值最高差值35 MW，不滿足《水輪機調節系統并網運行技術導則》中規定在功率給定或開度給定恒定時，機組實際有功或開度與給定值的偏差應不大于±1%的要求。2號、3號、4號機組均出現過類似負荷下降現象，以1號機最為顯著。

2 有功控制策略

2.1 有功調節工作原理

開度模式下，監控實時對功率實測值與有功設定值進行比較，當偏差超過功率死區時，監控系統將偏差值進行PID運算，計算出調節脈沖寬度，通過功率增減繼電器以脈沖量的形式下發給調速器系統。調速器將功率增減脈寬時間換算為導葉開度變換量即綜合負荷給定Pgv，與空載開度Ynld和一次調頻動作導葉開度輸出量Ypid疊加計算出導葉給定值。調速器實時對導葉反饋值與導葉給定值進行比較計算出導葉偏差，將偏差進行PI運算，計算出控制電壓經功放板放大作用到伺服閥，通過主配壓閥控制接力器動作，使導葉反饋值跟蹤導葉給定值。

2.2 開度模式下調速器有功控制策略

開度模式下，監控系統進行功率閉環，調速器系統作為隨動系統只進行導葉開度閉環，即導葉反饋值跟蹤導葉給定值。調速器導葉給定值由空載開度（Ynld）、PID輸出（Ypid）和綜合負荷給定（Pgv）3部分組成。

式（1）中Ynld為對應水頭下的空載開度，Ypid為一次調頻動作對應的導葉調整量，Pgv為監控有功調節對應的導葉調整量。當一次調頻未動作時，Ypid為0，當監控功率閉環調節處于閉鎖狀態時，Pgv為上次有功閉環調節結束后的積分值。

2.3 開度模式下監控有功控制策略

圖1 某大型水電站調速器系統有功調節數學模型

當機組有功功率調節至死區持續10 s后，閉鎖有功調節輸出，閉鎖后無論是一次調頻動作引起負荷偏差還是由于水頭變化等其他因素引起負荷偏差，監控系統都不再進行功率調節，當偏差大于20MW時僅進行報警，除非收到新的有功設定值才解除有功調節閉鎖，根據有功功率偏差進行調節。

3 原因分析及處理措施

3.1 原因分析

從圖1可以看出，在機組有功設定值和機組導葉開度均保持不變的情況下，機組有功實發值持續下降，同時通過監控數據分析當時負荷波動的水頭曲線，發現壩前水位保持不變，壩后水位呈上升趨勢，水頭（壩前水位-壩后水位）呈下降趨勢，說明水的效率降低，而水頭是影響效率的主要因素。

由于額定水頭較高且變化較小，自動水頭測量精度不高，現場調試人員選擇人工恒定水頭的方式，在水頭變化且有功功率偏差超過功率死區時，由于未收到新的有功設定值，有功調節閉鎖未能解除，不能發出有功調節脈沖，從而可以分析水頭下降是導致此次機組有功功率向下波動的直接原因。

3.2 處理措施

由于水頭變化小且水頭測量精度不高，為避免機組有功調整再次出現類似現象，可以對開度模式下監控系統一次調頻與功率閉環調節的配合邏輯進行修改。具體為：當一次調頻功能投入、監控有功PID調節投入、機組有功功率偏差（有功設值與有功實測值差值的絕對值）小于監控系統調節死區10 s后，機組LCU判定有功調節到位，將閉鎖監控有功PID調節輸出；監控有功調節輸出閉鎖后，若一次調頻動作后20 s內功率差值大于監控調節死區，則機組LCU判定有功偏差超過死區是由于一次調頻動作引起，監控有功PID調節不會干預，輸出也將一直閉鎖，直到新設定值下發時才會解除閉鎖。當一次調頻不動作時，功率偏差超過死區延時5 s解除監控有功PID調節輸出閉鎖，進行有功調節。

4 優化建議

（1）投入自動水頭跟蹤功能：選擇精準合適的水頭測量自動化元件及水頭測量方法，計算出準確的水頭與空載開度間數學函數。當一次調頻未動作且監控有功閉環調節閉鎖時，空載開度會隨著水頭的變化而變化，導葉給定也會隨之變化，即調速器可以隨著水頭的變化自行修正空載開度，從而控制導葉開度使之維持當前機組有功功率。

（2）在采用恒定水頭情況下，可以考慮修改開度模式下一次調頻與功率閉環調節的配合邏輯。

5 結語

水電站有功調節的穩定性，不僅涉及電站的經濟效益，也是調度的一個重要考核指標，應給予高度重視。本文針對此次有功功率波動的原因分析和優化建議既有普遍性也有特殊性，對其他水電站類似現象具有一定的借鑒意義。

［1］魏守平.水輪機調節［M］.武漢：華中科技大學出版社.

［2］張亞明.葛洲壩水電站有功調節穩定性分析與改進措施探索［J］.水電自動化與大壩監測，2013，37（2）.

［3］趙海峰，馬銀萍，安芳芳.一起機組有功調節引起的功率波動事件的分析與策略優化［J］.水電廠自動化，2015，36（1）.

TV738

B

1672-5387（2016）10-0017-02

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.005

2015-12-03

劉細輝（1985-），男，助理工程師，從事水電站自動化設備運行維護工作。