水電機組有功波動分析及處理

尹利群，王 雄，付 亮，張新華

(1.托口水電廠，湖南懷化418106；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007；3.長江三峽能事達電氣股份有限公司，湖北武漢430000)

水電機組有功波動分析及處理

尹利群1，王 雄1，付 亮2，張新華3

(1.托口水電廠，湖南懷化418106；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007；3.長江三峽能事達電氣股份有限公司，湖北武漢430000)

針對水電機組普遍存在的由于輸 (引)水系統(tǒng) “水錘效應”及水輪機非線性特性而造成的負荷調節(jié)過程中機組功率反調現(xiàn)象，通過理論分析及仿真得出了影響水電機組功率反調的主要因素為水輪機時間常數(shù)Tw、導葉關閉時間和綜合調節(jié)系數(shù)e。據(jù)此對某水電廠3號機組有功功率波動現(xiàn)象進行了系統(tǒng)檢查及原因分析，進行了一系列參數(shù)敏感性分析實驗，最終優(yōu)化了調速器導葉關閉速率。實驗結果表明，機組有功反調幅值大幅降低，調節(jié)品質大幅改善。

水電機組；功率反調；過渡過程；水錘效應；處理

由于水電機組的引水系統(tǒng)中的 “水錘效應”及水輪機非線性特性的影響，使得整個水輪機系統(tǒng)為一復雜的非線性、非最小相位系統(tǒng)，因此在負荷調節(jié)過程中容易出現(xiàn)功率波動現(xiàn)象，極大地影響水輪發(fā)電機組的運行穩(wěn)定性〔1〕。文章通過分析、研究某水電廠3號機組負荷調整過程出現(xiàn)的功率波動現(xiàn)象，確定了其主要原因在于 “水錘效應”以及監(jiān)控系統(tǒng)、調速器調功參數(shù)匹配不當。文章對水電機組帶負荷過程由于功率反調過大引發(fā)的機組有功功率波動的研究，提供了一種分析水電機組負荷波動的思路，同時對解決“水錘效應”引發(fā)功率波動問題提供一個可行的解決辦法。

1 功率波動現(xiàn)象

2016年4月13日6時45分，某水電廠3號機單機帶120 MW負荷運行；6時45分31秒，按調度的96點計劃曲線，該水電廠總出力由120 MW加至240 MW；6時47分24秒，1號機開機并網(wǎng)帶30 MW運行，3號機負荷從120 MW加至137 MW；6時51分49秒，AGC下令3號機負荷從137 MW減至86 MW，1號機負荷從30 MW加至90 MW，在負荷調整過程中6時51時52秒計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機出現(xiàn)告警:1)3號機組有功功率144.89 MW越上限，瞬時復歸；2)開關站相量測量裝置PMU采集柜啟動錄波，動作。

調取PMU裝置錄波文件，3號機組有功功率、導葉開度曲線如圖1所示。

圖1 機組有功功率、導葉開度變化過程曲線

由圖可知，3號機組有功功率由137 MW減至86 MW過程中出現(xiàn)了功率反調及異常的周期波動，有功最大值為151.3 MW，波動周期約為3 s，整個波動過程持續(xù)約5個周期后逐步衰減。

2 影響水電機組功率反調的主要因素

2.1 水輪機時間常數(shù)

大量仿真試驗表明，隨著水電機組水流慣性時間常數(shù)Tw的增大，水電機組的反調現(xiàn)象也變得更加明顯，如圖2所示。

圖2 水輪機時間常數(shù)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

2.2 導葉關閉時間

導葉在整個過程中起到關鍵的作用，其關閉速度和幅度決定了調節(jié)初始階段引水道內水流動能的增幅，進而影響到水輪機的功率反調。

如圖3給出了不同導葉關閉時間對應的水輪機功率響應特性。從圖中可以看出，導葉關閉時間的延長，削弱了水流慣性引起的水流動能的徒增效應，功率超調現(xiàn)象明顯減弱。

圖3 導葉關閉時間對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

2.3 水輪機綜合調節(jié)系數(shù)

水輪機導葉開度與機組有功功率傳遞函數(shù)如圖4所示，通過該式可看出，有功功率反調大小與水輪機綜合調節(jié)系數(shù)e相關。

圖4 水輪機原動機模型

水輪機綜合調節(jié)系數(shù)e值主要與水輪機運行工況相關〔2－3〕，一般來說，在額定水頭及低水頭工況下e值較大 (其值大于1)，這也會加劇機組有功功率的反調。

3 機組功率反調原因分析

3.1 機組固有特性檢查情況

查閱該水電廠設計圖紙資料，計算得到3號機組水流慣性時間常數(shù) Tw＝1.91 s。

3.2 計算機監(jiān)控系統(tǒng)檢查情況

該水電廠有功功率控制功能主要由計算機監(jiān)控系統(tǒng)完成，調速器僅作為執(zhí)行機構，二者通過接口脈沖信號相連。計算機監(jiān)控系統(tǒng)AGC根據(jù)調度下達的機組負荷設定值和檢測的機組實際出力，按照設定參數(shù)實時向調速器發(fā)送功率 “增/減”脈沖信號，調速器根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)給出的脈沖寬度和脈沖個數(shù)來調整導葉開度從而調節(jié)機組出力，完成機組負荷調節(jié)。計算機監(jiān)控系統(tǒng)AGC調功參數(shù)設置:調功周期為t＿period＝3 000 ms，最小脈寬為t＿min＝40 ms， 最大脈寬為 t＿max ＝1 000 ms。

2016年4月13日06時51分49秒，該水電廠3號機組監(jiān)控系統(tǒng)AGC下令3號機組有功由137 MW減至86 MW，監(jiān)控系統(tǒng)下位機發(fā)減有功脈沖至調速器如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)下位機減負荷脈沖指令

3.3 調速器系統(tǒng)檢查情況

調速器PLC平均掃描周期為15 ms，開度脈沖模式下，調速器程序內 “導葉開給遠方脈沖增、減速率”設置為每掃描周期導葉開度給定為0.1%.調速器PID參數(shù)設置為:bt＝50%，Td＝10，Tn＝0.1， bp＝6%。

調節(jié)過程中機組有功及導葉開度情況如圖1所示，導葉開度動作詳細情況見表1。

表1 3號機組導葉開度變化情況分析表

通過表1分析可以看出調速器收到監(jiān)控系統(tǒng)下位機減有功脈沖后，調速器快速響應，導葉關閉速度平均約為每秒7%，在每個調節(jié)周期內導葉開度出現(xiàn)快速減少、隨后又小幅回調現(xiàn)象，且導葉每次動作均引起了機組有功功率明顯反調，造成2016年4月13日6時51分52秒至6時52分05秒，機組有功功率出現(xiàn)了周期波動。

第一周期內功率反調最大值達到了151.3 MW，最小值為126.1 MW，波動幅值為25.2 MW，由于功率反調最大值超過了機組過負荷保護設定值，造成機組的過負荷報警。

第二周期內功率反調最大值達到了143.6 MW，最小值為121.3 MW，波動幅值為22.3 MW。

第三周期內功率反調最大值達到了137.6 MW，最小值為115.5 MW，波動幅值為22.1 MW。

調速器系統(tǒng)參數(shù)設置:1)調速器PLC控制器平均掃描周期約為15 ms；2)機組調速器程序內“導葉開給遠方脈沖減速率”設置為每掃描周期為0.1%開度；3)機組調速器程序內 “導葉開給遠方脈沖增速率”設置為每掃描周期為0.1%開度。

從以上數(shù)據(jù)分析，可得出結論:1)調速器在每個調節(jié)周期內，機組有功功率均出現(xiàn)明顯反調現(xiàn)象；2)在整個調節(jié)過程中，導葉開度均未超過起始開度 (76.67%)，由功率反調造成的最大功率達到150.82 MW，超初始功率13.1 MW，機組有功功率越上限報警；3)根據(jù)調速器系統(tǒng)設定參數(shù)，可計算出調速器減負荷給定速度約為每秒6%開度，導致調整速度偏快；4)調速器系統(tǒng)響應過快，有回調現(xiàn)象，加劇了機組功率反調。

3.4 原因分析及結論

1)機組水流慣性時間常數(shù)Tw較大。

2)監(jiān)控系統(tǒng)正確地響應了AGC下發(fā)的指令。

3)調速器在每個調節(jié)周期內，導葉開度每次動作機組有功功率均出現(xiàn)明顯反調現(xiàn)象，造成了有功功率的周期波動。

4)現(xiàn)場根據(jù)調速器參數(shù)設定計算得到調速器系統(tǒng)開度給定速度為每秒6%開度，同時又由于執(zhí)行元件響應過快，實際導葉開度動作速度達到了每秒7%開度，且有回調現(xiàn)象，導葉動作速度較快加劇了機組功率反調，進一步加劇了功率的周期波動。

4 處理措施研究

由于3號機組水流慣性時間常數(shù)難以在短時間內改變，水輪機綜合調節(jié)系數(shù)e值與水輪機運行工況相關，也難以控制，因此以導葉關閉速率為切入點，開展調速器、監(jiān)控系統(tǒng)調功參數(shù)優(yōu)化試驗研究。分別對調速器及監(jiān)控系統(tǒng)功率調節(jié)參數(shù)對機組調功過渡過程的影響進行了敏感性分析，通過現(xiàn)場試驗優(yōu)化了調功參數(shù)及調速器執(zhí)行機構的調節(jié)性能。

4.1 調速器參數(shù)敏感性分析

監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)不變，不同調速器參數(shù)下3號機組調功過渡過程試驗結果見表2。

表2 調速器參數(shù)對功率調節(jié)的影響

通過上述試驗數(shù)據(jù)可知改變調速器系統(tǒng)導葉開給遠方脈沖增、減速率對功率反調幅值影響較大，速率越小，功率反調幅值越小，調節(jié)時間越長。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)敏感性分析

調速器參數(shù)不變 (導葉開給遠方脈沖增、減速率為每掃描周期0.03%開度)，改變監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)，不同監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)下3號機組調功過渡過程試驗結果見表3。

表3 監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)對功率調節(jié)的影響

通過上述試驗數(shù)據(jù)分析，得出如下結論:改變監(jiān)控系統(tǒng)功率調節(jié)最大脈寬、調節(jié)周期對功率反調幅值影響較小。最大脈寬≤1 500 ms情況下，增大調功最大脈寬、減小調功周期可以提高調節(jié)速度，最大脈寬＞1 500 ms后，對提高調節(jié)速度作用不明顯。

4.3 參數(shù)優(yōu)化

綜合以上試驗結果，初步選定最優(yōu)調功參數(shù):監(jiān)控系統(tǒng)調功參數(shù)中，最大脈寬為1 500 ms，調功周期為2 000 ms；調速器系統(tǒng)調節(jié)參數(shù)中，導葉開給遠方脈沖增、減速率均為每掃描周期0.04%開度。參數(shù)優(yōu)化后3號機組調功過渡過程試驗結果見表4。

表4 參數(shù)優(yōu)化后功率調節(jié)試驗結果

通過試驗結果可以看出，參數(shù)優(yōu)化前2016年4月13日3號機組負荷波動，3號機組在單次減少51 MW負荷下，有功反調幅值13 MW，反調幅值占負荷階躍量的25%；調速器、監(jiān)控系統(tǒng)調功參數(shù)優(yōu)化后，3號機組在單次減少60 MW負荷下，有功反調幅值8 MW，反調幅值占負荷階躍量的13%；通過優(yōu)化參數(shù)使得機組功率反調大幅改善。

4.4 調速器執(zhí)行機構優(yōu)化調整

對調速器的動作性能進行優(yōu)化，監(jiān)控調功周期2 000 ms，最大脈沖調節(jié)脈寬1 200 ms，中位傳感器電氣零點為38.58。確保機組調節(jié)過程中具有最優(yōu)的調節(jié)品質〔4〕，對調速器執(zhí)行機構性能進行了檢查、試驗及調整，重新對主配壓閥中位進行了調整，對主配反饋進行了標定，于2016年4月18—19日，進行負荷階躍試驗，試驗結果見表5。

表5 執(zhí)行機構優(yōu)化后功率調節(jié)試驗結果

通過試驗結果可以看出，調速器系統(tǒng)調節(jié)器、電液轉換裝置和液壓執(zhí)行機構檢查、優(yōu)化、聯(lián)調后，機組在單次減少60 MW負荷下，有功反調幅值4.3 MW，反調幅值占負荷階躍量的7%。大負荷階躍過程中，功率調整平穩(wěn)，未出現(xiàn)調速器往復調節(jié)、功率來回波動現(xiàn)象，進一步改善了功率調節(jié)的過渡過程品質。

5 結語

該水電廠3號機組由于功率反調引發(fā)的功率波動處理結果表明，無需對水輪發(fā)電機組及其固有流道進行較大改造，僅通過優(yōu)化監(jiān)控與調速器系統(tǒng)調功參數(shù)、改善調速器執(zhí)行機構響應性能，在保證帶負荷的速動性的前提下來適當降低導葉關閉速率，可以降低功率反調幅值，改善過渡過程的調節(jié)品質。對今后分析、處理此類問題具有參考借鑒意義。

采用這種方式來降低功率反調是犧牲了水電機組帶負荷的部分速度，無法充分體現(xiàn)水電機組比火電機組帶負荷速動性好的優(yōu)點。水電機組快速帶大負荷過程中如何可以既減少甚至避免功率反調，同時又保證帶負荷的速動性，還需要進一步研究導葉關閉規(guī)律，采用 “慢－快－慢”的方式，來達到在水電機組負荷調整過程中減少水錘效應引起的功率反調幅值，又滿足帶負荷的速動性。

〔1〕張劍云，李明節(jié)，周濟，等.三峽巨型電站異常功率波動仿真與試驗研究 〔J〕.中國電機工程學報，2012，32(16):122-129.

〔2〕魏守平.水輪機調節(jié) 〔M〕.武漢:華中科技大學出版社2009.2.

〔3〕魏守平，伍永剛，林靜懷.水輪機調速器與電網(wǎng)負荷頻率控制:(二)電網(wǎng)負荷頻率控制仿真研究 〔J〕.水電自動化與大壩監(jiān)測，2006，30(1):18-22.

〔4〕中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.水輪機控制系統(tǒng)技術條件:GB/T9652.1—2007〔S〕.北京:中國標準出版社，2008.

Analysis and Treatment on Active Power Fluction of Hydro Generator

YING liqun1， WANG Xiong1， FU Liang2， ZHANG Xinhua3
(1.Tuokou Hydropower Plant， Huaihua 418106， China ；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute， Changsha 410007， China；3.Three Gorges Nengshida Electric Co.， Ltd， Wuhan 430000， China)

The power anti-regulation phenomenon is very common in the hydropower generator during the power adjust process，because of the water hammer effect of water system and the nonlinear characteristics of the hydro generator.The simulation and theoretical analysis shows that the main factors that cause the power anti-regulation are the Tw of hydropower generator，the time to close the gate and the comprehensive adjustment coefficient e.It analyzes the power anti-regulation of NO.3 unit of a hydropower station.And it makes a series of parameter sensitivity analysis experiments.It optimizes the governor guide vane closing rate ultimately.The result shows that the power anti-regulation is greatly reduced and the regulation quality is improved greatly.

hydro generator； power anti-regulation； transient process； water hammer effect； treatment

TM74

B

1008-0198(2017)05-0051-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.05.013

2016-12-12

尹利群(1968)，男，湖南益陽人，工程師，主要從事水電廠生產管理工作。

王雄(1986)，男，湖北黃梅人，助理工程師，主要從事水電廠設備維護工作。

付亮(1981)，男，湖北五峰人，高級工程師，主要從事水電廠試驗科研工作。

張新華(1977)，男，湖北公安人，高級工程師，主要從事水輪機調節(jié)系統(tǒng)的設計與開發(fā)工作。