“大機小網”模式下的調速系統研究

詹維勇，王安愛，楊成財，李修樹

(1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南昆明650214；2.水電水利規劃設計總院，北京100120)

“大機小網”模式下的調速系統研究

詹維勇1，王安愛1，楊成財1，李修樹2

(1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南昆明650214；2.水電水利規劃設計總院，北京100120)

為了整定出適合小電網運行模式下特別的調節參數，根據果多水電站機組和調速系統的選型，針對西藏昌都地區“大機小網”的特點，提出了調速系統特殊的調節規律、參數，通過運行考驗，能夠為類似電站提供借鑒。

調速系統；調節規律；調節參數；果多水電站

1 工程概況

果多水電站位于西藏自治區昌都市卡若區柴維鄉境內，壩址距離昌都市公路里程約59 km，為扎曲水電規劃第2個梯級。電站裝機容量160 MW(4×40 MW)，保證出力33.54 MW，年發電量8.319億kW·h，電站以220 kV兩回和110 kV一回兩級電壓接入昌都電網。2015年12月31日果多水電站首臺(4號)機組正式投入商業運行，2016年12月果多水電站4臺機組全部投產發電。

昌都電網原為孤立電網，2014年11月通過2回500 kV線路(降壓至220 kV運行)與四川電網聯網運行，但昌都電網與四川電網連接薄弱，外送電量有限。昌都電網最大負荷出現在冬季約90 MW，夏季昌都本地負荷較小，最高負荷約70 MW。果多水電站機組是目前昌都電網單機容量最大的機組，單臺機組占本地電網容量比例大(占比達50%)，機組在規模較小的昌都電網下運行，電網拖動能力及抗沖擊能力相對有限，“大機小網”特點顯著，因此整定合適的調速系統參數，達到“大機組”與“小電網”運行的協調性和匹配性，是保證電網與機組安全運行的重要保障。

2 機組及調速系統選型

果多水電站水輪發電機組由哈爾濱電機廠有限責任公司制造，水輪機型號為HLA1050-LJ-325，發電機型號為SF40-32/6500。水輪機額定出力為41.5 MW，額定流量為89.97 m3/s，額定轉速為187.5 r/min，比轉速ns=280.3 m·kW，比速系數K=2 001.7；發電機出口電壓10.5 kV，額定功率因數0.85。

調速器型號為SWT-2000，主配壓閥采用國家專利產品ZFL- 80D，主配直徑為80 mm，油壓裝置型號為HYZ-2.5/4.0，由南京南瑞集團有限公司供貨。調速器機柜、電柜采用分離布置方式，機械柜布置在水輪機層，電氣柜布置在發電機層。調速器電氣部分采用兩套貝加萊公司PCCX20系列32位可編程控制器組成雙冗余容錯控制系統，外加獨立的第三方智能切換PLC(日本歐姆龍)及智能手動綜合控制模塊。調速器機械部分電液轉換單元采用雙德國BOSCH力士樂公司高性能伺服比例閥冗余模式，其他控制數字電磁閥均采用德國BOSCH力士樂公司電磁閥，并配置有手動綜合控制模件。調速器A、B套PCC模塊冗余配置，組成的兩個調節器之間通過CAN接口進行通訊，以保證兩個調節器之間的信息冗余和相互切換時穩定工作。兩個調節器具有獨立的電源和獨立的反饋通道，通過兩套PCC的采樣模塊采集信號。兩套PCC同時各自處理采集的信號，一套處于主控模式，一套處于熱備用模式，當其中一套發生故障或需要檢修時，通過智能切換繼電器使另一套立即自動投入，無擾切換，保持系統工況不變。

3 調速系統調節規律和調節參數設置特點

3.1 調節規律設置適應“大機小網”的運行要求

在“孤網運行”時，昌都電網容量小、頻率波動較大，存在機組頻繁調節、轉速大幅波動，造成機組超速或停機，降低機組運行可靠性和穩定性；果多機組占昌都電網容量較大，具有明顯的“大機小網”特點，機組頻率調節對電網頻率影響較大，兩者相互影響可能使頻率振蕩發散，引發機組事故低油壓、電網運行異常、甚至使電網瓦解等情況。為保證機組和電網的運行穩定，需整定合適的調速系統調節參數，減少調速器調節環節操作的頻繁性和保證調節的穩定性。通過試驗和借鑒其它工程經驗，設置了果多調速器的調節參數來適應“大機小網”的運行要求。

2015年12月27日，果多水電站開展4號機組調速系統參數建模試驗，對該系統“開度模式”與“孤網模式”之間的自動切換功能進行了校核，在調速系統微分校核環節，現場8次試驗出現3次不正常調節情況。

為了解決該問題，果多水電站調速系統頻率控制PID由“雙微分”控制改為“帶時間常數的單微分”控制，在控制上進行PID 控制模型的調整，有利于對控制模型的精準分析，對機組控制和電網運行都有益處。果多水電站機組為常規混流機組，機組慣性時間大，穩定性強，采用帶時間常數的實際微分環節，可以增強微分環節的抗干擾能力，更利于機組和電網安全穩定運行要求。理論分析和調速器制造廠家仿真結果為：水輪機發電機組慣性時間常數Ta(s)和水輪發電機組水流慣性時間常數Tw(s)對于水輪機調節系統動態品質起著十分重要的作用。機組慣性比率定義為Tw/Ta的比值。它反映了兩者的慣性，表達式為R1=Tw/Ta，根據大數據統計，混流試機組慣性時間常數Ta的范圍為5.7～10.8 s，平均數值為8.45 s；水流慣性時間常數Tw的數值范圍為0.76～2.48 s，其平均值為1.55 s，混流機組慣性比率R1的數值范圍為0.08～0.36；平均值為0.183，該數值越小越穩定，上界臨界點為0.4，果多水電站機組滿足基本的穩定要求。

在機組空載或孤網運行工況下，頻率波動相對于聯網或手動，范圍較大，頻率變化率較大。這樣，微分可以起到一定的抑制和超前調節作用，使得頻率控制更精準，接力器擺動幅度，主配抽動頻度都將降低。尤其在特殊的工況下，如聯網、孤網切換瞬間，頻率PT由于接地或者絕緣下降產生干擾等，測頻環節會有突變數值；此時，若在微分環節增加一定的時間常數，即便微分輸出在初始時間有一個尖峰，但其衰減是漸變的。這樣不會引起接力器的大幅波動，也不會造成對主配壓閥閥芯的劇烈沖擊，對調速器伺服機構和液壓系統都是一個緩慢的調節過程。此種帶時間常數的微分環節，既兼顧了首次調節的響應速度，起到對頻率變化后的快速抑制和超前動作，也降低了對接力器和主配的沖擊，防止頻率的二次擾動。

3.2 空載模式與負載模式的調節參數設置不同

空載模式為頻率調節，跟蹤頻率變化進行調節；負載模式為開度調節，由監控系統下發脈沖，調速器跟蹤導葉開度進行調節，當頻差大于一次調頻動作死區，調速器進行一次調節。

3.3 聯網與孤網運行模式下調節參數設置不同

昌都電網存在“聯網運行”和“孤網運行”兩種運行模式，針對不同的運行模式配置不同的調速器控制參數。果多調速器孤網一次調頻參數：Kp=1，Ki=0.2，Kd=1，Bp=4%，E=±0.5 Hz，限幅10%；聯網一次調頻參數：Kp=1，Ki=0.2，Kd=1，Bp=4%，E=±0.3 Hz，限幅10%。

目前由于電網運行方式不直接傳遞給電站，需由調速器自身判斷。果多電站聯網-孤網判斷邏輯為：“系統頻率大于(50±0.5)Hz，延時1 s調速器自動轉為孤網模式，調速器調用孤網PID參數；進入孤網調節模式后，以30 s為一個周期，若30 s內系統頻率小于(50±0.3)Hz的比例大于80%即判斷系統為聯網，調速器可自動轉為聯網模式，調用聯網PID參數”。根據昌都電網的實際情況，果多電站孤網與聯網切換采用手動模式，在監控系統上設切換按鈕，手動切換開關量。

3.4 與大電網系統下的調速系統運行參數設置不同

通過“調速器參數建模”和“一次調頻”實驗，調試時將調速器負載PID參數Kp、Ki、Kd由內地大網常規的“8、8、1”或“4、3、1”調整為“1、0.2、1”，降低一次調頻調節速率、提高調頻的穩定性。為避免機組調速器頻繁調節，現場調試時“聯網”一次調頻死區由0.05 Hz調整為0.3 Hz，“孤網”一次調頻死區由0.2 Hz調整為0.5 Hz。

3.5 過速邏輯判斷設置不同

果多水電站一級過速保護在傳統的“115%Ne+導葉空載開度以上+主配拒動”判斷邏輯基礎上增加“頻升過速”信號，避免機組一級過速保護誤動造成機組緊急停機出口動作、電網功率缺額，對系統運行造成較大影響，保證了在極端情況下保電網和穩電網的作用。

2016年4月，西藏地區某電站曾發生“機組一級保護動作”事故。為了防止發生此類事故，果多電站增加“頻升過速”信號，避免機組一級過速保護誤動。故障狀態下昌都電網由“聯網運行”轉為“孤網運行”或“遠方甩負荷”時，孤網內機組轉速可能快速上升至115%以上，在圖1所示的調節情況下，機組一級過速“115%轉速+主配拒動+空載開度以上”(“主配拒動”信號為“調速器主配非關位”的位置節點信號)存在誤動的可能性，當機組轉速開始下降但仍然高于115%時(即處于b點和c點之間)，由于調速器PID調節特性和空載開度的設置，導葉在空載以上開度，這時主配壓閥位置可能在非關位(如t2時間點)，而導致機組一級保護動作條件滿足，機組緊急停機出口動作，電網功率缺額，對系統運行造成較大影響。

圖1 機組一級保護動作曲線

果多水電站調整機組一級過速保護為“115%轉速+主配拒動+空載開度以上+頻升過速”，即要求一級過速保護出口時同時判斷機組頻率在0.5 s內上升應大于1.1 Hz。在圖1中t1點不會被“頻升過速”閉鎖，t2點則可閉鎖，避免誤動的同時不會導致一級過速的拒動，在極端運行工況下可保證電網穩定運行。

4 運行考驗

2016年8月20日～9月28日，川藏聯網220 kV塘瀾雙線首檢同停，昌都電網轉入孤網運行。與前幾年昌都電網孤網下的頻率波動(50±0.5)Hz相比，2016年孤網下的昌都電網頻率波動最大為(50±0.2)Hz。至此，果多水電站經過了8個多月聯網運行和1個多月孤網運行的考驗，調速系統運行穩定、調節正常。運行實踐表明果多水電站調速系統參數設置和改進措施能適應昌都電網“大機小網”、“聯網模式”、“孤網模式”的運行要求，凸顯了果多水電站在昌都電網中的基石作用，發揮了調速系統應有的調節和穩定作用。

5 結 語

針對昌都電網“大機小網”的特點，考慮到昌都電網與四川電網連接薄弱等實際情況，借鑒藏區類似電站的運行經驗和教訓，果多水電站在調速系統上采取的一系列措施，包括調節規律調整、空載與負載條件下的調節參數的區別對待、孤網與聯網下的調節參數區分對待等，對電網和電站的穩定運行積極有效；保證了機組和小網運行的穩定，摸索和探索積累的經驗也可為今后類似運行電站提供借鑒意義。

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[6] D L/T 1245—2013 水輪機調節系統并網運行技術導則[S]．

ResearchofGovernorSystemundertheModeofLarge-capacityGeneratorandSmall-capacityPowerGrid

ZHAN Weiyong1, WANG Anai1, YANG Chengcai1, LI Xiushu2

(1. Huaneng Lancang River Hydropower Co., Ltd., Kunming 650214, Yunnan, China;2. China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China)

In order to set out the special regulation parameters suitable for the operation mode of small-capacity power grid, the regulation rules and parameters of governor system in Guoduo Hydropower Station are proposed based on the type selections of hydro-generators and governor system and the characteristics of large-capacity generator and small-capacity power grid in Changdu area of Tibet. The actual operation of Guoduo Hydropower Station has proved the selection of regulation rules and parameters of governor system. The practice can be as reference for similar hydropower stations．

speed regulating system; regulation law; regulation parameter; Guoduo Hydropower Station

TM761

A

0559- 9342(2017)09- 0070- 03

2016- 12- 21

詹維勇(1973—)，男，云南沾益人，高級工程師，主要從事水電工程建設管理工作．

(責任編輯高 瑜)