大型水電站調速器孤網模式設計與試驗

于文杰，劉細輝，王亞華

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都610041）

0 前言

隨著跨區域大負荷輸電的發展，電網規模越來越大，相應對電力系統穩定控制提出了更高要求。2008年年初雪災，電力設施損毀慘重，部分地區解裂為孤立電網后，機組容量與孤網負荷不匹配，電網穩定運行受到威脅，此時調速器參數的設計是否合理是影響穩定的關鍵因素，設置不合理易引起機組震蕩[1]。在系統嚴重故障時，大型水力發電廠帶區域電網進入孤網運行模式。本文介紹了某大型水電站的孤網模式的設計及試驗過程，可為同類電廠提供案例參考。

1 調速系統孤網模式技術要求

根據《水輪機調節系統并網運行技術導則》（DL/T1245）第5.1.14條要求，“水輪機調節系統在不同運行工況、不同控制模式下所使用的PID調節參數、人工頻率/轉速死區、永態轉差系數/調差率以及隨動系數參數、協聯關系等均應能通過人機界面或專用調試設備方便查詢和調整”。調速器系統設置的孤網模式應PID參數、人工頻率/轉速死區等應單獨設置參數并方便查詢和調整。

根據《水輪機調節系統并網運行技術導則》（DL/T1245）第5.2.6條要求，“水輪機調節系統應該能對并網運行開度調節模式、功率調節模式、孤網運行頻率調節模式及一次調頻模式分別設置相應的調節參數，調節模式切換時調節參數能自動切換”。調速器控制系統應能獨立設置孤網模式及參數，其孤網模式應能獨立配置孤網頻率調節死區、PID參數、永態轉差系數等。

根據電網實際運行需求，調速器控制系統應具備自動/手動投入、退出孤網模式運行的功能，手動投入孤網模式后不允許自動返回正常聯網模式。

2 孤網模式設計

2.1 孤網模式自動投退功能

在調速器控制系統觸摸屏上設置孤網模式投退窗口如下頁圖1所示，在監控系統上設置孤網模式投退窗口如下頁圖2所示。優化控制程序實現功能如下：

（1）在調速器控制系統觸摸屏上設置密碼登錄窗口，輸入密碼方能進行孤網模式切換及參數修改工作。

（2）設置孤網模式切換按鈕，點擊按鈕進行“自動”及“人工”模式切換。在“自動”模式下，調速器控制系統按照設置窗中“自動投孤網頻差0.50 Hz”及“自動退孤網頻差0.10 Hz”進行模式自動投退，在此模式下監控系統選擇“切手動”方式，點擊“投孤網”、“退孤網”按鈕仍然可實現孤網模式的手動投退；在“人工”模式下，調速器控制系統按照監控系統上的投退按鈕進行操作，點擊“切手動”按鈕，“孤網投退方式”顯示“手動”，此時可點擊“投孤網”、“退孤網”按鈕，進行孤網運行模式切換。

（3）在“自動”模式下，系統頻率滿足“自動退孤網頻差0.10 Hz”后進行延時3 min，孤網運行模式自動退出，防止頻率出現急劇波動時孤網模式發生高頻率投退現象，保證調速器孤網調節過程穩定可靠。

圖1 調速器控制系統孤網模式投退窗口

圖2 監控系統上孤網模式投退窗口

2.2 孤網模式控制參數

在調速器控制系統觸摸屏上設置孤網投退窗口如圖3所示。優化控制程序實現功能如下：

（1）調速器進入孤網控制模式，按照“比列增益3.00”、“積分增益0.20”及“微分增益1.00”的參數進行過程調節與控制。與并網開度控制模式調節參數“比例增益3.00”、“積分增益1.00”及“微分增益1.00”相比積分增益變小，已保證調節過程平穩，避免發生振蕩情形。

（2）“頻率死區0.20 Hz”表示頻率在50±0.2 Hz的范圍內，孤網模式下調速器系統不進行調節。

（3）“調差系數1.00%”與開度模式下“調差系數4.00%”相比較數值變小，已保證調節的幅度與效果。

（4）“頻差限幅”參數的作用是保證頻率調節在正常的數值范圍內，避免出現過度調節及頻率誤調節的情況。

圖3 手動投入孤網模式只能手動退出，頻差死區設置

3 孤網模式試驗

3.1 靜態試驗

“靜態”是指機組未啟動，蝸殼無水或者靜壓狀態，調速器液壓系統調試合格后的狀態。

3.1.1 孤網模式PID調節特性測試及Bp校驗[2]

試驗按分環節測試法，測量比例、積分及微分等環節的輸入輸出特性。試驗方法及步驟：

（1）調速器切手動，在50 Hz穩定信號，模擬并網信號，接力器行程穩定于50%附近，死區設置為0，Bp設置為0，進行分環節時域測量。比例放大倍數測量時，將微分、積分環節退出，進行不同比例放大倍數下的階躍試驗；微分測量時，將比例、積分、環節退出，進行不同微分系數下的階躍試驗；積分測量時，將比例、微分環節退出，進行不同積分系數下的階躍試驗。

（2）調速器切自動頻率模式運行，進行頻率給定階躍試驗，辨識PID各環節參數。

（3）調速器切手動，設置 Bp=0、4%、5%；Kd、Kp、Ki為定值，重復擾動試驗[3]。

3.1.2 孤網人工頻率死區檢查校驗

試驗方法及步驟：

（1）在機柜端子上加50 Hz穩定信號，模擬并網信號，手動接力器行程穩定于約50%附近，調速器模擬機組并網帶負荷工況，自動開度模式運行，人工頻率死區設置為：E=±0.2 Hz。

（2）使頻率給定發生階躍擾動，擾動量為±0.2Hz，±0.22 Hz，±0.3 Hz記錄接力器行程的變化過程及調速器人工頻率死區設定值。

（3）接力器行程穩定與約20%附近，將人工頻率死區設置為E=±0.05 Hz，以0.01 Hz步長將機頻由50 Hz逐次降至49.8 Hz，穩定后返回50 Hz，然后再由50 Hz逐次加到50.2 Hz，穩定后返回。測出在設定頻率死區下導葉接力器的開度與頻率的關系，計算其實測值與誤差值。

3.1.3 孤網人工頻率死區檢查校驗

試驗方法及步驟：

（1）在機柜端子上加50 Hz穩定信號，模擬并網信號，手動接力器行程穩定于約50%附近，調速器模擬機組并網帶負荷工況，自動開度模式運行，人工頻率死區設置為：E=±0.1 Hz。

（2）使頻率給定發生階躍擾動，逐步增大擾動量直到調速器輸出限幅動作。

3.1.4 模擬并網下自動切換孤網模式試驗

試驗方法及步驟：

（1）調速系統模擬并網運行，調速系統大網、孤網參數按照正常參數設置，在機柜端子上加50 Hz穩定信號，自動開度/功率模式運行。根據調速系統孤網切換頻率設定值，設定信號發生器輸出頻率發生階躍擾動，若頻率擾動量超過切換頻率并持續足夠時間，調速系統將自動切換至孤網模式運行。

（2）略微增大頻率階躍量，重新進行階躍試驗，測試在孤網模式下的PID輸出調節特性。

3.1.5 模擬并網下孤網自動返回試驗

試驗方法及步驟：

在3.1.4的基礎上，當調速系統切換為孤網模式運行后，逐步將信號發生器輸出頻率返回至50 Hz，在此過程中，記錄調速器系統孤網模式返回至正常聯網模式的返回頻率及時間。

3.1.6 模擬并網下手動切換孤網模式試驗

試驗方法及步驟：

在3.1.5的基礎上，當調速系統切換為孤網模式運行后，手動將孤網模式切換至正常聯網模式，測量調速系統PID輸出等調節特性。測試返回正常聯網模式是否正常。

3.2 動態試驗

“動態”是指機組并網帶負荷運行的發電狀態，且機組一次調頻調試合格，一次調頻能正常投入運行。

3.2.1 機組自動切孤網模式頻率擾動試驗

動態擾動通常在開度模式、功率模式及監控功率閉環調節模式等調節方式下進行，25%額定負荷下動態頻率擾動試驗。

試驗條件：

（1）調速系統其他各項動態試驗（如一次調頻試驗）驗收已完畢。

（2）機組具備變負荷條件，同時機組運行穩定。

（3）PID設置為一次調頻試驗整定值，死區按一次調頻要求設置。

試驗方法：

（1）確認機組穩定運行，將聯網模式下的一次調頻限幅值臨時修改為約3%～5%額定功率。

（2）逐次改變調速器頻率給定值（或模擬機組頻率信號，下同），根據調速器系統孤網切換頻率設置情況，逐步變化過程為正負 0.1 Hz，0.2 Hz，0.25 Hz，0.5 Hz，1.0 Hz測試記錄每一次擾動過程。調速器機旁一直有人監視，以便異常工況下調速器切手動。若頻率擾動量超過切換頻率并持續足夠時間，調速系統將自動切換至孤網模式運行。測試在孤網切換及切換后的調節特性。

（3）記錄機組孤網模式切換頻率及延時，記錄頻率返回后調速系統切換為正常聯網模式的頻率及延時。

3.2.2 機組并網帶孤立調節試驗

根據《水輪機調節系統并網運行技術導則》（DL/T1245）第6.5“孤立調節試驗”推薦，機組并入電網運行，帶不少于25%的額定負荷，待負荷穩定后，跳開主變高壓側斷路器，但發電機出口斷路器依然保持閉合，觀察并記錄頻率、接力器位移等信號在此切換過程中的變化，驗證調節過程是否正常穩定。

3.2.3 模擬并網下手動切換孤網模式試驗

機組正常并網運行，手動將調速系統切換為孤網模式，調節穩定后將孤網模式切換至正常聯網模式，測量調速系統PID輸出等調節特性。測試各切換及返回過程是否正常。

3.2.4 孤網模式下機組運行監視

機組正常并網運行，手動將調速系統切換為孤網模式，記錄30 min正常運行監測情況，確認試驗期間機組運行穩定。

4 試驗波形

根據第3節的試驗內容，選擇有代表性的波形如圖4至圖8。圖4、圖5是機組80%負荷（480 MW），系統頻率變化0.2 Hz時調速器進行一次調頻的調節過程，未進入孤網運行模式。圖6是機組25%負荷（150 MW）跳開主變高壓側開關，機組帶主變廠用電，自動進入孤網運行模式的波形，進入孤網模式后調節穩定，孤網功能正常。圖7是機組25%負荷（150 MW）并網運行時，模擬網頻50 Hz變為50.505 Hz機組孤網模式調節波形圖，調速器正確進入孤網運行模式，調節過程平穩。圖8是機組25%負荷（150 MW）并網運行時，模擬網頻50 Hz變為50.6 Hz機組自動進入及退出孤網模式波形圖，自動切換至孤網運行模式運行為穩定，調節過程平穩，自動退出孤網模式時動作準確，系統運行平穩，滿足規程及電網的運行要求。

圖4 開度模式下頻率擾動由50 Hz變為49.8 Hz再變為50 Hz功率、開度變化波形圖

圖5 開度模式下頻率擾動由50 Hz變為50.2 Hz再變為50 Hz功率、開度變化波形圖

圖6 機組25%負荷跳開主變高壓側開關自動進入孤網模式波形圖

5 結論

通過對水力發電廠的孤網模式設計，增強了調速器系統適應孤網運行的能力，不僅滿足相關國家標準，而且滿足電網對電站調速系統快速調節及穩定運行的要求。通過試驗驗證了孤網模式的實際動作過程及調節特性穩定可靠，對其他電站孤網模式的設計及試驗有一定的借鑒作用。

圖7 機組25%負荷網頻50 Hz變為50.505 Hz機組孤網模式調節及退出波形圖

圖8 機組25%負荷網頻50 Hz變為50.6 Hz機組自動進入及退出孤網模式波形圖