水輪發電機組單管雙機干擾問題研究與應用

劉 萌

（大唐石泉水力發電廠，陜西 石泉 725200）

1 石泉水輪發電機組概況

石泉水電廠位于漢江干流陜西省石泉縣縣城上游1 km的峽谷出口處，總裝機容量5×45 MW，機組為東方電機廠生產立軸混流式水輪發電機組，1號主廠房1-3號水輪發電機組裝機容量135 MW，于1975年底全部投產發電。石泉水電廠二期工程（即2號廠房4、5號機組）是在利用原石泉水電廠已建成的水利樞紐基礎上，在壩左岸增建引水隧洞,建成引水式岸邊廠房。工程裝有2臺東方電機股份公司生產的45 MW立軸混流式水輪發電機組，該工程2臺機組于1998年9月興建，于2000年9月19日、11月29日分別投產發電。其中4號、5號發電機采用一條引水管道供兩臺發電機組運行的結構形式，由于兩臺機組共用一個引水管道，當其中一臺機組開機、停機、調節負荷、事故停機時，會對另一臺發電機形成干擾，造成調速器抽動、機組出力大幅度擺動，最大功率波動可達15%以上，波動持續時間10 s～20 s，甚至引起發電機保護動作，嚴重危及機組及電網的安全穩定運行[1]。

針對這一問題，曾嘗試過用監控系統AGC[2][3]來彌補水力擾動引起的功率波動，但未能解決，主要原因是監控系統AGC為二次調節，屬于管理級控制范疇，其實時性與響應速度無法保證，反而加劇了功率波動，且調節過程不穩定。

理想的方法是通過機組一次調節來彌補水力擾動，以保證實時性、穩定性與響應速度，由于調速器是水輪機的一次調節設備，故通過調速器直接補償水輪機的水力擾動是首選方案[4]。

為保證機組及電網的安全穩定運行，開展雙機干擾問題研究[5]。對4號、5號發電機調速器進行改造，并利用實時采集的蝸殼水壓信號及綜合特性曲線的數據推算出導葉控制及功率限制參考量，調速器內部程序中加入水壓—開度補償功能以消除功率波動，加入功率限制和甩負荷標記的功能，以消除機組間水力干擾影響，保證機組和電網的穩定運行，防止有功越上限和欠發情況的發生。

2 方案改造及工作原理

為保證機組及電網的穩定運行，對4、5號發電機調速器進行改造，利用蝸殼壓力實時值監測值作為參考，進行導葉調節，并在調速器內部程序中加入功率限制和甩負荷標記功能，將兩臺發電機之間的相互的影響降低，保證機組和電網的穩定運行，防止出現超發和欠發的情況。

具體實施內容為整體更換4號、5號發電機調速器電氣部分、機械部分、分段關閉閥，在調速器中加入水壓—開度補償功能，以消除功率波動，保證機組安全穩定運行。

2.1 水輪機綜合特性曲線離散化

G4、G5的轉輪型號為LD260b-LJ-386，其對應的綜合特性曲線見圖1，對該曲線進行離散化，即以表格的形式反映相關物理參量，以便于輸入調速器的PLC控制器[6][7]。表1為離散化后的數表，其中，n1′為導葉開度、q1′為水輪機單位轉速、η為水輪機單位流量、為水輪機效率。

表1 水輪機單位流量及效率表

圖1 水輪機綜合特性曲線

2.2 調速器采集轉換

2.3 功率信號轉換

機組功率表達式為P=ρgQHη，其中，ρ為水的密度；g為重力加速度；Q為水輪機工作流量；H為水輪機工作水頭；η為機組效率。

2.4 目標功率的確定

結合上述表達式與表格1，即可獲取目標功率與開度及水壓的對應關系。某臺機組在正常運行過程中，具有一確定的目標功率，若此時另一臺機組突然增減負荷，將產生機組內部水壓波動，調速器將根據變化的水壓、波動前的目標功率，通過埃爾米特插值計算出對應的開度、開限，并保證差值曲線連續光滑。通過機械控制，導葉開度可迅速適應水壓變化，即水壓變、開度也瞬時變，從而使機組功率始終維持在目標功率，保證機組穩定運行，避免了有功越上限和欠發情況的發生。

工程實施于2015年開展，電廠整體更換4號、5號發電機調速器的電氣部分、機械部分、分段關閉閥。在新更換的調速器PLC中加入水壓—開度補償功能，以消除功率波動，保證機組安全穩定運行，并在隨后的運行過程中不斷根據反饋的壓力信息進行反饋調節。

3 技術改造后效果分析

通過對4號、5號發電機的調速器技術改造，提高了4號、5號發電機及電網運行的安全性、穩定性，確保了機組穩定快速的開停機、并網及增減負荷，保障了機組的安全、經濟、穩定運行。自改造完成至今，無論是在日常運行過程中，還是試驗中，4號、5號發電機調速器都能快速穩定機組負荷，也沒有發生過調速器抽動的現象，目前已取得較為滿意的運行效果。

4 結論

通過將水輪機綜合特性曲線離散化，進行曲線差值，其物理參量以表格形式存入調速器PLC控制器，結合水輪機相似理論基本計算式，建立目標功率、水壓、開度對應關系。當機組出現水力擾動時，根據水壓變化測量的實時壓力信息，調速器通過插值程序，立即得出目標功率對應的開度與開限，控制過程直接、迅速，有效地消除了機組間運行時的水力干擾影響，保證機組和電網的穩定運行，避免了有功越上限和欠發的情況的發生。

后期的運行中、試驗中，將進一步收集數據、積累資料，將此方法推廣至受同類問題困擾的機組運行調度過程中，以提高發電過程中的穩定性。