提升水輪機調速器機網協調能力的技術研究

蔡衛江

（南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司，江蘇 南京211106）

近年來，隨著我國裝機規模的日益增長，電網規模不斷擴大，電網建設得到了快速發展，電網結構也發生了很大變化，一是三峽、瀾滄江、雅礱江流域等巨型水電站群，大多采用特高壓直流方式輸送到廣東、華東地區，西南電網將通過特高壓直流與四川、云南等交流主網形成異步聯網方式，存在聯網/孤島運行方式變化，給電網的安全穩定控制帶來新的問題[1]。二是西南地區如云南四川水電占比較高，截止2017年3月，四川水電裝機超過全省裝機的80%，云南水電占全省裝機的70%。水電站引水系統的“水錘效應”帶來的負阻尼將顯著改變現有電網穩定特性，嚴重時將引起電網頻率的低頻振蕩[2]。最后隨著近期西藏雅魯藏布江水電的開發，一大批大型水電站如藏木、加查、大古等相繼開發和投運，而西藏電網容量較小，存在“大機小網”運行工況。另外我國調速器產品已相繼走出國門，在東南亞、非洲等大型電站獲得了廣泛應用，這些地區與西藏電網類似，同樣存在小網運行工況，此外還有雷擊等事故造成的機組遠方線路跳閘，機組帶廠用電或當地較小負荷情況，均需要考慮調速器的特殊控制策略[3]。

目前水輪機調速器的控制策略還不能滿足電網新的變化，如2016年5月南方電網開展云南異步聯網整體試驗，在進行異步后系統小擾動試驗期間，電網出現頻率波動，范圍在49.9～50.1Hz之間，后采取退AGC、退出各大水電廠一次調頻才穩定下來。2012年，錦蘇直流孤島試驗中也出現頻率異常波動現象，波動周期約14s，幅度達到±0.25Hz[4]。2015年1月，藏中電網系統頻率、電壓出現異常波動，頻率最高波動到52.24Hz，最低到47.63Hz，藏木1號機、2號機出現導葉來回抽動油壓持續下降現象，造成兩臺機事故低油壓保護動作跳機。

以上電網結構的變化以及發生的一系列安全穩定問題，迫切需要從提升水輪機調速器機網協調能力方面來研究相應的對策。

1 調速器控制模式改進研究

目前，水電機組調速器的控制方式主要有3種：頻率模式、功率模式和開度模式，頻率模式主要適用于機組空載運行或帶較小負荷（如廠用電）運行，開度模式和功率模式主要適用于機組并網運行，一般主要考慮大電網（聯網）運行方式，3種模式下調速器的PID調節參數一般也不相同。以上的控制模式主要適用于大型同步電網，但近年來隨著電網結構變化，異步聯網、直流孤島、區域小網模式的出現，水輪機調速器面臨異步聯網的切換、直流孤島運行、孤立電網運行等新情況，常規的3種調節模式已經難以適應電網各種運行情況的控制，甚至成為高占比水電異步電網超低頻振蕩的誘因，必須研究新環境下調速器針對異步聯網、直流孤島、孤網運行模式的準確識別、參數優化及切換策略。

為應對超低頻率振蕩，根據電網同步、異步聯網轉換的實際需求，本文提出了靈活適應電網形態的的調速系統多模式切換控制原則。控制策略核心是新增一個適應電網異步聯網形態的小網模式，并啟用孤網模式。大網、小網、孤網3個模式實現在線無擾靈活切換。各模式功能定位如下：

（1）大網模式：交流同步聯網使用，可有條件切換至孤網模式；

（2）小網模式：直流異步聯網或“大機小網”使用，可有條件切換至孤網模式；

（3）孤網模式：適應機組帶地區小電網或廠用電運行的模式。

各模式之間的轉換條件如圖1所示：

圖1 調速器運行模式切換及參數配置示意圖

各模式之間的切換主要有2種情況，一是通過外部輸入指令判斷，主要指遠方各斷路器位置信號，或安穩控制裝置給出的“直流孤島”、“聯網”、“雙極閉鎖”等信號。還有一種是調速器根據頻率、有功自動判斷。目前常用的自動判別方法主要以頻率偏差為依據，在此基礎上，增加有功功率作為輔助判斷。當機組處于并網工況，但系統頻率檢測超過50±0.5Hz（可修改），機組有功大于10%額定時（可修改），延時1s，調速器轉換到小網工況，當頻率超過50±0.5Hz，有功小于10%額定時，延時1s，調速器轉換到孤網工況。小網或孤網切換回大網的判斷：可以通過一段時間內（一般3min）檢測頻率是否一直在該范圍內來判斷，但考慮到測頻信號毛刺的影響，本文采用了一定的濾波算法，頻率每20ms檢測一次，3min內頻率的測量值共9000點，若超過80%的數據點均在49.9～50.1Hz范圍內（本文稱為頻率概率統計法），則判斷機組已經回到大網工況。

2 調速系統參數優化

水輪機調速器調節原理框圖參見圖2，主要調節參數包括比例、積分、微分增益、頻率死區、功率死區、開度限制、調差率等，“孤網”、“小網”、“聯網”模式下的調節參數均有不同，需要進行準確識別和參數切換，每種運行工況下還要考慮參數的優化問題。

圖2 水輪機調速系統調節原理框圖

針對機組聯網、小網、孤網不同運行工況，對調速器控制要求較高，需要研究調速器調差率、頻率死區、PID調節參數變化、開度（功率）上下限設置等問題，并考慮上述因素之間的配合和優化。如圖2所示，聯網工況下，主要考慮2種工況，一種是開度模式，一種是功率模式，其人工頻率死區（一般要求為 0.05Hz）、調差率（一般要求為 4%）、功率限幅均按系統要求設置，其PID調節參數一般通過現場試驗來整定，主要是通過一次調頻試驗，頻率階躍擾動，考核調速器的反應時間、調節時間及穩定時間是否滿足并網導則要求，功率模式下，還需要進行負荷擾動試驗，通過負荷階躍擾動，考核功率調節時間，超調量等來確定，功率調節死區一般設置為0.5%～1%。

小網模式下，最理想的方式就是現場試驗確定，但由于涉及的范圍較廣，波及電網、機組、控制設備等，現場難以實施。也可以通過仿真建模分析，但由于建模需要較精確的現場數據，一般很難完全獲取，需要估算，優化出的參數也難以準確。目前較簡單的方法就是根據現場經驗確定?？梢砸罁C組負載和空載參數，參照工程經驗來初步確認，主要是比例和積分，該參數的特點是比空載大，但比負載參數小，另外頻率死區的選擇也很重要，一般孤網模式下，死區比聯網模式要大0.1～0.2Hz，調差系數一般設置為1%。為了防止機組進相，轉入孤島模式后還應設置最小開度限制，該經驗參數還需要經過現場運行考驗。

孤網工況下，目前主要指帶廠用電或地區小負荷，一般按空載工況考慮，可以考慮采用空載頻率擾動試驗確定的PID調節參數，人工頻率死區和調差系數可以設置為零，開度限制可以考慮為空載開度的2倍左右。

3 調速器機網協控制技術研究

3.1 水錘效應的抑制和改善

“水錘效應”是指水輪機調節過程中由于水流慣性，使得引水系統壓力反向變化，導致發電機有功功率反向調節的現象，由于水電機組水流慣性時間常數難以在短時間內改變，水輪機綜合調節系數e值與水輪機運行工況緊密相關，也難以控制[5]。水電機組快速帶大負荷過程中如何既可以減少甚至避免功率反調，同時又可以保證帶負荷的速動性，可以從優化導葉關閉速率為切入點，開展調速系統的控制策略優化。研究導葉關閉規律采用“慢-快-慢”的柔性控制方式，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的可行性。

基于減小“水錘效應”的分段變速率調速控制技術，相比于當前實際機組的運行控制策略，該研究的“分段變速率調速控制”具有更多的“柔性調節”（圖3）。通過變速率控制，有效減小機組快速開啟、關閉導葉過程帶來的較為明顯的“水錘效應”。主要策略如下：若導葉處于穩態（動作速率小于某值），當導葉給定與反饋偏差突然變大時，投入柔性控制（限制導葉給定變化速率），延時一段時間退出，導葉則以正常速度開啟（關閉）。

圖3 導葉柔性控制示意圖

目前國內主要調速器廠家已開展這方面研究，已經開始局部工程應用。

3.2 調速器GPSS控制

開展水輪發電機組的穩定控制研究對于提高電力系統的穩定性具有重要的意義，同步發電機組裝設GPSS是改善電力系統穩定性的簡單而有效的措施之一。針對電力系統的穩定控制，目前主要是在發電機的勵磁控制裝設電力系統穩定器PSS，這種控制方式保留了以發電機機端電壓為輸入的控制器，此外增加了一個發電機轉速或頻率或功率偏差的附加控制，實踐應用已取得了較好的控制效果。參考勵磁系統，PSS也可以裝設在同步發電機的調速系統側，這種PSS簡稱GPSS，GPSS只改變本機組原動機的輸入功率，而不參與系統電磁功率的改變，具有多機解耦特性，從而避免了安裝地點選擇和參數協調的問題，國外曾對水輪機組加裝GPSS進行過現場實驗，得出可以提高機組穩定性的結論。

水輪機調節大多采用PID調節規律，液壓系統則可以簡化為一節慣性環節，其中慣性時間常數為TS，考慮調速器GPSS控制，其模型可以用圖4表示。

圖4 調速器GPSS控制框圖

與勵磁系統類似，GPSS環節由放大環節、超前-滯后環節、隔直環節組成，表述如下：

式中，K-GPSS的增益；T1，T2，T3，T4- 超前，滯后環節的時間常數，單位：s；TW-隔直環節時間常數，單位：s。

已有研究資料表明[6]：水輪發電機組加裝GPSS附加控制，無論對于大小擾動，都能夠很好地改善水電系統的穩定性能。結合其他先進控制技術，無論是對于電網運行工況變化、GPSS自身參數變化、對于擾動強度的大小，還是對于模型的精確程度以及類型都具有較強的魯棒性。

4 現場試驗及測試

2017年7月12日，在北京召開了西南電網水電機組調速系統參數調整方案評審會。確定了水電調速系統參數優化調整技術方案，明確了納入調整范圍的機組調速系統增設小網模式。直流聯網后正常運行在小網模式下，大擾動下可自動切換至孤網模式運行。具體要求如下：

（1）異步后調速系統正常運行基于開度調節的小網模式。

（2）調速一般具備大網、小網、孤網3個調節模式（參數），3個模式具有基本一致的調節框圖；并可由遠方和現地切換。

（3）大網模式及小網模式均可自動和手動方式切換至孤網模式運行，但孤網模式需要設置一定條件自動返回大網或小網模式。

（4）調速系統在孤網模式運行下應可以正常調節機組出力。

（5）監控系統AGC應與調速系統正常頻率調節協調。

（6）水電機組調速系統一次調頻不宜采用在調頻死區附近增大一次調節速度或調節幅度的功能（即“增強型”一次調頻）。已投入增強型一次調頻的應退出運行。

2018年5月開始，中國電科院在西南電網開展了100多臺大型水輪發電機組調速器的模式切換及參數優化試驗。通過現場靜態測試、動態測試、切換試驗等，對大網、小網、孤網模式切換及參數進行了統一確認，確保升級后的機組運行穩定，參數配置合理，對西南電網的安全穩定提供了有力支撐。

5 結語

本文針對近期電網結構發生的變化，如西南電網水電裝機已接近70%，特高壓遠距離直流輸電帶來的異步聯網方式，西藏以及東南亞國家“大機小網”運行工況的出現，以及區域供電等，給電網安全穩定控制帶來的諸多問題。提出了水輪機調速器側的控制策略，包括調速器控制模式改進研究，調速系統參數優化，水錘效應的抑制和改善，調速器GPSS控制，最后給出了現場試驗及測試情況。論文研究表明，采用水電機組調速器機網協調控制策略，可以提高電力系統抑制振蕩的能力，提升電力系統的安全穩定性能。