毛兒蓋水電站調(diào)速系統(tǒng)小網(wǎng)及孤網(wǎng)模式試驗研究

劉 凱，馬曉光，謝 波，羅小晶

（1.四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗所，四川 成都610000；2.中國電力科學研究院，北京100142；3.四川通能電力科技有限公司，四川 成都610000）

1 概述

西南電網(wǎng)和華中電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)后，西南電網(wǎng)負荷規(guī)模相當于華北-華中-西南同步電網(wǎng)的1/6，需通過全面優(yōu)化西南網(wǎng)內(nèi)水電機組調(diào)速器參數(shù)降低西南電網(wǎng)超低頻振蕩風險。根據(jù)相關要求，對異步聯(lián)網(wǎng)后的西南電網(wǎng)主力水電機組提出了技術要求，調(diào)速系統(tǒng)需要在程序升級或改造后完成開度小網(wǎng)模式參數(shù)確認及調(diào)速器孤網(wǎng)調(diào)節(jié)試驗。

毛兒蓋水電站位于四川省阿壩州黑水河中游，裝設3臺單機容量140 MW的混流式水輪機發(fā)電機組，調(diào)速系統(tǒng)生產(chǎn)廠家為東方電機控制設備有限公司，系統(tǒng)改造后開度模式下具備大網(wǎng)參數(shù)、小網(wǎng)參數(shù)和孤網(wǎng)參數(shù)，各模式下參數(shù)獨立配置。其控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結構

2 調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗詳細測試了毛兒蓋電廠3號機組開度小網(wǎng)模式、開度孤網(wǎng)模式各控制參數(shù)，開展了開度小網(wǎng)模式、開度孤網(wǎng)模式下的動態(tài)頻率擾動測試和開度小網(wǎng)模式下的甩負荷試驗等。調(diào)速系統(tǒng)小網(wǎng)模式和孤網(wǎng)模式均是基于開度反饋調(diào)節(jié)的。

2.1 控制參數(shù)校驗

（1）開度小網(wǎng)模式比例環(huán)節(jié)校驗

手動投入開度小網(wǎng)模式，調(diào)速器主要參數(shù)設置為Kp=5，Ki=0，Kd=0，ε=0.00 Hz，bp=0%。用頻率發(fā)生器在機柜測頻端子上加入正弦信號模擬機組轉速，進行0.5 Hz的頻率階躍試驗，使得小網(wǎng)開度模式PID前產(chǎn)生階躍輸入信號，如下頁圖2所示。

圖2 開度小網(wǎng)模式比例環(huán)節(jié)校驗

該值與設置值Kp=5基本一致。

（2）開度小網(wǎng)模式積分環(huán)節(jié)校驗

手動投入開度小網(wǎng)模式，調(diào)速器主要參數(shù)設置為Kp=0，Ki=3，Kd=0，ε=0.00 Hz，bp=0%，用頻率發(fā)生器在機柜測頻端子上加入正弦信號模擬機組轉速，進行0.25 Hz的頻率階躍試驗，使得小網(wǎng)開度模式PID前產(chǎn)生階躍輸入信號，如圖3所示。

圖3 開度小網(wǎng)模式積分環(huán)節(jié)校驗

該值與Ki設置值基本相同。

（3）開度小網(wǎng)模式永態(tài)轉差系數(shù)校驗

手動投入開度小網(wǎng)模式，調(diào)速器主要參數(shù)設置如下：Kp=8，Ki=5，Kd=0，ε=0.00 Hz，bp=4%，用頻率發(fā)生器在機柜測頻端子上加入正弦信號模擬機組轉速，進行0.2 Hz的頻率階躍試驗。錄波結果見圖4。

圖4 開度小網(wǎng)模式永態(tài)轉差系數(shù)校核（bp=4%）

實測結果與bp設置值基本相同。

2.2 遠方及現(xiàn)地大網(wǎng)-小網(wǎng)-孤網(wǎng)切換校驗

（1）現(xiàn)地實現(xiàn)控制模式切換

發(fā)電機并網(wǎng)運行在開度孤網(wǎng)模式。通過調(diào)速器柜屏實現(xiàn)控制模式切換，切換順序為“A套開度大網(wǎng)模式-A套開度小網(wǎng)模式-A套開度孤網(wǎng)模式-A套開度小網(wǎng)模式-A套開度大網(wǎng)模式-A套開度孤網(wǎng)模式-A套開度大網(wǎng)模式-B套開度大網(wǎng)模式-B套開度小網(wǎng)模式-B套開度孤網(wǎng)模式-B套開度小網(wǎng)模式-B套開度大網(wǎng)模式-B套開度孤網(wǎng)模式-B套開度大網(wǎng)模式”，錄波曲線如圖5所示?，F(xiàn)地調(diào)速器柜上可以將上述各模式進行切換，切換過程無異常擾動。

（2）監(jiān)控實現(xiàn)控制模式切換

發(fā)電機并網(wǎng)運行在大網(wǎng)開度模式。通過調(diào)速器柜屏實現(xiàn)控制模式切換，切換順序為“開度大網(wǎng)模式-開度小網(wǎng)模式-開度孤網(wǎng)模式-開度小網(wǎng)模式-開度大網(wǎng)模式-開度孤網(wǎng)模式-開度大網(wǎng)模式”，錄波曲線如圖6所示。

監(jiān)控系統(tǒng)可以將上述各模式進行切換，切換過程無異常擾動。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)控制模式切換功能校核

2.3 調(diào)速系統(tǒng)大網(wǎng)-小網(wǎng)-孤網(wǎng)控制模式切換校驗

（1）開度大網(wǎng)控制模式“頻差+延時”自動切換校驗

調(diào)速器孤網(wǎng)檢測設置：當頻率偏差超出0.5 Hz，延時0.5 s開度大網(wǎng)模式自動切入開度孤網(wǎng)模式，頻率恢復后不自動返回開度大網(wǎng)模式。

發(fā)電機并網(wǎng)運行在大網(wǎng)開度模式，大網(wǎng)參數(shù)設置為Kp=8，Ki=6，Kd=0，bp=4%，ε=0.04 Hz，孤網(wǎng)參數(shù)設置為Kp=3.5，Ki=0.3，Kd=1，bp=1%，ε=0.5 Hz，無限幅，如圖7所示，當頻差達到0.5 Hz，延時0.52 s時，由開度大網(wǎng)模式自動切入開度孤網(wǎng)模式；當頻率恢復為50 Hz后，開度孤網(wǎng)模式?jīng)]有自動切回開度大網(wǎng)模式，機組在開度孤網(wǎng)模式下運行穩(wěn)定。

（2）開度小網(wǎng)控制模式“頻差+延時”自動切換校驗

調(diào)速器孤網(wǎng)檢測設置：當頻率偏差超出0.5 Hz，延時0.5 s開度小網(wǎng)模式自動切入開度孤網(wǎng)模式，頻率恢復后不自動返回開度小網(wǎng)模式。

發(fā)電機并網(wǎng)運行在開度小網(wǎng)模式，小網(wǎng)參數(shù)設置為Kp=4，Ki=0.7，Kd=0，bp=4%，ε=0.04 Hz，孤網(wǎng)參數(shù)設置為Kp=3.5，Ki=0.3，Kd=1，bp=1%，ε=0.5 Hz，無限幅，如圖8所示，當頻差達到0.5 Hz，延時0.51 s時，由開度小網(wǎng)模式自動切入開度孤網(wǎng)模式；當頻率恢復為50 Hz后，開度孤網(wǎng)模式?jīng)]有自動切回開度小網(wǎng)模式，機組在開度孤網(wǎng)模式下運行穩(wěn)定。

圖7 開度大網(wǎng)模式自動切入開度孤網(wǎng)模式且不自動退出孤網(wǎng)功能校核

圖8 開度小網(wǎng)模式自動切入開度孤網(wǎng)模式不退出孤網(wǎng)功能校核

2.4 遠方/現(xiàn)地孤網(wǎng)模式負荷調(diào)整試驗

（1）監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)整負荷

發(fā)電機并網(wǎng)運行在開度孤網(wǎng)模式，通過監(jiān)控系統(tǒng)增減調(diào)整負荷，錄波數(shù)據(jù)如圖9所示。

（2）現(xiàn)地手動調(diào)整負荷

發(fā)電機并網(wǎng)運行在孤網(wǎng)開度模式，通過調(diào)速器屏柜實現(xiàn)增減調(diào)整負荷，錄波數(shù)據(jù)如圖10所示。

2.5 機組動態(tài)試驗

（1）開度小網(wǎng)模式頻率擾動試驗

發(fā)電機并網(wǎng)運行在開度小網(wǎng)模式，調(diào)速系統(tǒng)控制參數(shù)設置為Kp=4，Ki=0.7，Kd=0，ε=0.04 Hz，bp=4%。通過信號發(fā)生器給調(diào)節(jié)系統(tǒng)施加轉速模擬信號，如圖11所示，頻率階躍50-50.14-50 Hz，導葉開度變化量為5.03%，上升時間為85.1 s，調(diào)節(jié)時間為112.9 s，調(diào)速系統(tǒng)在小網(wǎng)參數(shù)下能夠平穩(wěn)、準確的進行頻率調(diào)節(jié)。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)整負荷

圖10 調(diào)速器屏柜調(diào)整負荷

圖11 頻率階躍50-50.14-50 Hz錄波圖

（2）開度孤網(wǎng)模式頻率擾動試驗

發(fā)電機并網(wǎng)運行在開度孤網(wǎng)模式，調(diào)速系統(tǒng)控制參數(shù)設置為Kp=3.5，Ki=0.3，Kd=1，ε=0.00 Hz，bp=1%，無限幅。通過信號發(fā)生器給調(diào)節(jié)系統(tǒng)施加轉速模擬信號，如圖12所示，頻率階躍50-50.15-50 Hz，調(diào)速系統(tǒng)在孤網(wǎng)參數(shù)下能夠平穩(wěn)的進行頻率調(diào)節(jié)。

圖12 頻率階躍50-50.15-50 Hz錄波圖

2.6 一次調(diào)頻限幅校驗

手動投入開度小網(wǎng)模式，通過信號發(fā)生器給調(diào)節(jié)系統(tǒng)施加轉速模擬信號，調(diào)速器主要參數(shù)設置如下：Kp=4，Ki=0.7，Kd=0，ε=0.04 Hz，bp=4%，開度限幅為6%。頻率階躍量為0.24 Hz。錄波結果見圖13。

圖13 開度小網(wǎng)模式一次調(diào)頻限幅校核（0.24 Hz擾動）

在無限幅情況下，導葉在頻率階躍下的動作量為10%開度。根據(jù)錄波結果可得，導葉實際動作量為6%。限幅有效且限制量正確。

2.7 甩25%Pn負荷及孤網(wǎng)自動切換試驗

發(fā)電機帶36 MW負荷運行在開度小網(wǎng)模式，小網(wǎng)參數(shù)設置為Kp=4，Ki=0.7，Kd=0，ε=0.04 Hz，bp=4%，孤網(wǎng)參數(shù)設置為Kp=3.5，Ki=0.3，Kd=1，bp=1%，ε=0.50 Hz，無限幅。跳開主變高壓側斷路器，并且保證發(fā)電機出口斷路器保持閉合，使其與電網(wǎng)斷開后帶廠用電運行。

由圖14可知，調(diào)速器在頻差大于0.5 Hz約0.51 s后切入開度孤網(wǎng)模式運行，機組頻率在4.4 s后達到最大值53.09 Hz，之后逐步恢復到50.1 Hz。試驗中，機組功率、頻率無異常波動，PID輸出和導葉開度動作正常，能夠較好的恢復頻率的穩(wěn)定，機組孤網(wǎng)參數(shù)設置合理，在開度孤網(wǎng)模式下能夠保持穩(wěn)定運行。

圖14 毛兒蓋水電站3號機孤網(wǎng)試驗錄波圖

3 結論

通過對毛兒蓋水電站機組調(diào)速系統(tǒng)開度小網(wǎng)及開度孤網(wǎng)模式試驗驗證，結論如下：

（1）調(diào)速系統(tǒng)小網(wǎng)模式、孤網(wǎng)調(diào)節(jié)模式具有一致的調(diào)節(jié)框圖且可以獨立配置。通過對3號機組靜態(tài)試驗，確定調(diào)速器小網(wǎng)、孤網(wǎng)PID參數(shù)、限幅、永態(tài)轉差系數(shù)測試值與設備廠家現(xiàn)場設置值基本一致。

（2）毛兒蓋水電站可以實現(xiàn)開度大網(wǎng)模式、開度小網(wǎng)模式、開度孤網(wǎng)模式相互之間的遠方、現(xiàn)地的手動切換；可以根據(jù)“頻差+延時”實現(xiàn)自動切換，調(diào)速器由開度大網(wǎng)/小網(wǎng)模式自動切入開度孤網(wǎng)模式后不自動返回開度大網(wǎng)/小網(wǎng)模式。

（3）頻率擾動，負荷調(diào)整以及控制模式切換過程中，機組運行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)未見異常。

（4）毛兒蓋水電站3號機在甩25%負荷（甩負荷后帶廠用電）后調(diào)速系統(tǒng)進入孤網(wǎng)調(diào)節(jié)模式，機組運行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)未現(xiàn)異常。