某水電廠甩負荷保廠用電控制策略優化

王斌，畢智偉，陳智軍，付亮，譚新奇

(1.湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南長沙410004；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

0 引言

廠用電在水電廠中的作用十分重大,汛期雷暴天氣多發,因雷擊導致全廠停電時若備用電源(柴油發電機等)故障或操作不及時很有可能導致水淹廠房或漫壩的風險。某水電廠自投產以來,輸電線路因雷擊導致跳閘的情況時有發生,勵磁系統升級改造后增加V/Hz限制保護功能,經常發生甩負荷后低頻保護動作機組停機事故,造成過頻保廠用電失敗[1-3]。尤其在 “無人值班,少人值守”的情況下一但發生線路跳閘,機組全停后廠用電消失,人員難以保證在短時間內處理防汛、發電、恢復送電等緊急事件。為深入研究甩負荷保廠用電控制措施,對某水電廠保護投入前的實測機組及調速器在甩負荷下的動作特性進行分析[4-5],研究甩負荷保廠用電約束條件與控制策略,開展相應現場試驗,優化控制邏輯,解決該水電廠甩負荷保廠用電的主要問題[6-8]。

1 歷史甩負荷數據分析

在勵磁系統改造前,6號機組甩10 MW負荷過程中出現44.2 Hz,如果此時投入V/Hz限制[9]保護動作,當頻率值低于45 Hz時勵磁系統將逆變滅磁,不能滿足甩負荷后滅磁開關不跳、維持空載運行的要求。

通過對電廠6號機組相關試驗數據分析,發現影響機組低頻保護動作的原因主要有[10]:

1)導葉開啟時間較長。機組正常開機過程中導葉開至第一空載開度為一段開機速度[11](導葉開啟速度為3.5%/s),導葉開度從0～28%用時8 s,開機時間過長將導致機組在甩負荷后頻率出現快速降低的情況。

2)調速器空載參數設置不合理導致頻率下降較快[12]。機組甩10 MW負荷,甩負荷前導葉開度為68%,導葉從68%關至拐點57%用時0.8 s(快關速度為13.75%/s),從57%關至0用時16.6 s(慢關速度為3.43%/s,其中最高轉速發生在開度為34%時,最高頻率66.255 Hz)；導葉在機組頻率下降至 49.3 Hz時導葉開啟 (開啟速度為3.42%/s),機組最低頻率44.2 Hz發生在導葉開啟過程中 (導葉開度為15%),導葉在達到25%開限時頻率為44.9 Hz,8 s后機組達到額定頻率。

通過以上數據分析,首先該混流式機組轉動慣量為340 t·m2,甩負荷后由于轉動慣量較小,加之開機時間過長,將出現甩負荷后機組頻率下降較快而上升較慢的現象；其次甩負荷后機組頻率降至49.3 Hz時導葉才開啟,這直接影響頻率最低值。最終確認優化方案為加快開機速度和提前導葉開啟時間。

2 AGC控制策略優化

2.1 關機時間校核

導葉關閉采用分段關閉[13],在緊急停機動作情況下,導葉關閉時間為21.09 s,其中第一段為2.86 s,拐點為57.8%,第二段為18.23 s。滿足該電廠調保計算說明書關于關機時間設定的要求。

2.2 開機邏輯優化

該機組調速器由插裝閥和比例閥協調配合控制導葉開啟和關閉[14-15]。其中插裝閥過流量較大,可實現導葉快速動作,在大開度調節過程中可快速達到目標值要求,比例閥開機速度較慢 (手動動作比例閥開導葉速度為4.56%/s)。原開機規律為比例閥單獨動作,由于比例閥流量限制,開機時間較長；為了達到快速平穩開機的目的,現場決定采用兩段式開機規律:即在導葉開啟初期插裝閥和比例閥同時動作,在開度到達一定值時采用比例閥進行微調,這樣的開機規律既滿足了快速開機的要求,又保證了機組穩定性和安全性。

對優化后的規律進行測試:模擬調速器開機令,導葉正常開至啟動開度。最終對導葉開機過程速度進行調整,其中第一段速度調整為5.80%/s,第二段為3.44%/s,開機時間為5 s,比優化前提高了3 s。

2.3 甩負荷過程中的導葉開啟時間優化

在甩負荷后機組頻率降至49.3 Hz時導葉才開啟,頻率降低過快至V/Hz限制保護動作值時將啟動停機流程。為了加快系統的響應速度,對微分參數進行調整,使偏差信號值變得太大之前引入一個早期修正信號,從而加快系統的響應速度,減小調節時間,避免機組頻率快速降低。現場經過多次模擬仿真試驗,最終確定將調速器空載參數微分項由2調整至5。

在模擬機組并網狀態下,斷開斷路器合閘信號,導葉能迅速關閉至空載開度以下；同時模擬頻率下降過程,導葉在模擬機頻以2 Hz/s速度下降至54 Hz時導葉再次開啟 (導葉開啟時間提前),導葉開啟速度先快后慢,模擬甩負荷過程正常。此時能夠滿足甩負荷后不停機要求。

3 試驗驗證

電氣過速動作值設計為155%額定轉速,機械過速動作值為160%額定轉速。但機組機械過速裝置整定值為150%額定轉速,決定將電氣過速動作值設定為150%額定轉速。考慮甩額定負荷機組可能出現電氣過速或機械過速動作事故停機,決定進行11 MW甩負荷試驗驗證調整后的邏輯是否滿足要求。

甩負荷試驗時,上游水位為249.25 m,下游水位為196.37 m,水頭為52.88 m,蝸殼測點高程為197.1 m,尾水管測點高程為190.4 m,水輪機安裝高程為192.8 m。

甩11 MW負荷時,甩負荷前導葉開度為66.67%；甩負荷過程中機組頻率最大值為70.045 Hz,頻率上升率為40.090%,導葉在機組頻率下降至50.41 Hz時導葉開啟,最小頻率為47.494 Hz。甩負荷蝸殼進口水壓值為486.704 kPa,甩負荷過程中蝸殼進口水壓最大值為570.103 kPa。甩負荷前尾水管進口水壓值為46.608 kPa,甩負荷過程中尾水管進口水壓升高至82.083 kPa,試驗曲線如圖1所示。甩負荷過程頻率最低值未達到V/Hz限制保護動作值45 Hz,水壓及轉速滿足相關要求。

圖1 甩11 MW負荷曲線圖

4 結語

通過對該廠甩負荷保廠用電的策略優化研究,采取調整開機規律和提前開啟導葉開啟相結合的方法,解決了甩負荷后緊急事故停機的問題,確保了電網大面積停電及水電廠機組甩負荷時迅速、有序的處理以及快速恢復廠用電,并可實現對電網送電,最大程度降低電網停電造成的損失。

現場機械過速和電氣過速整定值為150%額定轉速,低于調保計算轉速要求,建議按照設計值對機械過速和電氣過速值重新進行整定。在整定完成后進行甩額定負荷試驗,驗證機組甩負荷過渡過程是否滿足調保計算要求,以保障機組的安全運行。

建議電廠制定異常甩負荷后機組帶廠用電的應急處置方案并進行演練,確保事故發生時能快速響應。