詹維勇，劉興勝，翟 鵬，馬晨原，彭金寧

（1.華能果多水電有限公司，西藏 昌都854000；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安710061）

果多水電站安裝4臺單機容量為40MW的混流式水輪發(fā)電機組，額定水頭51m，電站保證出力33.54MW，設(shè)計年發(fā)電量8.319億kW·h。電站單機容量約占昌都電網(wǎng)裝機容量17.3%，單機滿發(fā)時的電量（kW·h）約占全網(wǎng)最大日負(fù)荷容量（kW）的70%以上[1，2]，是昌都電網(wǎng)的主力電源點。由于果多水電站單機容量占昌都電網(wǎng)容量比重大，機組的穩(wěn)定運行對電網(wǎng)安全至關(guān)重要。昌都電網(wǎng)通過川藏聯(lián)網(wǎng)向華北電網(wǎng)送電，果多水電站是西藏清潔水電能源向東部輸送的重要工程。由于昌都電網(wǎng)存在與四川電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行和本地電網(wǎng)孤網(wǎng)運行兩種模式，果多電站水輪機調(diào)速器在負(fù)載運行時需要具備聯(lián)網(wǎng)和孤網(wǎng)兩種控制方式，本文著重研究水輪機調(diào)速器孤網(wǎng)/聯(lián)網(wǎng)方式在線穩(wěn)定切換的問題[3-5]。

1 調(diào)速器功率調(diào)節(jié)的主要控制策略及其存在的問題

由于川藏聯(lián)網(wǎng)運行時昌都電網(wǎng)系統(tǒng)頻率波動小于0.05Hz，孤網(wǎng)運行時頻率波動超過0.5Hz。因此，果多水電站水輪機調(diào)速器負(fù)載運行存在聯(lián)網(wǎng)和孤網(wǎng)2種控制方式。這兩種控制方式是針對系統(tǒng)內(nèi)特性發(fā)生重大變化時，為調(diào)速器負(fù)載運行設(shè)計的變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)控制方式。果多水電站聯(lián)網(wǎng)與孤網(wǎng)運行控制參數(shù)見表1，調(diào)速器控制原理框圖如圖1所示，其中虛線部分為調(diào)速器負(fù)載運行程序變結(jié)構(gòu)變參數(shù)部分。

表1 聯(lián)網(wǎng)/孤網(wǎng)方式控制參數(shù)對比

圖1 調(diào)速器原理框圖

1.1 聯(lián)網(wǎng)控制方式

聯(lián)網(wǎng)控制時調(diào)速器處于開度模式，由監(jiān)控系統(tǒng)完成功率閉環(huán)計算。如圖1，調(diào)速器“負(fù)載參數(shù)”部分調(diào)用負(fù)載聯(lián)網(wǎng)參數(shù)計算一次調(diào)頻動作的導(dǎo)葉開度。在電網(wǎng)運行方式由孤網(wǎng)運行變化至聯(lián)網(wǎng)運行時，調(diào)速器可通過手動切換或自動切換進(jìn)入聯(lián)網(wǎng)控制方式。當(dāng)運行人員在監(jiān)控上位機畫面選擇孤網(wǎng)轉(zhuǎn)聯(lián)網(wǎng)按鈕進(jìn)行手動切換或系統(tǒng)頻率波動小于±0.3Hz時，延時30s調(diào)速器自動轉(zhuǎn)入聯(lián)網(wǎng)控制。

1.2 孤網(wǎng)控制方式

昌都電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時系統(tǒng)頻率變化劇烈且頻繁，調(diào)速器在孤網(wǎng)方式時增加了一次調(diào)頻死區(qū)寬度。如圖1，調(diào)速器“負(fù)載參數(shù)”調(diào)用負(fù)載孤網(wǎng)參數(shù)計算一次調(diào)頻動作的導(dǎo)葉開度。因為調(diào)差系數(shù)不變則理論上的調(diào)頻增量不變，調(diào)速器設(shè)置了自動進(jìn)入孤網(wǎng)控制的功能：當(dāng)系統(tǒng)頻率波動大于±5Hz，延時1s后自動轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)控制。

1.3 導(dǎo)葉開度指令計算

導(dǎo)葉開度指令計算：調(diào)速器將功率、頻率調(diào)節(jié)需求的功率量折算為導(dǎo)葉開度變化量，生成導(dǎo)葉附環(huán)的設(shè)定值，如圖1所示。導(dǎo)葉附環(huán)輸出導(dǎo)葉開度增量指令，調(diào)節(jié)器根據(jù)該指令直接調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度。導(dǎo)葉開度指令的計算公式如式1：

式1中：OPCMD導(dǎo)葉開度指令；PGV功率開度設(shè)定值；NLOP空載開度；PIDOUT負(fù)載參數(shù)PID輸出。

1.4 功率開度設(shè)定值計算和切換修正計算

調(diào)速器功率開度設(shè)定值計算回路接收并轉(zhuǎn)換監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的功率脈沖指令，計算出功率開度的設(shè)定值并調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度。調(diào)速器負(fù)載運行時，0.5s的監(jiān)控功率指令脈寬對應(yīng)導(dǎo)葉開度變化1%。若監(jiān)控功率指令脈寬大于2s則調(diào)速器判指令為壞值且不執(zhí)行。為實現(xiàn)導(dǎo)葉手/自動切換時平穩(wěn)無擾，程序在功率開度設(shè)定值計算中設(shè)計了PGV的修正算法，如式2：

式2中：C開度修正值。

開度修正值按照計算永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)的方法，根據(jù)動態(tài)頻差實時計算開度修正值，算法如式3：

式3中：Bp永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)。

1.5 存在問題

（1）導(dǎo)葉由自動切為手動后，導(dǎo)葉開度指令不跟蹤導(dǎo)葉實際開度。

程序通過功率開度設(shè)定值中的修正值，計算當(dāng)前頻率偏差對應(yīng)的導(dǎo)葉開度，用修正值抵消一次調(diào)頻引起的導(dǎo)葉開度指令變化量，而不是令導(dǎo)葉開度指令跟蹤導(dǎo)葉實際開度。

（2）開度修正值在頻差動態(tài)變化中不能始終與負(fù)載參數(shù)PID輸出保持一致。

開度修正直接按照頻差和開度的關(guān)系一次計算完成，而負(fù)載參數(shù)PID輸出要經(jīng)過負(fù)載參數(shù)計算，開度修正與負(fù)載參數(shù)PID通過不同路徑分別計算。因為后者是PID計算值，積分作用造成負(fù)載參數(shù)PID輸出在未達(dá)到穩(wěn)態(tài)時始終滯后于開度修正計算值。由于昌都電網(wǎng)“大機小網(wǎng)”的特殊性，果多電站一次調(diào)頻負(fù)載參數(shù)中的積分系數(shù)Ki較小，造成積分時間較長，致使機組和電網(wǎng)在短時間內(nèi)差值較大，該差值造成導(dǎo)葉切換瞬間的擾動。

（3）負(fù)載參數(shù)PID輸出未達(dá)到穩(wěn)態(tài)時切換，導(dǎo)葉動作方向與一次調(diào)頻規(guī)律相反。

為實現(xiàn)調(diào)速器切換時無擾動，程序通過功率開度設(shè)定值計算對導(dǎo)葉開度指令進(jìn)行修正。將式2代入式1：

式4中：OPCMD＇導(dǎo)葉開度指令舊值。

由式4，當(dāng)頻差進(jìn)入穩(wěn)態(tài)或頻差小于一次調(diào)頻死區(qū)時，負(fù)載參數(shù)PID輸出等于開度修正值，則切換時無擾動。若切換時頻率大于死區(qū)且負(fù)載參數(shù)PID輸出未達(dá)到頻差對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值時，由于開度修正值的絕對值大于負(fù)載參數(shù)PID輸出的絕對值，導(dǎo)葉動作方向與一次調(diào)頻動作規(guī)律相反，即頻差高時切換導(dǎo)葉開大，頻差低時切換導(dǎo)葉關(guān)小。同理，調(diào)速器在手動/自動切換，A/B套切換，開度/功率模式切換等容錯切換過程中均存在上述風(fēng)險。

（4）孤網(wǎng)與聯(lián)網(wǎng)控制方式切換中的風(fēng)險。

聯(lián)網(wǎng)控制方式的一次調(diào)頻死區(qū)小于孤網(wǎng)方式，且機組由孤網(wǎng)轉(zhuǎn)聯(lián)網(wǎng)可由運行人員無條件手動切換，故存在方式切換后導(dǎo)葉開度隨頻差同向動作的可能。由于該電站機組在電網(wǎng)中所占比重較大，機組功率變化對系統(tǒng)頻率影響明顯，調(diào)頻的反向動作可能快速惡化系統(tǒng)頻率。

1.6 調(diào)試中導(dǎo)葉在手/自動切換時的異常動作

果多電站機組在調(diào)試運行階段發(fā)現(xiàn)調(diào)速器在頻差大于一次調(diào)頻死區(qū)時進(jìn)行手/自動切換導(dǎo)葉出現(xiàn)異常動作，造成機組對一次調(diào)頻出現(xiàn)反向調(diào)節(jié)，如圖2所示。

圖2 機組導(dǎo)葉在手/自動切換時的異常動作

由圖2可看出：

17：43：37：040 機組導(dǎo)葉在手動，退出全廠 AGC，機組頻率f=49.80Hz，導(dǎo)葉開度Y=43.82%；

17：45：58.592 機組孤網(wǎng)模式投入，機組頻率f=50.11Hz，導(dǎo)葉開度Y=43.78%；

17：47：39.747機組頻率f=50.12Hz，導(dǎo)葉切自動，導(dǎo)葉開度由Y=43.77%下降至37.68%；

17：51：44.770 導(dǎo)葉切手動，轉(zhuǎn)聯(lián)網(wǎng)模式，手動加負(fù)荷由14.5MW至18MW。

由于一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置為零，導(dǎo)葉動作幅度滿足一次調(diào)頻規(guī)律，但動作方向與一次調(diào)頻規(guī)律相反，且動作速率較正常速率要快。

2 控制難點及優(yōu)化

圖2的異常現(xiàn)象造成系統(tǒng)頻率在約9s內(nèi)下降了1.3Hz，果多電站特殊的機網(wǎng)關(guān)系決定了在該系統(tǒng)控制中應(yīng)保證機組正常運行對電網(wǎng)的擾動較小。所以調(diào)速器程序必須實現(xiàn)手/自動無擾切換。為此提出了以下的解決方案。

2.1 方案一

為了解決原方案中修正計算值C和PIDOUT的輸出不能實時相等的問題，這里對開度修正值增加PIDOUT的修正項，則開度修正值變?yōu)槭?：

式5中：PIDOUT項只在手/自動切換中消除負(fù)載參數(shù)PID的作用。

2.2 方案二

增加導(dǎo)葉開度指令跟蹤回路、頻率跟蹤回路和功率開度設(shè)定值跟蹤回路，優(yōu)化后調(diào)速器原理框圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的調(diào)速器原理框圖

調(diào)速器由自動切換為手動方式運行后，切換開關(guān)SW1保持使能動作狀態(tài)，直到切換回自動方式運行為止。導(dǎo)葉開度指令迅速跟蹤開度反饋。頻差計算暫停，負(fù)載參數(shù)PID輸出歸零。防止遠(yuǎn)方指令影響功率開度，設(shè)定PGV處于自保持跟蹤狀態(tài)。

為實現(xiàn)調(diào)速器程序在大小網(wǎng)切換，A/B套切換，開度與功率模式切換時均滿足無擾要求，故在上述切換過程中令SW1使能5s。

3 優(yōu)化后的效果

使用MATLAB仿真，對優(yōu)化方案一和二的結(jié)果進(jìn)行對比。

3.1 聯(lián)網(wǎng)運行手/自動切換的對比

模擬機組在聯(lián)網(wǎng)方式下運行，頻率偏差為-0.3Hz時，進(jìn)行手/自動切換。圖4為導(dǎo)葉動作規(guī)律和機組功率變化的仿真過程。

圖4 聯(lián)網(wǎng)方式下手自動切換

由圖4可以看出，兩種方案下機組響應(yīng)頻率變化方向正確，穩(wěn)態(tài)時都能達(dá)到理論計算的一次調(diào)頻的最大負(fù)荷調(diào)整幅度。但是二者的動態(tài)過程區(qū)別明顯：方案一，導(dǎo)葉動作速率明顯較快，大于一次調(diào)頻的正常動作速率，功率反調(diào)較明顯；方案二作用下機組響應(yīng)一次調(diào)頻的速率正常。

這是由于方案一在修正時沒有考慮負(fù)載參數(shù)PID對切換結(jié)束后一次調(diào)頻的影響，導(dǎo)葉的動作速度僅受導(dǎo)葉開度副環(huán)和液壓系統(tǒng)速率限制，故其速率較正常一次調(diào)頻的速率要快。

3.2 大機小網(wǎng)系統(tǒng)方案對比

圖5、6是在電網(wǎng)負(fù)荷較小時對測試機組模擬系統(tǒng)頻率大于死區(qū)0.2Hz，機組導(dǎo)葉在兩種方案下的動作規(guī)律及對系統(tǒng)頻率和同網(wǎng)內(nèi)其他機組的影響。

圖5 方案一在大機小網(wǎng)中的仿真

圖6 方案二在大機小網(wǎng)中的仿真

由圖5，6可以看出，被測試機組在電網(wǎng)中占比較大，其功率變化對系統(tǒng)頻率影響明顯。當(dāng)導(dǎo)葉開始關(guān)閉，系統(tǒng)頻率隨被測試機組負(fù)荷減小迅速下降，同網(wǎng)機組在一次調(diào)頻作用下迅速增大機組出力，系統(tǒng)頻率在波動數(shù)次后逐漸穩(wěn)定在較的低頻率位置，隨后在AGC作用下系統(tǒng)頻率逐漸上升，重新恢復(fù)到額定值附近。

圖5中由于導(dǎo)葉僅在導(dǎo)葉開度附環(huán)作用下關(guān)閉速度較快，系統(tǒng)頻率下降深度大于圖6。圖6中同網(wǎng)內(nèi)機組一次調(diào)頻動作更加劇烈。一次調(diào)頻動作猛烈對同網(wǎng)內(nèi)參與調(diào)頻機組的液壓系統(tǒng)造成較大壓力，若同網(wǎng)內(nèi)調(diào)頻機組調(diào)速液壓系統(tǒng)失壓將造成同網(wǎng)內(nèi)參與調(diào)頻機組跳閘，或引起事故擴大。

4 結(jié)論

本文基于水電站調(diào)速器導(dǎo)葉手/自動切換中的異常動作的問題，提出2種優(yōu)化的控制方案，并通過仿真對比進(jìn)行可行性分析。通過仿真測試，兩種方案均能解決機組導(dǎo)葉在手/自動切換時的異常動作問題，但調(diào)節(jié)效果略有差別。

通過分析得知：方案一的實現(xiàn)方法更為簡單，但存在應(yīng)用于“大機小網(wǎng)”中由于負(fù)荷大幅度波動而影響鄰機一次調(diào)頻正常動作的風(fēng)險。方案二通過更改調(diào)節(jié)模型結(jié)構(gòu)，使機組在聯(lián)網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)換；功率模式、開度模式轉(zhuǎn)換；手/自動等模式切換過程中功能可正常實現(xiàn)，提高了機組模式切換的穩(wěn)定性，對機組安全穩(wěn)定運行提供了保障。