張中亞，田紅彬，張國(guó)勛，田亞君，宋 揚(yáng)

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軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行的研究

張中亞1，田紅彬2，張國(guó)勛1，田亞君1，宋 揚(yáng)1

(1. 天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所有限公司，天津300180；2. 河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南鄭州450046）

剛果（布）國(guó)家電網(wǎng)陳舊，而且系統(tǒng)負(fù)荷主要集中在離英布魯電站300多公里的首都布拉柴維爾，剛果英布魯電站軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組的槳葉協(xié)聯(lián)在孤網(wǎng)系統(tǒng)中嚴(yán)重影響了系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。通過(guò)優(yōu)化PID調(diào)節(jié)參數(shù)，并改變槳葉的調(diào)節(jié)規(guī)律，使調(diào)速器既能保證聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行平穩(wěn)，又可以滿(mǎn)足孤網(wǎng)運(yùn)行要求。

調(diào)速器；孤網(wǎng)；槳葉；協(xié)聯(lián)；剛果英布魯電站

0 前言

剛果（布）英布魯水電樞紐工程位于剛果河支流萊菲尼河下游，距剛果河匯合口14km，距首都布拉柴維爾215km。英布魯水電站承擔(dān)剛果電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和骨干電站作用?？値?kù)容為5.84×108m3，廠房安裝哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組四臺(tái)，單機(jī)容量30MW，總?cè)萘?20MW，年發(fā)電量6.85億kW·h。剛果電網(wǎng)不需要電站承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)時(shí)，電站在正常蓄水位308.50m運(yùn)行；當(dāng)剛果電網(wǎng)需要電站承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)時(shí)，電站的運(yùn)行水位在308.20m至正常蓄水位308.50m之間。

英布魯電站建成以前，剛果(布)的電力需求主要依靠從剛果（金）進(jìn)口來(lái)滿(mǎn)足，英布魯電站的建成不但滿(mǎn)足了本國(guó)的電力需求，而且還可以把剩余電力出口到剛果（金）。剛果（布）政府出于國(guó)家能源安全的戰(zhàn)略考慮，要求英布魯電站必須具備孤網(wǎng)運(yùn)行的能力。但是，剛果（布）國(guó)家電網(wǎng)陳舊，而且系統(tǒng)負(fù)荷主要集中在離英布魯電站300多公里（電力系統(tǒng)輸變電線路距離）的首都布拉柴維爾，這種電源點(diǎn)和負(fù)載點(diǎn)分別位于線路兩端的長(zhǎng)線路系統(tǒng)是比較容易產(chǎn)生震蕩的電力系統(tǒng)。

1 孤網(wǎng)試驗(yàn)過(guò)程

第一步：孤網(wǎng)試驗(yàn)之前，剛果（金）國(guó)家電網(wǎng)與剛果（布）國(guó)家電網(wǎng)是聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的。首先，將剛果（布）電力系統(tǒng)中各變電站的負(fù)荷按照先大后小的順序逐步甩掉，當(dāng)剛果（金）國(guó)家電網(wǎng)與剛果（布）國(guó)家電網(wǎng)之間的負(fù)載潮流為零時(shí)，剛果（布）國(guó)家電網(wǎng)與剛果（金）國(guó)家電網(wǎng)解列，由英布魯電站帶剛果（布）國(guó)家電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。然后，繼續(xù)逐步甩掉全部系統(tǒng)負(fù)荷，英布魯電站機(jī)組全部停機(jī)。

第二步：?jiǎn)?dòng)英布魯電站的一臺(tái)機(jī)組，發(fā)電機(jī)零起升壓并以30%額定電壓充全線路，然后逐漸建立起正常的系統(tǒng)電壓。

第三步：根據(jù)負(fù)荷先小后大的原則，逐步將各變電站的負(fù)荷突加在孤網(wǎng)系統(tǒng)中。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷達(dá)到70%機(jī)組額定負(fù)荷時(shí)再啟動(dòng)第二臺(tái)機(jī)組，以此直至將四臺(tái)機(jī)組全部開(kāi)啟，所帶負(fù)荷約100MW。

2 槳葉協(xié)聯(lián)對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行的影響

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)槳葉的轉(zhuǎn)角根據(jù)導(dǎo)葉開(kāi)度和水頭的變化而變化，這種協(xié)聯(lián)關(guān)系可以有效提高水輪機(jī)的效率，因此，在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)多有應(yīng)用。然而對(duì)于孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)而言，導(dǎo)葉的快速調(diào)整可以很快地穩(wěn)定系統(tǒng)頻率，但是槳葉總是滯后于導(dǎo)葉，槳葉轉(zhuǎn)角的任何變化都將引起機(jī)組出力的波動(dòng)，打亂了導(dǎo)葉已經(jīng)調(diào)好的系統(tǒng)頻率，引起頻率的振蕩。剛果（布）英布魯電站與剛果（金）組網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)速器投入?yún)f(xié)聯(lián)，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)；孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)速器退出協(xié)聯(lián)功能，機(jī)組定槳運(yùn)行的頻率調(diào)節(jié)效果良好如圖1所示，系統(tǒng)頻率比組網(wǎng)時(shí)還穩(wěn)定。但是，如果調(diào)速器在孤網(wǎng)狀態(tài)下投入?yún)f(xié)聯(lián)功能，一旦系統(tǒng)負(fù)荷有較大波動(dòng)，系統(tǒng)頻率就會(huì)長(zhǎng)時(shí)間振蕩，不易收斂。

圖1 定槳調(diào)節(jié)

3 解決方案

3.1 選擇最優(yōu)PID參數(shù)

調(diào)速器可以保證機(jī)組的空載及甩負(fù)荷后的穩(wěn)定性，但由于孤網(wǎng)中突變負(fù)荷量（含突增和突減負(fù)荷）與機(jī)組功率的比值相對(duì)較大，負(fù)荷隨機(jī)性突變的次數(shù)較多，容易造成運(yùn)行中頻率波動(dòng)峰值過(guò)大，引起過(guò)速或低頻停機(jī)。所以，必須通過(guò)空載擾動(dòng)試驗(yàn)，選擇調(diào)速器最優(yōu)PID運(yùn)行參數(shù)，才能應(yīng)對(duì)最?lèi)毫拥耐话l(fā)狀況。圖2是K=1.4，K=0.2，K=0.5時(shí)上擾和下擾4Hz的波形。

3.2 降低調(diào)節(jié)速度

既然剛果（布）英布魯電站定槳孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)頻率調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，我們通過(guò)延長(zhǎng)槳葉調(diào)整時(shí)間讓槳葉緩慢調(diào)節(jié)，相當(dāng)于定槳運(yùn)行，有效降低了槳葉調(diào)整時(shí)對(duì)頻率的干擾沖擊。圖3是孤網(wǎng)系統(tǒng)突增6MW負(fù)荷時(shí)的波形圖。

3.3 分頻率段調(diào)節(jié)

通過(guò)延長(zhǎng)槳葉調(diào)整時(shí)間，雖然可以降低槳葉對(duì)系統(tǒng)頻率的擾動(dòng)，但是在系統(tǒng)大負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，不利于頻率的快速調(diào)整。

為了適應(yīng)機(jī)組甩負(fù)荷或系統(tǒng)大負(fù)荷波動(dòng)時(shí)的調(diào)節(jié)工況，當(dāng)頻率大于51.5Hz或小于49Hz時(shí)槳葉按照原來(lái)的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角進(jìn)行調(diào)整，使機(jī)組快速平穩(wěn)調(diào)節(jié)到空載狀態(tài)。當(dāng)頻率在49~51.5Hz范圍內(nèi)時(shí)，調(diào)速器通過(guò)軟件減小步進(jìn)電機(jī)的最大旋轉(zhuǎn)角度，延緩槳葉的調(diào)整速度，以適應(yīng)孤網(wǎng)正常負(fù)荷投退引起的頻率波動(dòng)。

圖2 空載擾動(dòng)

圖3 突增6MW負(fù)荷

3.4 多步幅優(yōu)化調(diào)節(jié)

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)修改軟件讓槳葉在頻率大范圍波動(dòng)時(shí)的某個(gè)頻率波動(dòng)范圍內(nèi)（如50±0.3Hz）暫時(shí)不調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)延時(shí)，等待頻率穩(wěn)定后再進(jìn)行槳葉調(diào)節(jié)。這樣，槳葉就可以調(diào)一下等待頻率穩(wěn)定后再調(diào)一下，分為若干較小的步幅到達(dá)目標(biāo)值，既避免了槳葉調(diào)整引起頻率振蕩，又可以控制水輪機(jī)高效率運(yùn)行。圖4是調(diào)速器軟件優(yōu)化調(diào)節(jié)后的突減6MW負(fù)荷波形圖。

剛果（布）當(dāng)?shù)貢r(shí)間2012年3月3日15:26，只有英布魯電站三臺(tái)機(jī)組帶剛果（布）國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)有功負(fù)荷突降39MW（由72.82MW降至33.33MW，降幅遠(yuǎn)超過(guò)原計(jì)劃的10%），機(jī)組能夠快速調(diào)整，恢復(fù)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，說(shuō)明調(diào)速器調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，在電網(wǎng)出現(xiàn)較大擾動(dòng)的情況下，英布魯水電站能夠維持孤網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)這次事件證明，英布魯水電站完全具備在調(diào)速器協(xié)聯(lián)投入的情況下抵御較大的電網(wǎng)擾動(dòng)及獨(dú)立承擔(dān)剛果電網(wǎng)負(fù)荷并穩(wěn)定運(yùn)行的能力。剛果（布）重大工程委員會(huì)也代表剛果政府對(duì)此給予了高度評(píng)價(jià)。

圖4 突減6WM負(fù)荷

4 結(jié)論

剛果（布）英布魯電站孤網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)是一次少見(jiàn)的大中型水電站孤網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)，它的試驗(yàn)成功為以后大中型電站孤網(wǎng)運(yùn)行積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。孤網(wǎng)系統(tǒng)需要調(diào)速器具有良好的PID調(diào)節(jié)性能，同時(shí)，通過(guò)改變槳葉協(xié)聯(lián)的調(diào)節(jié)規(guī)律，優(yōu)化調(diào)節(jié)模式，可以很好地解決軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組的槳葉協(xié)聯(lián)給長(zhǎng)線路孤網(wǎng)系統(tǒng)帶來(lái)的擾動(dòng)問(wèn)題，經(jīng)電站突增負(fù)荷、突減負(fù)荷、甩負(fù)荷等試驗(yàn)和運(yùn)行證明調(diào)速器控制軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組既可以聯(lián)網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行，又能滿(mǎn)足孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行要求。

[1] 魏守平. 水輪機(jī)控制工程[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社, 2005.

[2] 孔昭年. 水輪機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算[M]. 武漢：長(zhǎng)江出版社, 2012.

Isolated Net Research of Kaplan Turbine Unit

ZHANG Zhongya1, TIAN Hongbin2, ZHANG Guoxun1, TIAN Yajun1, SONG Yang1

(1. Tianjin Design & Research Institute of Electric Drive CO. LTD. Tianjin, 300180,China;2. Department of Electrical Engineering, Henan Polytechnic, Henan 450046, China)

Congo, Rep national power grid is antiquated, and the system load is mainly concentrated in the capital Brazzaville that is more than 300 kilometers away from Imboulou power station. The blade on cam of Kaplan turbine in Imboulou power station seriously impact on the system frequency stability in isolated system. By optimizing PID regulating parameters and changing the blade adjustment rule, the governor can not only guarantee the operation smooth in grid, but also meet the operation requirements of isolated grid.

governor; isolated net; blade; on cam; CONGO imboulou power station

TK733+.5

A

1000-3983(2014)02-0074-02

2013-04-20

張中亞(1975-)，男，本科，高工，在天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所有限公司從事水輪機(jī)控制設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)。

審稿人：樸秀日