孔昭年,田忠祿,楊遠(yuǎn)生,王思文(.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 00048;.天津電氣科學(xué)研究院,天津 30030)
水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)按功率一次調(diào)頻時(shí)的不穩(wěn)定現(xiàn)象
孔昭年1,田忠祿1,楊遠(yuǎn)生2,王思文2
(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100048;2.天津電氣科學(xué)研究院,天津 300301)
摘要:國(guó)內(nèi)中小型水電站建設(shè)中,水電站的?已提高達(dá)15~25s,需要研究此時(shí)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在承擔(dān)一次調(diào)頻時(shí)的特點(diǎn)。本文揭示了在以功率為目標(biāo)的一次調(diào)頻時(shí)的不穩(wěn)定現(xiàn)象,以及在調(diào)頻過程中的形態(tài)均與?密切相關(guān)。對(duì)此提出改進(jìn)型的以接力器開度為目標(biāo)的一次調(diào)頻。
關(guān)鍵詞:水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng);一次調(diào)頻;功率控制;開度控制;導(dǎo)葉接力器;不穩(wěn)定現(xiàn)象
近年我國(guó)開發(fā)了不少?zèng)]有調(diào)壓井的長(zhǎng)引水系統(tǒng)的水電站[1],這類水電站已提高達(dá)15~25s,顯然它應(yīng)滿足電力運(yùn)營(yíng)部門合理的技術(shù)要求。電力系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)并網(wǎng)機(jī)組的一次調(diào)頻功能,究其實(shí)質(zhì)是將調(diào)速器自動(dòng)、安全可靠性加以量化,提出要求,加以約束;DL/T1040電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則已頒布執(zhí)行[3]。一次調(diào)頻對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)提出的要求如下:并網(wǎng)機(jī)組均應(yīng)參與一次調(diào)頻;功率永態(tài)調(diào)差系數(shù)=4~5%;人工失靈區(qū)Ef=0.03~-0.03Hz:響應(yīng)特性應(yīng)滿足在頻率變化超過一次調(diào)頻死區(qū)時(shí),機(jī)組應(yīng)在15s內(nèi)響應(yīng)目標(biāo)功率,在45s內(nèi)機(jī)組實(shí)際功率與目標(biāo)功率偏差的平均值應(yīng)在其額定功率的3%~-3%內(nèi),穩(wěn)定實(shí)際小于1min。DL/T1245水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則[4]中,水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻階躍響應(yīng)要求機(jī)組帶負(fù)荷在穩(wěn)定運(yùn)行工況下,對(duì)于有效頻差變化不低于±0.1Hz的頻率階躍擾動(dòng),一次調(diào)頻階躍響應(yīng)過程應(yīng)滿足如下要求之一:
(1)以開度作為響應(yīng)目標(biāo)時(shí),一次調(diào)頻的開度響應(yīng)行為應(yīng)滿足如下要求:
1)自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開始,至接力器開始向目標(biāo)開度變化時(shí)的開度響應(yīng)滯后時(shí)間,應(yīng)不大于2s。
2)自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開始,至接力器位移達(dá)到90%目標(biāo)值的上升時(shí)間,應(yīng)不大于12s。
3)自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開始,至開度調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定,所經(jīng)歷的時(shí)間不大于24s。
(2)以功率作為響應(yīng)目標(biāo)時(shí),一次調(diào)頻的功率響應(yīng)行為應(yīng)滿足如下要求:
1)自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開始,至機(jī)組有功開始向目標(biāo)功率變化時(shí)的功率響應(yīng)滯后時(shí)間,對(duì)于額定水頭50m及以上的水電機(jī)組,不大于4s;對(duì)于額定水頭在50m以下的水電機(jī)組,不大于8s。
2)自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開始,至機(jī)組有功達(dá)到90%目標(biāo)值的上升時(shí)間,應(yīng)不大于15s。
3)自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開始,至功率調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定,所經(jīng)歷的時(shí)間不大于30s。
測(cè)試方法:
a、一次調(diào)頻試驗(yàn)準(zhǔn)備
b、將調(diào)速器切換至手動(dòng),斷開調(diào)速器機(jī)頻測(cè)量端,將頻率信號(hào)源接入調(diào)速器機(jī)頻測(cè)量端,由頻率信號(hào)源輸出額定頻率信號(hào)。
c、調(diào)速器測(cè)頻分辨率和精度校驗(yàn)
在調(diào)速器手動(dòng)狀態(tài)下,逐步改變頻率信號(hào)源輸出頻率,記錄調(diào)速器頻率測(cè)量值,驗(yàn)證測(cè)頻分辨率是否符合DL/T1245第5.1.7的要求,測(cè)頻誤差是否滿足設(shè)計(jì)要求。
d、一次調(diào)頻頻率/轉(zhuǎn)速死區(qū)及永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)校驗(yàn)
參照GB/T9652.2-2007之6.13.2、6.13.3節(jié),DL/T496-2001之4.10.6節(jié)進(jìn)行。
e、一次調(diào)頻頻率階躍擾動(dòng)試驗(yàn)
調(diào)速器在自動(dòng)運(yùn)行方式下,投入一次調(diào)頻功能,機(jī)組帶60%~90%額定負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行,通過信號(hào)源在額定頻率基礎(chǔ)上施加正負(fù)偏差的頻率階躍信號(hào),有效頻率偏差絕對(duì)值應(yīng)不小于0.1Hz,記錄信號(hào)源頻率、主接力器位移、機(jī)組有功等信號(hào)的變化過程。
可以明確看出,前述實(shí)驗(yàn)方法(1)是在接力器帶上負(fù)載后考核經(jīng)典一次調(diào)頻功能;實(shí)驗(yàn)方法(2)及其指標(biāo)絕大部分考核的是水電站機(jī)電設(shè)備固有特性,而不是水輪機(jī)調(diào)速器的自身特性。參照此方法編制響應(yīng)程序開展技術(shù)分析。
有功/開度調(diào)節(jié)過程示意見圖1。
圖1一次調(diào)頻頻率階躍擾動(dòng)時(shí)的機(jī)組有功/開度調(diào)節(jié)過程示意
除水輪機(jī)接力器外,可以通過計(jì)算研究分析水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在功率一次調(diào)頻時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性,以找出規(guī)律判斷是否滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。應(yīng)強(qiáng)調(diào)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生復(fù)雜的電磁現(xiàn)象,很難用簡(jiǎn)單的仿真技術(shù)予以解決,并給以清晰結(jié)論。目前為止尚沒有成功的計(jì)算分析并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻的報(bào)道,本文進(jìn)行探討性研究。
在圖2上載有計(jì)算分析用的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻計(jì)算框圖。以閥代井問題常發(fā)生在高水頭水電站,此時(shí)采用理想水輪機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析更有代表意義。圖中選擇開關(guān)有和兩路信號(hào)的選擇。
圖2一次調(diào)頻計(jì)算框圖
由水輪機(jī)功率方程式:
由式(2)有穩(wěn)定條件:
bt>2bp
由式(3)有穩(wěn)定條件:
它與式(2)的第一個(gè)穩(wěn)定條件一致。
圖3為一次調(diào)頻y(t)過程,圖4、5為一次調(diào)頻p(t)過程。
圖3水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻y(t)過程
圖4水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻p(t)過程=0.5
圖5水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻p(t)過程=0.2
當(dāng)選擇y路時(shí),水輪機(jī)調(diào)速器是經(jīng)典的以導(dǎo)葉開度為目標(biāo)的一次調(diào)頻,其傳遞函數(shù)為:
由圖2,借助Matlab很容易在給定cx后y(t)和p(t)過渡過程曲線。在圖3上載在cx=0.002的指令后,水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作在線性區(qū)(沒有計(jì)入水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)死區(qū)的影響),系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性為一階慣性環(huán)節(jié),系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)為0.1s,其動(dòng)力學(xué)特性與水流慣性無(wú)任何關(guān)系,在緩沖參數(shù)為零時(shí)系統(tǒng)更有出色的動(dòng)態(tài)特性。實(shí)際上這是經(jīng)典的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻功能。
令人困惑的是,從機(jī)械調(diào)速器起,一次調(diào)頻功能一直就默默的發(fā)揮積極的作用,現(xiàn)在卻被炒作成行業(yè)的話題。近年借鑒外國(guó)公司樣本和火電的原理結(jié)構(gòu),采用以功率變送器為反饋核心的一次調(diào)頻系統(tǒng)(相關(guān)計(jì)算結(jié)果載于圖4)。通過計(jì)算可歸納如下規(guī)律:
(5)應(yīng)注意,圖4~5計(jì)算是在本文提出的模型及理想水輪機(jī)條件下取得,通過計(jì)算可知,實(shí)際轉(zhuǎn)速的變化對(duì)縮短控制時(shí)間有積極作用。在實(shí)際應(yīng)用中,需要在~參數(shù)平面上進(jìn)行廣泛的優(yōu)化試驗(yàn),以確定功率型一次調(diào)頻的運(yùn)行參數(shù);由前述該實(shí)驗(yàn)方法對(duì)機(jī)組有相當(dāng)?shù)臐撛谖kU(xiǎn)性;
(6)可能正因?yàn)榇嗽?,有文獻(xiàn)提出了可實(shí)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)的雙PID水輪機(jī)調(diào)節(jié)器,一路用于常規(guī)按導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié),另一路PI調(diào)節(jié)器專用于功率型一次調(diào)節(jié)器。已頒布執(zhí)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)經(jīng)典型水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng),以接力器位移為目標(biāo)的一次調(diào)頻功能仍給以關(guān)注,最根本的原因是,它有高的速動(dòng)性,無(wú)需試驗(yàn)優(yōu)化,其特性與水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的水流慣性、緩沖回路參數(shù)無(wú)關(guān);
(7)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的水擊現(xiàn)象構(gòu)成水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的經(jīng)典結(jié)構(gòu);只要粗略比較圖3和圖4就可看出經(jīng)典系統(tǒng)的優(yōu)越性。借鑒其它領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)應(yīng)持慎重態(tài)度(如有極個(gè)別業(yè)主要求用功率信號(hào)綜合),調(diào)速器業(yè)內(nèi)在函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)已有非常成功的經(jīng)驗(yàn),即在導(dǎo)葉接力器回路接入函數(shù)發(fā)生器[2],這種改良型一開度為目標(biāo)的一次調(diào)頻,可實(shí)現(xiàn)即保留接力器反饋的所有優(yōu)越性,又可滿足功率信號(hào)為目標(biāo)實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻的欲望。實(shí)際上功率傳感器在精度、輸出信號(hào)的延時(shí)效應(yīng)、可靠性等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)接力器位移傳感器。綜合比較,以開度為目標(biāo)的一次調(diào)頻優(yōu)于以功率為目標(biāo)的一次調(diào)頻。
參考文獻(xiàn):
[1]程遠(yuǎn)楚.水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社2010.
[2]孔昭年.水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].武漢:長(zhǎng)江出版社.2012.
[3]DL/T1040.電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則[S].
[4]DL/T1245.水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則[S].
中圖分類號(hào):TK730.4+1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1672-5387(2015)03-0001-04
DOI:10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.001
收稿日期:2015-01-15
作者簡(jiǎn)介:孔昭年(1941-),男,教授級(jí)高級(jí)工程師,從事水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究工作。