劉廣宇，范進喜，劉細輝

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司官地水力發(fā)電廠，四川 涼山 615704）

SAFR-2000H調速器系統(tǒng)有功調整穩(wěn)定性分析

劉廣宇，范進喜，劉細輝

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司官地水力發(fā)電廠，四川 涼山 615704）

由調速器控制數學模型入手，結合一次調頻及負荷調整性能分析，同時針對有功調整過程中發(fā)現的問題提出了優(yōu)化建議，為機組有功調整穩(wěn)定可靠設計提供了參考，對機組有功調整策略的優(yōu)化有借鑒意義。

有功調整；開度模式；功率模式；穩(wěn)定性

SAFR-2000H調速器控制系統(tǒng)采用奧地利B&R公司2005系列PCC組成不同控制結構、獨立雙通道，有功調整有開度和功率兩種模式。開度模式是在監(jiān)控系統(tǒng)上形成功率調節(jié)閉環(huán)，即監(jiān)控系統(tǒng)設定有功功率后，電調接收監(jiān)控系統(tǒng)開出脈沖，進行導葉調節(jié)，由監(jiān)控系統(tǒng)根據功率反饋值進行閉環(huán)有功調節(jié)。功率模式是在調速器PCC控制系統(tǒng)上形成功率調節(jié)閉環(huán)，即調速器系統(tǒng)接收監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)有功功率定值（模擬量），以自身功率變送器作為反饋量，進行導葉調節(jié)。

1 調速器控制數學模型分析

SAFR-2000H調速器控制系統(tǒng)具有頻率調節(jié)模式、功率調節(jié)模式及開度調節(jié)模式，并依據不同工況自動選用。整個控制結構由主環(huán)及導葉副環(huán)組成，主環(huán)控制是變結構的控制機構，變換的原則是適應當時的運行工況和控制方式以獲得最優(yōu)的調節(jié)品質，導葉副環(huán)數字PID控制，使導葉閉環(huán)控制更精確，調速系統(tǒng)的動態(tài)響應、靜特性指標、開度測量準確性更好。

SAFR-2000H調速器控制系統(tǒng)采用多級閉環(huán)、變結構變參數原理，轉速調節(jié)主要采用改進型PID控制（見圖1），系統(tǒng)振蕩時疊加非線性魯棒控制規(guī)律，以抑制電力系統(tǒng)振蕩，增加電力系統(tǒng)阻尼。

SAFR-2000H系列水輪機調速器電氣調節(jié)裝置采用國網電力科學研究院研發(fā)的NARI-PID2控制算法，轉速調節(jié)采用改進型PID控制，與經典PID相比，改進型PID有較大優(yōu)點。經典PID結構永態(tài)轉差率Bp取自PID綜合輸出部分，而改進型PID單取自積分I輸出。

圖1 調速器數學模型

經典PID控制傳遞函數為：

改進PID控制傳遞函數為：

通過比較上面兩式，發(fā)現兩者分子相同，但式（2）的分母比式（1）少一階，即改進型PID控制比經典PID在傳遞函數上少一個極點，式（2）結構具有更好的動態(tài)調節(jié)性能，穩(wěn)定域更寬。

2 一次調頻性能分析

2.1 一次調頻響應行為

在額定頻率50 Hz基礎上分別施加正負階躍頻率偏差信號（±0.10 Hz、±0.15 Hz、±0.20 Hz等），檢驗機組一次調頻響應性能，具體試驗結果見表1、2。

開度模式下，機組一次調頻負荷響應滯后時間平均為2.5 s，機組一次調頻負荷調整幅度達90%的時間平均為12.1 s，機組一次調頻負荷穩(wěn)定時間平均為21 s，功率模式下，機組一次調頻負荷響應滯后時間平均為1.8s，機組一次調頻負荷調整幅度達90%的時間平均為10.5 s，機組一次調頻負荷穩(wěn)定時間平均為25 s，均符合《水輪機調節(jié)系統(tǒng)并網運行技術導則》、《華中電網發(fā)電機組一次調頻技術管理規(guī)定》要求。

表1 開度模式下一次調頻試驗數據記錄表

表2 功率模式下一次調頻試驗數據記錄表

2.2 校核機組一次調頻的調整負荷限幅功能

在額定頻率50 Hz基礎上分別施加±0.25 Hz階躍頻率偏差信號，校核機組負荷變化值是否超過±10%額定負荷。依據試驗，當前水頭下限幅10%額定負荷時開度模式積分限幅參數YL=4.8%，功率模式YL=6.0%，試驗數據分別見表3、4。

表3 開度模式下一次調頻限幅試驗數據記錄表

表4 功率模式下一次調頻限幅試驗數據記錄表

開度模式、功率模式下一次調頻負荷調整限幅功能均正常，為保證送出系統(tǒng)及孤網模式下安全穩(wěn)定運行，根據國調要求一次調頻暫未設定限幅值。

3 負荷調整性能分析

開度模式下，單機最大加負荷速度為333MW/min，單機最大減負荷速度為390 MW/min；在該試驗水頭下，依據機組加負荷速度測試，從空負荷調整到額定負荷的響應時間約100 s。功率模式下，單機最大加負荷速度為450 MW/min，單機最大減負荷速度為375 MW/min；在該試驗水頭下，依據機組加負荷速度測試，從空負荷調整到額定負荷的響應時間約85s。其試驗數據均滿足《水輪機調節(jié)系統(tǒng)并網運行技術導則》、《國家電網運行管理實施細則》要求，具體試驗數據見表5。

表5 開度模式下負荷增減試驗數據記錄表

4 有功調整存在的問題及處理

4.1 水力因素影響分析

在水力因素的影響下，無論機組運行在開度模式還是功率模式，都會受到水流特性的脈動影響，機組功率容易波動到死區(qū)之外，會觸發(fā)有功調節(jié)對導葉進行開、關控制。分別在監(jiān)控、調速器有功調整控制策略中設置兩個功率死區(qū)Ep和Ep＇（Ep＞Ep＇），Ep為判斷機組是否需進行有功調整的死區(qū)，Ep＇為判斷機組有功調整是否結束的死區(qū)，這樣可以增加機組有功受水力因素影響的裕度，從而降低導葉動作的頻繁度。

圖2 設置1個死區(qū)的示意圖

圖3 設置2個死區(qū)的示意圖

4.2 機組功率調整存在超調現象

開度模式下進行有功調整時出現超調，最高達28 MW，通過分析監(jiān)控系統(tǒng)數據，發(fā)現有功調節(jié)PID參數設置不佳是此次引起超調的原因，對監(jiān)控系統(tǒng)PID控制參數、功率死區(qū)和調節(jié)步長進行優(yōu)化，將“大步向前”的調節(jié)方式改變?yōu)椤靶〔娇炫堋狈绞?，即脈沖調節(jié)采用逐步逼近方式進行，大于6 MW（死區(qū)）小于等于10 MW時采用200 ms脈沖微調節(jié)；大于10 MW小于等于20 MW時采用500 ms脈沖調節(jié)；大于20 MW小于等于48.8 MW時進行小于2 s的線性脈沖調節(jié)；大于48.8 MW時，進行2 s脈沖調節(jié)，從而徹底解決有功超調現象。

4.3 開度模式下水頭下降時機組負荷緩慢自然降低

當機組功率調節(jié)至死區(qū)10 s后，閉鎖輸出，無論是一次調頻動作還是水頭變化引起負荷偏差，監(jiān)控系統(tǒng)都不再進行功率調節(jié)，僅偏差大于20 MW時進行報警，這樣會出現過負荷或者溜負荷。

對監(jiān)控有功調整策略優(yōu)化后，當一次調頻功能投入、監(jiān)控有功PID調節(jié)投入、機組有功當前值在-20 MW～600 MW之間時，若功率偏差小于監(jiān)控系統(tǒng)調節(jié)死區(qū)10 s后，閉鎖監(jiān)控有功PID調節(jié)輸出；監(jiān)控有功調節(jié)輸出閉鎖后，若一次調頻動作后20 s內功率差值大于監(jiān)控調節(jié)死區(qū)，則機組LCU判定有功偏差超過死區(qū)是由于一次調頻動作引起的，輸出一直閉鎖，直到新設定值下發(fā)時才會解除閉鎖。當一次調頻不動作時，功率偏差超過死區(qū)延時5 s解除監(jiān)控有功PID調節(jié)輸出閉鎖，監(jiān)控進行PID有功調節(jié)。

4.4 部分故障報警切換邏輯需完善

（1）開度模式下，監(jiān)控系統(tǒng)對有功設定值（脈沖量）與實發(fā)值進行比較，向調速器輸出調節(jié)脈沖，而有功設定值（模擬量）與實發(fā)值未進行比較，如果調速器從開度模式切換至功率模式會產生擾動，可在監(jiān)控系統(tǒng)側增加“有功設定值（模擬量）跟蹤實發(fā)值”程序。

（2）在控制方式切換邏輯中，未考慮到監(jiān)控系統(tǒng)與調速器數據中斷或者數據測量不一致時的保護邏輯。功率模式下，可增加實時比較監(jiān)控系統(tǒng)功率給定值和調速器功率給定反饋值的程序，如果不一致，上位機報警；可增加實時對比調速器系統(tǒng)反饋控制方式的程序，如果不一致，上位機報警。

（3）調速器PCC只監(jiān)視了主CPU模塊CP340的運行情況，未監(jiān)視輔助CPU模塊IP161的運行情況。當IP161模塊死機時，不能正常采集外部重要模擬量信號和運行內部控制程序，在可編程智能切換模塊中增加監(jiān)視IP161運行情況的程序，當其故障或者死機時進行報警并進行PCC切換。

4.5 自動化元器件可靠性分析

調速器和監(jiān)控系統(tǒng)所有外部自動化元件均采取冗余配置，但未進行數據對比判斷元件故障，當自動化元件測量不準時，可能會導致溜負荷、過負荷、接力器抽動、有功波動等設備異?，F象。設計時可考慮調速器A、B套雙機通訊功能，將重要的外部測量信號（導葉反饋信號、功率反饋信號）進行比較，當兩套采樣值存在差異時，及時報警。

5 結語

通過對調速器數學模型、一次調頻性能及負荷調整性能3個方面對機組有功調整穩(wěn)定性進行分析，SAFR-2000 H調速器控制系統(tǒng)開度模式及功率模式兩種方式下機組的動態(tài)調整穩(wěn)定性均符合電網需求及相關規(guī)范要求。在目前的運行控制參數下，功率模式有功調節(jié)較開度模式速度更快，超調量更小，一次調頻負荷穩(wěn)定時間更短，但一次調頻負荷響應速度較開度模式更慢。通過有功控制模式切換邏輯、故障報警切換邏輯、元器件可靠性和抗干擾性等方面對機組有功調整可靠性進行分析，開度模式及功率模式兩種方式下部分監(jiān)視、報警邏輯均需進一步完善。

隨著智能電網的迅速發(fā)展，用戶對電能質量的要求越來越高，水電站智能化電網建設是今后發(fā)展的必然趨勢和全新目標，由于國內外在智能化水電站自動化技術方面的研究剛剛起步，通過對開度及功率模式下穩(wěn)定性、可靠性深入分析，理順了監(jiān)控與調速器控制系統(tǒng)之間配合關系，但有功調節(jié)性能能否適應今后智能化發(fā)展的要求還有待深入分析。

［1］魏守平.水輪機調節(jié)［M］.武漢：華中科技大學出版社.

［2］郭大安，范建軍.淺析水電機組一次調頻［J］.水電廠自動化，2014，35（3）.

［3］張亞明.葛洲壩水電站有功調節(jié)穩(wěn)定性分析與改進措施探索［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2013，37（2）.

［4］張晉東.水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)功率調節(jié)的控制方式探索［J］.科技向導，2012（29）.

TP272

B

1672-5387（2016）07-0020-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.006

2015-12-03

劉廣宇（1972-），男，教授級高級工程師，從事水電站運行維護管理工作。