吳 昊，陳鳳華

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣州 從化 510950；2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司惠州蓄能水電廠，廣東 惠州 516100）

抽水蓄能機(jī)組背靠背工況下的頻率控制策略及典型故障研究

吳 昊1，陳鳳華2

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣州 從化 510950；2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司惠州蓄能水電廠，廣東 惠州 516100）

由于抽水蓄能電廠在電網(wǎng)中作用的特殊性，其在電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)需要快速響應(yīng)開(kāi)啟抽水工況，而背靠背是抽水啟動(dòng)的兩個(gè)方式之一。本文通過(guò)對(duì)抽水蓄能機(jī)組背靠背拖動(dòng)工況下的自動(dòng)頻率控制策略進(jìn)行分析，以典型拖動(dòng)失敗事件為案例，研究得出故障原因，提出故障解決辦法及預(yù)防措施。

抽水蓄能；自動(dòng)頻率控制；背靠背拖動(dòng)；故障研究與解決

1 引言

抽水蓄能機(jī)組在電網(wǎng)中，主要起到調(diào)峰調(diào)頻、事故備用、黑啟動(dòng)等重要作用，由于用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高、電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)格，配備抽水蓄能機(jī)組已成為區(qū)域大電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

由于蓄能電廠在電網(wǎng)中作用的特殊性，其具有發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相和停機(jī)穩(wěn)態(tài)5個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，且蓄能機(jī)組啟停頻繁，為了幫助電網(wǎng)“削峰填谷”，其在夜間電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)需要快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷開(kāi)啟抽水工況。蓄能機(jī)組由停機(jī)穩(wěn)態(tài)達(dá)到抽水工況，首先在抽水調(diào)相工況下達(dá)到并網(wǎng)，這就需要由拖動(dòng)裝置使機(jī)組達(dá)到并網(wǎng)條件，靜止變頻器（SFC）就是利用晶閘管將工頻交流電輸入變成連續(xù)可調(diào)的變頻交流電輸出的裝置，該裝置是抽水蓄能機(jī)組的主力拖動(dòng)裝置。但目前，SFC在我國(guó)蓄能電廠的應(yīng)用上還面臨著造價(jià)高、國(guó)外技術(shù)壁壘、設(shè)備可用率偏低等問(wèn)題。而背靠背啟動(dòng)方式作為備用的啟動(dòng)方法顯得額外重要。拖動(dòng)工況由于涉及兩臺(tái)機(jī)組，一臺(tái)作為發(fā)電機(jī)、一臺(tái)作為電動(dòng)機(jī)，且涉及的開(kāi)關(guān)與刀閘多、回路廣，程序流程復(fù)雜，對(duì)程序設(shè)計(jì)及一次設(shè)備的配合、二次設(shè)備的控制水平提出較高要求，更對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員的設(shè)備運(yùn)維水平及故障查找能力提出新的挑戰(zhàn)。

本文通過(guò)對(duì)抽水蓄能機(jī)組拖動(dòng)工況下的自頻率控制策略進(jìn)行分析，以廣州蓄能水電廠某次典型拖動(dòng)失敗事件為案例，研究得出故障原因，提出解決辦法及預(yù)防措施。可作為專業(yè)技術(shù)人員研究蓄能機(jī)組拖動(dòng)工況原理和解決類似故障的參考，亦可為設(shè)備廠家和科研調(diào)試人員提供技術(shù)依據(jù)。

2 拖動(dòng)工況下的控制策略與調(diào)節(jié)原理

2.1 預(yù)啟動(dòng)過(guò)程及拖動(dòng)主軸的建立

在蓄能機(jī)組預(yù)啟動(dòng)階段，無(wú)論是發(fā)電、抽水還是拖動(dòng)工況，主要進(jìn)行機(jī)組輔助設(shè)備的啟動(dòng)，為后期機(jī)組動(dòng)作準(zhǔn)備。如：投入機(jī)組冷卻水系統(tǒng)、開(kāi)啟母線風(fēng)機(jī)、調(diào)速器油路建壓及開(kāi)通、開(kāi)啟循環(huán)油系統(tǒng)等。

背靠背啟動(dòng)過(guò)程同SFC拖動(dòng)一樣，均需建立電氣軸，實(shí)現(xiàn)一個(gè)電能由拖動(dòng)機(jī)組傳輸?shù)奖煌蟿?dòng)機(jī)組的傳輸通道。該電能輸送通道由拖動(dòng)機(jī)出口開(kāi)關(guān)、拖動(dòng)刀閘、拖動(dòng)母線、被拖動(dòng)刀閘建立，如圖1所示。

圖1 背靠背拖動(dòng)的能量傳遞

2.2 自動(dòng)頻率控制

在拖動(dòng)階段，最終目的是使被拖動(dòng)機(jī)組實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，以吸收電網(wǎng)側(cè)功率達(dá)到“削峰”的作用。故此階段的被控參數(shù)為機(jī)組頻率，而由于電氣主軸的建立，勵(lì)磁系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)子電流使被拖動(dòng)機(jī)組作為拖動(dòng)機(jī)的負(fù)載，故背靠背的兩臺(tái)機(jī)組頻率一致。

在此階段，拖動(dòng)機(jī)組控制流程與發(fā)電啟動(dòng)時(shí)基本一致，其作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，水輪機(jī)帶動(dòng)大軸使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，勵(lì)磁加在轉(zhuǎn)子上，并使定子產(chǎn)生反作用磁場(chǎng)，待這兩個(gè)磁場(chǎng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，定子即產(chǎn)生了和水輪機(jī)同樣頻率的穩(wěn)定電壓。而被拖動(dòng)機(jī)組作為電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)裝置（SFC或一臺(tái)發(fā)電機(jī)）發(fā)出電壓通過(guò)電氣軸加在電動(dòng)機(jī)定子上，電動(dòng)機(jī)的定子從而產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，勵(lì)磁加在轉(zhuǎn)子上，亦產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，二者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，被拖動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與拖動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速達(dá)到一致。

但需說(shuō)明的是，由于此時(shí)拖動(dòng)機(jī)組帶著另一臺(tái)機(jī)組在運(yùn)行，其頻率控制策略不可簡(jiǎn)單沿襲發(fā)電，而應(yīng)作出調(diào)整。而為減輕拖動(dòng)負(fù)載，在拖動(dòng)時(shí)被拖動(dòng)機(jī)組應(yīng)通過(guò)高壓氣將水壓至轉(zhuǎn)輪以下，僅留少量水形成水環(huán)留作潤(rùn)滑冷卻，以此減小摩擦阻力。

法國(guó)ALSTOM生產(chǎn)的TSLG型調(diào)速器拖動(dòng)頻率控制邏輯見(jiàn)圖2。在第一階段，調(diào)速器收到拖動(dòng)指令后，調(diào)速器的導(dǎo)葉開(kāi)度設(shè)定值首先由參數(shù)VT_BBLC設(shè)定為一個(gè)預(yù)開(kāi)度，用于啟動(dòng)水輪機(jī)，該過(guò)程持續(xù)時(shí)間由BB_TMP1控制。BB_TMP1時(shí)間后進(jìn)入第二階段，調(diào)速器投入拖動(dòng)一級(jí)開(kāi)限LO_BB1，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，這個(gè)開(kāi)限一般比預(yù)開(kāi)度小，這將使導(dǎo)葉開(kāi)度回調(diào)，但機(jī)組轉(zhuǎn)速仍會(huì)繼續(xù)上升，待機(jī)組轉(zhuǎn)速升至VT_BBMN后進(jìn)入第三階段。第三階段，調(diào)速器進(jìn)入升速階段，此階段不再直接控制導(dǎo)葉開(kāi)度而是控制機(jī)組頻率，調(diào)速器以一個(gè)固定速率增加機(jī)組頻率設(shè)定值，同時(shí)為避免大幅超調(diào)，在此階段調(diào)速器投入拖動(dòng)二級(jí)開(kāi)限LO_BB2，直到機(jī)組到達(dá)50 Hz。

上述策略由調(diào)速器內(nèi)部的順序控制程序設(shè)定，通過(guò)過(guò)程控制閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在此過(guò)程控制系統(tǒng)中，第一第二階段的控制參數(shù)為導(dǎo)葉開(kāi)度，第三階段的控制參數(shù)為機(jī)組轉(zhuǎn)速。以第三階段為例，如圖3所示，控制環(huán)由設(shè)定值（機(jī)組轉(zhuǎn)速曲線）、反饋值（經(jīng)微分處理的機(jī)組頻率）、PI調(diào)節(jié)和限制模塊等組成。當(dāng)反饋傳感器測(cè)定的機(jī)組頻率與設(shè)定值產(chǎn)生偏差時(shí)，PI環(huán)節(jié)起作用，并向該偏差值的反方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至偏差為0。而限制模塊起到減小超調(diào)、穩(wěn)定輸出的作用；微分環(huán)節(jié)則有利于提前得知機(jī)組頻率變化趨勢(shì)，提高控制特性。

該邏輯是當(dāng)今采用的主流控制邏輯之一，但并不唯一，比如福伊特公司生產(chǎn)的調(diào)速器的拖動(dòng)邏輯與此大同小異，均是將機(jī)組啟動(dòng)后再使其轉(zhuǎn)速以斜坡曲線形式上升。

圖2 調(diào)速器拖動(dòng)頻率升速示意圖

圖3 調(diào)速器拖動(dòng)邏輯框圖（第三階段）

3 典型拖動(dòng)失敗

綜合以上對(duì)拖動(dòng)邏輯的論述可知，在拖動(dòng)工況下典型故障無(wú)非以下3種：電氣主軸建立失?。煌蟿?dòng)或被拖動(dòng)機(jī)自身出現(xiàn)故障，導(dǎo)致拖動(dòng)失?。煌蟿?dòng)動(dòng)力不足導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速上升過(guò)慢，流程超時(shí)。下面以廣州蓄能水電廠A廠某次典型拖動(dòng)失敗事件為案例，進(jìn)行故障研究。

3.1 故障簡(jiǎn)述

2014～2015年，廣蓄A(yù)廠出現(xiàn)兩次3號(hào)機(jī)組拖動(dòng)4號(hào)機(jī)組失敗事件，查詢機(jī)組流程，失敗的直接原因?yàn)殚_(kāi)始拖動(dòng)后，機(jī)組轉(zhuǎn)速未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)上升。

3.2 故障現(xiàn)象

拖動(dòng)主軸已建立，拖動(dòng)機(jī)導(dǎo)葉已按設(shè)定值打開(kāi)，兩臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁投入正常，兩臺(tái)機(jī)機(jī)端電壓幾乎為零（正常應(yīng)隨著轉(zhuǎn)速上升而上升至19 kV），機(jī)組輕微蠕動(dòng)、隨后拖動(dòng)失敗。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)EVENTLOG記錄信息可以看出，在被拖動(dòng)機(jī)勵(lì)磁開(kāi)關(guān)合后，轉(zhuǎn)速未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)上升，導(dǎo)致超時(shí)跳機(jī)。（廣蓄A(yù)廠下位機(jī)程序設(shè)定：被拖動(dòng)機(jī)組勵(lì)磁開(kāi)關(guān)合后，需在30 s內(nèi)上升至5%額定轉(zhuǎn)速，否則拖動(dòng)失敗。）

3.3 初步判定直接原因

動(dòng)力不足導(dǎo)致機(jī)組未轉(zhuǎn)，超時(shí)啟動(dòng)失敗。

3.4 統(tǒng)計(jì)分析及推斷

在之前3號(hào)機(jī)組成功拖動(dòng)4號(hào)機(jī)組的記錄中發(fā)現(xiàn)，從被拖動(dòng)機(jī)4號(hào)機(jī)組勵(lì)磁開(kāi)關(guān)合到轉(zhuǎn)速上升到5%額定轉(zhuǎn)速，耗時(shí)在25～27 s左右不等；而3號(hào)機(jī)組拖動(dòng)2號(hào)機(jī)組或2號(hào)機(jī)組拖動(dòng)1號(hào)機(jī)組等不涉及4號(hào)機(jī)組的拖動(dòng)啟動(dòng)，此過(guò)程耗時(shí)均在22～24 s之間。

遂懷疑4號(hào)機(jī)組阻力偏大或說(shuō)固有特性相對(duì)較差，故而導(dǎo)致其他機(jī)組需要提供更大的動(dòng)力才能將其拖動(dòng)成功。而之前3號(hào)機(jī)組調(diào)速器所設(shè)置的拖動(dòng)參數(shù)很可能處于一個(gè)較臨界位置，所以有時(shí)候拖動(dòng)成功但用時(shí)較長(zhǎng)（達(dá)到5%轉(zhuǎn)速耗時(shí)27 s），而有時(shí)又會(huì)拖動(dòng)失敗。

3.5 根本原因分析

從拖動(dòng)工況的頻率控制策略上說(shuō)，該策略通過(guò)順序程序?qū)⑦^(guò)程控制優(yōu)化，科學(xué)可靠，成功率高。從機(jī)組RTU程序允許的啟動(dòng)時(shí)間設(shè)定上說(shuō)，拖動(dòng)機(jī)組勵(lì)磁開(kāi)關(guān)合后，在30 s內(nèi)上升至5%額定轉(zhuǎn)速，已經(jīng)是一個(gè)相對(duì)寬裕的設(shè)定，且故障時(shí)機(jī)組只是輕微蠕動(dòng)，沒(méi)有升速跡象。

對(duì)于根本原因是4號(hào)機(jī)組阻力偏大的懷疑，如下3點(diǎn)可以佐證。

（1）發(fā)電工況轉(zhuǎn)速上升數(shù)據(jù)

分析4號(hào)機(jī)組正常發(fā)電時(shí)的轉(zhuǎn)速上升速率，與其他機(jī)組進(jìn)行比較。導(dǎo)葉開(kāi)啟后，同樣時(shí)間內(nèi)（7 s）4號(hào)機(jī)組較其他機(jī)組轉(zhuǎn)速上升確實(shí)慢，見(jiàn)表1。

表1 廣蓄A(yù)廠4臺(tái)機(jī)組發(fā)電工況轉(zhuǎn)速上升情況

（2）建模仿真試驗(yàn)

廣東電網(wǎng)電科院輪機(jī)所配合廣蓄電廠進(jìn)行了機(jī)組原動(dòng)機(jī)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測(cè)與建模工作。水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)可分成3個(gè)系統(tǒng)分級(jí)建模：調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型和引水道水輪機(jī)模型。通過(guò)試驗(yàn)得到靜特性、永態(tài)轉(zhuǎn)差率、頻率死區(qū)、接力器反應(yīng)時(shí)間常數(shù)等參數(shù)。

首先，根據(jù)參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果將參數(shù)帶入調(diào)速器模型中，使用TGM2000建模平臺(tái)軟件仿真導(dǎo)葉開(kāi)度的頻率階躍響應(yīng)曲線，并與實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)頻率擾動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度波形進(jìn)行了對(duì)比，得出該自定義調(diào)速器模型（包括調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型）與實(shí)測(cè)曲線吻合度較高，滿足南方電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)南方電網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試與建模導(dǎo)則》要求［5］。

而后，使用TGM2000建模平臺(tái)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)使用改進(jìn)的最小二乘法（LS）或遺傳算法（GA）辨識(shí)得到引水道水輪機(jī)模型，亦均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

最后，將三級(jí)模型進(jìn)行組合后使用TGM2000平臺(tái)進(jìn)行仿真校驗(yàn)，自定義調(diào)速器模型、辨識(shí)得到的引水道水輪機(jī)模型能夠準(zhǔn)確模擬導(dǎo)葉開(kāi)度、有功功率的頻率階躍響應(yīng)過(guò)程，相關(guān)誤差符合規(guī)程要求。

經(jīng)整合，在采用LS法辨識(shí)的情況下，廣蓄A(yù)廠4臺(tái)機(jī)組液壓隨動(dòng)系統(tǒng)-引水道水輪機(jī)傳遞函數(shù)分別如下。

使用MATLAB仿真模塊得出廣蓄A(yù)廠1號(hào)～4號(hào)機(jī)組“液壓隨動(dòng)系統(tǒng)-引水道水輪機(jī)”傳遞函數(shù)階躍響應(yīng)仿真曲線，如圖4所示，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為標(biāo)幺值。

依據(jù)該階躍響應(yīng)曲線計(jì)算得出4臺(tái)機(jī)組固有調(diào)節(jié)時(shí)間（取5%為穩(wěn)定范圍）分別為：5.154 s，4.962 s，3.231 s，10.0 s。可見(jiàn)，4號(hào)機(jī)組液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間確實(shí)偏大，也就是說(shuō)相比其他機(jī)組，4號(hào)機(jī)組其需要更大的動(dòng)力才能及時(shí)升速。

（3）發(fā)電空載開(kāi)度

廣蓄A(yù)廠4臺(tái)機(jī)組空載開(kāi)度設(shè)置如表2，此數(shù)據(jù)也可佐證4號(hào)機(jī)組在開(kāi)機(jī)時(shí)達(dá)到空載狀態(tài)確實(shí)需要更大動(dòng)力。

圖4 廣蓄A(yù)廠1號(hào)～4號(hào)機(jī)組“液壓隨動(dòng)系統(tǒng)-引水道水輪機(jī)”傳遞函數(shù)階躍響應(yīng)仿真曲線

表2 廣蓄A(yù)廠4臺(tái)機(jī)組發(fā)電空載開(kāi)度

3.6 解決措施及后續(xù)建議

經(jīng)過(guò)以上分析得出結(jié)論：在不改變控制策略及機(jī)組RTU程序設(shè)定的情況下，根據(jù)能量守恒，為滿足控制需求，必須使控制參數(shù)適應(yīng)4號(hào)機(jī)組相對(duì)稍差的響應(yīng)特性，即：適當(dāng)加大機(jī)組拖動(dòng)參數(shù)，克服拖動(dòng)阻力，為拖動(dòng)工況提供足夠大的水力支持。運(yùn)維人員決定以增大拖動(dòng)程序中第一階段的預(yù)開(kāi)度和第二階段的開(kāi)度限制的方式達(dá)到此目的。經(jīng)多次試驗(yàn)調(diào)試出適配參數(shù)后，3號(hào)機(jī)組背靠背拖動(dòng)4號(hào)機(jī)組成功，錄制波形顯示機(jī)組拖動(dòng)平穩(wěn)、與勵(lì)磁系統(tǒng)配合正常，轉(zhuǎn)速上升時(shí)間符合要求（24 s）。

因廣蓄A(yù)廠調(diào)速器控制系統(tǒng)為新投運(yùn)設(shè)備，但改造后并未進(jìn)行過(guò)所有機(jī)組的互相拖動(dòng)試驗(yàn)，故障后運(yùn)維人員意識(shí)到4臺(tái)機(jī)組自身特性不一，故后續(xù)廣蓄電廠已著手進(jìn)行4臺(tái)機(jī)組的互相拖動(dòng)試驗(yàn)，防止再次出現(xiàn)因動(dòng)力不足導(dǎo)致拖動(dòng)失敗的情況。

4 結(jié)論

本文以廣州蓄能水電廠某次典型拖動(dòng)失敗事件為案例，結(jié)合頻率控制這一典型過(guò)程控制策略的研究，通過(guò)建模仿真、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和調(diào)試試驗(yàn)，得出故障較深層次原因，進(jìn)行了歸納總結(jié)，提出了解決辦法及預(yù)防措施。

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TV743

B

1672-5387（2016）07-0023-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.007

2016-03-21

吳 昊（1990-），男，助理工程師，從事抽水蓄能機(jī)組監(jiān)控及調(diào)速系統(tǒng)的原理和缺陷研究工作。