周 攀，孫慧芳，鄧 磊

(國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100073)

隨著水力設(shè)計水平的逐步提高，越來越多抽水蓄能電站輸水管路采用一管多機的布置形式[1]，為了校核機組過渡過程計算，確保同一流道機組同時發(fā)電運行的安全性，需要對一管多機并列運行的機組進行負荷干擾試驗。當進行水力干擾試驗時，由于一臺號機組導葉、球閥快速關(guān)閉，導致同一流道內(nèi)的另一臺機組球閥前端壓力的急劇上升，因此會造成該機組出力上升。

調(diào)速系統(tǒng)作為水電站最重要的輔機之一，負責控制機組導葉開啟、頻率控制、負荷調(diào)整和工況轉(zhuǎn)換等重要任務(wù)，其控制策略的可靠性直接影響機組的安全穩(wěn)定運行[2]。本文主要探討調(diào)速器不同控制策略對同一流道機組負荷干擾試驗的影響。

1 試驗條件

下面以浙江某抽水蓄能電站為例介紹調(diào)速器處于不同的控制模式下進行負荷干擾試驗時，機組負荷變化受到的影響。

1.1 電站參數(shù)

電站引水輸水管路采用一管兩機，尾水輸水管路采用一洞兩機的布置形式，電站主要參數(shù)如表1所示。

1.2 導葉關(guān)閉規(guī)律

水輪機方向運行時導葉關(guān)閉規(guī)律設(shè)計為2段，拐點為58%；其中第一段關(guān)閉時間為8.7 s；第二段關(guān)閉時間56.9 s。

現(xiàn)場實際導葉關(guān)閉規(guī)律測試結(jié)果如圖1所示。

表1 電站主要參數(shù)表

圖1 導葉水輪機方向時間規(guī)律測錄圖

實測拐點為56.67%；其中第一段關(guān)閉時間為8.67 s；第二段關(guān)閉時間64.59 s，滿足設(shè)計要求。

1.3 設(shè)計保證值

根據(jù)調(diào)節(jié)保證計算，在考慮壓力脈動的情況下，計算了在一管雙機負荷干擾情況下的過渡過程保證值，并對機組功率擺動情況進行了測算，主要參數(shù)見表2所示。

表2 參數(shù)設(shè)計保證值

1.4 調(diào)速器控制模式

調(diào)速系統(tǒng)的控制模式一般分為頻率環(huán)，開度環(huán)和功率環(huán)，控制邏輯示意圖見圖2。

圖2 調(diào)速器控制邏輯圖

(1)頻率調(diào)節(jié)。以機組轉(zhuǎn)速為控制目標，一般頻率給定為50 Hz。例如機組在空載運行時，控制導葉開度調(diào)節(jié)機組頻率為設(shè)定值，以便機組能同期并網(wǎng)運行；在發(fā)電時調(diào)速器檢測機組頻率與頻率給定的頻差Δf，當該頻差超過設(shè)定值Ef時，調(diào)速器會根據(jù)設(shè)定的調(diào)差系數(shù)Bp按照公式(1)進行負荷調(diào)整Δp，這也就是所謂的一次調(diào)頻功能[3]，這是調(diào)速器的固有特性，不受運行方式影響。

(1)

式中：Δp為功率變化率；Pr為額定功率；Δf為頻差；Ef為一次調(diào)頻死區(qū)；Bp為調(diào)差系數(shù)。

(2)開度調(diào)節(jié)。以導葉開度為控制對象進行閉環(huán)控制。例如機組在開機過程中以空載開度為目標進行導葉開啟，控制機組轉(zhuǎn)速逐步上升；機組在抽水工況運行時，調(diào)速器根據(jù)上下庫水位按照主機廠家提供的揚程、開度曲線進行尋優(yōu)開啟導葉抽水。

(3)功率調(diào)節(jié)。以機組功率為控制對象進行閉環(huán)控制。例如機組在發(fā)電工況時采用調(diào)速器功率閉環(huán)模式運行，監(jiān)控僅下發(fā)功率設(shè)定值，調(diào)速器進行導葉開啟關(guān)閉，當負荷達到監(jiān)控設(shè)定值后本次調(diào)節(jié)完成。當功率反饋回路故障狀態(tài)下，調(diào)速器可以切至開度模式，此時監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)負荷曲線調(diào)節(jié)調(diào)速器開度，完成閉環(huán)控制[4]。

在發(fā)電工況時，調(diào)速器主要有2種運行模式：開度閉環(huán)和功率閉環(huán)，其中功率閉環(huán)為主，開度閉環(huán)為輔。二者可以切換運行。

2 試驗結(jié)果與分析

為了分析調(diào)速器運行方式對同一流道負荷擾動試驗的影響，根據(jù)調(diào)速器運行模式不同，現(xiàn)場進行了2次負荷干擾試驗：

(1)1號流道：1號機組調(diào)速器處于功率模式帶滿負荷運行，2號機組甩100%負荷；

(2)2號流道：3號機組調(diào)速器處于開度模式帶滿負荷運行，4號機組甩100%負荷。

2.1 功率閉環(huán)模式下的負荷干擾試驗

1號機組功率模式運行時2號機組甩滿負荷干擾試驗，甩時上庫水位661.7 m，下庫水位194.9 m；現(xiàn)場實測試驗數(shù)據(jù)見表3所示。

表3 1號流道負荷擾動試驗數(shù)據(jù)記錄表

試驗結(jié)果顯示：1號機組蝸殼末端最大壓力6.165 MPa，尾水進口最低壓力0.497 MPa，2號機組最高轉(zhuǎn)速為128.48%，蝸殼末端壓力最大值為6.949 MPa，尾水進口最低壓力為0.536 MPa，滿足調(diào)節(jié)保證要求。

1號機組最大出力至445.58 MW，瞬時超出力18.82%；1號機組最大瞬時電流為1.075倍額定電流，未達到定子過負荷保護、復壓過流保護啟動門檻值，保護均反應(yīng)正常。

2.2 開度閉環(huán)模式下的負荷干擾試驗

3號機組開度模式運行時4號機組甩滿負荷干擾試驗，甩時上庫水位666.2 m，下庫水位200.1 m；現(xiàn)場實測試驗數(shù)據(jù)見表4所示。

試驗結(jié)果顯示：3號機組蝸殼末端最大壓力5.949 MPa，尾水進口最低壓力0.476 MPa，4號機組最高轉(zhuǎn)速為127.40%，蝸殼末端壓力最大值為6.734 MPa，尾水出口最低壓力為0.522 MPa，滿足調(diào)節(jié)保證要求。

3號機組最大出力至471.51 MW，瞬時超出力25.74%；3號機組最大瞬時電流為1.132倍額定電流，達到定子過負荷保護定值，但延時時間未到，保護未啟動；未達到復壓過流保護啟動門檻值，保護均反應(yīng)正常。

2.3 試驗結(jié)果分析

表4 2號流道負荷擾動試驗數(shù)據(jù)記錄表

對2次試驗結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)3號機組負荷上升率較1號機組高6.92%，這是因為2臺機組的調(diào)速器控制模式不同造成的。1號機組處于功率閉環(huán)模式運行，調(diào)速器的負荷設(shè)定值為375 MW，當發(fā)生負荷干擾試驗時，由于2號機組甩負荷引起的水力干擾造成1號機組蝸殼進口壓力上升，根據(jù)上文水力因素章節(jié)所述，機組出力瞬間會增加；1號機組調(diào)速器在檢測到功率反饋上升后，根據(jù)功率閉環(huán)控制原理[5]，調(diào)速器會關(guān)閉導葉至68.05%控制機組功率保持在375 MW的控制目標。所以1號機組的功率上升是水力因素造成的，但是最終調(diào)速器會根據(jù)負荷設(shè)定值將機組功率調(diào)整下來，滿足閉環(huán)控制。

由于3號機組調(diào)速器處于開度模式運行，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定機組功率為375 MW，調(diào)速器將導葉開度開啟至86.27%，監(jiān)控系統(tǒng)檢測到機組功率滿足設(shè)定要求后，監(jiān)控系統(tǒng)退出功率調(diào)整，功率設(shè)定值跟隨功率反饋值。當發(fā)生負荷干擾試驗時，由于4號機組甩負荷引起的水力干擾造成3號機組蝸殼進口壓力上升，機組出力增加，此時監(jiān)控系統(tǒng)退出功率調(diào)節(jié)，由于3號機組調(diào)速器處于開度模式，對機組功率也不作閉環(huán)控制，原則上其導葉開度應(yīng)維持在當前開度不變，但是試驗過程中導葉實際開度降為83.46%。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這是因為4號機組甩負荷引起的水力干擾造成3號機組蝸殼進口壓力上升，3號機調(diào)速器自動水頭計算取自蝸殼進口壓力與尾水管出口壓力之差，因此調(diào)速器在負荷干擾期間的水頭也上升了，由于調(diào)速器的水頭與電氣開限是反比關(guān)系[6]，因此在水頭上升的情況下，機組電氣開限會對應(yīng)減小，在當前水頭下調(diào)速器的實際電氣開限是83.46%。因此在負荷干擾試驗時3號機組導葉開度是電氣開限壓制導葉開度至83.46%。

因此在負荷干擾試驗時3號機組的導葉開度較1號機組高15%左右，造成3號機組的功率上升較1號機組高6.92%；該差異的原因就是調(diào)速器的控制模式造成的，但該負荷上升率在設(shè)計計算范圍內(nèi)，相應(yīng)保護也未動作。滿足設(shè)計要求。

3 結(jié) 語

機組負荷干擾試驗是測試同一流道內(nèi)的多臺機組是否具備同時運行能力的試驗，在引水系統(tǒng)為一管多機形式的電站投產(chǎn)運行前必需完成。調(diào)速器在發(fā)電工況下一般多采用功率閉環(huán)的調(diào)節(jié)模式，對一管多機并列運行時的負荷擺動具有一定的抑制作用，因此在試驗前應(yīng)對調(diào)速器、監(jiān)控系統(tǒng)的控制模式和負荷調(diào)節(jié)特性進行識別，以便針對電站在運行工況下的極端水力條件進行現(xiàn)場試驗[7]，保證機組安全穩(wěn)定運行。

本文介紹的同一流道內(nèi)的雙機運行情況下的負荷干擾試驗方法和結(jié)果可對業(yè)內(nèi)其他電站的相關(guān)試驗提供借鑒和幫助。

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[1] 梅祖彥.抽水蓄能技術(shù)[M]. 北京：清華大學出版社, 1988.

[2] 周 攀,錢 鳳,何林波,等. 基于抽水蓄能機組調(diào)速系統(tǒng)控制策略的研究與開發(fā)[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測,2013,(4):7-12.

[3] 沈祖詒.水輪機調(diào)節(jié)[M].北京：中國水利電力出版社,1988.

[4] 周 攀,王 青,王 瑋,等. 300 MW級國產(chǎn)抽蓄調(diào)速系統(tǒng)在響水澗電站的應(yīng)用[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測,2014,(2):80-83,89.

[5] 周 攀,鄧磊,周東岳,等. 一種功率閉環(huán)模式下的一次調(diào)頻實現(xiàn)方法及裝置[P]. 北京：CN104993502A,2015-10-21.

[6] 榮 紅,呂 奇,錢 鳳,等 水輪機控制對電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性意義的再思考[J]. 水電廠自動化,2016,(2):39-42.

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