皮海波，李靖沙，侯 銳

（1.五凌電力有限公司碗米坡水電廠，湖南 保靖416500；2.五凌電力有限公司集控中心，湖南 長沙410213；3.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038）

1 電站概況及機(jī)組主要參數(shù)

碗米坡水電廠位于湖南省保靖縣境內(nèi)的酉水河中游，裝有3臺80MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，為壩后式電站，1號機(jī)于2004年2月正式投入運(yùn)行，2、3號機(jī)于2004年8月正式投入運(yùn)行。主要技術(shù)參數(shù)見表1：

表1 機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

2 問題的提出

2016年初結(jié)合1號機(jī)A修，我廠對監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器系統(tǒng)同時進(jìn)行更新改造。1號機(jī)調(diào)速器原來采用“步進(jìn)電機(jī)+主配”形式，改造后為系凌公司首臺使用“高速開關(guān)閥+邏輯插裝閥”結(jié)構(gòu)形式的調(diào)速器；該臺機(jī)組調(diào)速器采用直接功率給定的功率閉環(huán)調(diào)節(jié)模式作為主用方式，即監(jiān)控系統(tǒng)只需直接下發(fā)功率目標(biāo)值至調(diào)速器，由調(diào)速器自行實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)；而常規(guī)的脈寬調(diào)節(jié)模式（即開度調(diào)節(jié)）作為降級運(yùn)行模式，只有當(dāng)功率信號故障時，才降級為脈寬控制方式；這也是五凌公司所屬水電廠首次實現(xiàn)直接功率給定閉環(huán)調(diào)節(jié)的機(jī)組，具有一定的探索與開創(chuàng)意義。值得指出的是，功率模式下運(yùn)行可以做到一次調(diào)頻與AGC的有機(jī)統(tǒng)一，充分發(fā)揮水電機(jī)組一次調(diào)頻能力，這對抑制電網(wǎng)頻率波動，實現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。

經(jīng)一段時間初期運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，1號機(jī)組AGC調(diào)節(jié)指標(biāo)有時達(dá)不到華中電網(wǎng)兩個細(xì)則的要求，電廠多次受到兩個細(xì)則的考核，有損電廠發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益，亟待解決。

3 缺陷分析及處理研究

3.1 缺陷基本情況

針對1號機(jī)AGC被考核現(xiàn)象，專業(yè)人員對華中電網(wǎng)兩個細(xì)則實施內(nèi)容進(jìn)行全面學(xué)習(xí)與理解，重點(diǎn)摘出AGC考核方面指標(biāo)，并進(jìn)行全面梳理；現(xiàn)場實際記錄統(tǒng)計新監(jiān)控系統(tǒng)中1號機(jī)AGC調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，并對照AGC考核指標(biāo)分析研究，以便確定解決問題方向與步驟。

查看華中電網(wǎng)兩個細(xì)則AGC考核，版本眾多，多次咨詢五凌公司集控中心與湖南電網(wǎng)公司中調(diào)、電科院等相關(guān)單位，答復(fù)結(jié)果略有出入。本著實事求是精神，根據(jù)兩個細(xì)則查詢網(wǎng)下載每日AGC考核數(shù)據(jù)，認(rèn)真分析數(shù)據(jù)，多方求證，最終確定現(xiàn)行AGC考核指標(biāo)為（以我廠單臺機(jī)80 MW為例）：調(diào)節(jié)負(fù)荷變化率為40%額定容量，即調(diào)節(jié)速率須大于32 MW/min；調(diào)節(jié)精度為±3%額定容量，即調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)偏差值須小于±2.4 MW，具體對照湖南省中調(diào)每日發(fā)布的AGC考核數(shù)據(jù)表格：AGC調(diào)節(jié)日平均速度須大于40%，調(diào)節(jié)精度須小于±2.4 MW。

經(jīng)過多次抽樣分析中調(diào)每日發(fā)布的AGC考核數(shù)據(jù)表格，我廠AGC調(diào)節(jié)精度基本滿足要求，很少為此指標(biāo)受到考核，主要是調(diào)速器調(diào)節(jié)負(fù)荷速度較慢，日調(diào)節(jié)平均速度低于40%造成考核。表2為兩個細(xì)則考核平臺發(fā)布的我廠AGC一日考核數(shù)據(jù)情況，其中2016年3月19日的日平均調(diào)節(jié)速度為38.67%，接近40%，但是仍不合格，故被考核，但考核量較少，為2 000元；2016年3月20日的日平均調(diào)節(jié)速度為39.87%，也接近40%，考核量為1 000元。

表2 兩個細(xì)則AGC每日考核數(shù)據(jù)

3.2 1號機(jī)AGC單獨(dú)運(yùn)行時現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析與研究

單開1號機(jī)AGC運(yùn)行，調(diào)速器分別置于功率調(diào)節(jié)模式、開度調(diào)節(jié)模式下均存在被考核現(xiàn)象，由于功率模式為主控方式，故以下以功率調(diào)節(jié)模式為例記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)，展開分析與研究。

由于接近主汛期，向中調(diào)申請試驗時間較短，具體為4月5日、6日兩天，為順利在申請的試驗時間內(nèi)更好地優(yōu)化完善1號機(jī)AGC調(diào)節(jié)性能，趕在申請?zhí)幚碓囼炦M(jìn)行前，電廠盡量申請單開1號機(jī)，并于3月19日、20日兩天，由專業(yè)人員現(xiàn)場實測1號機(jī)AGC調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析，比對華中電網(wǎng)兩個細(xì)則下載考核情況，查找問題成因。

3.2.1 1號機(jī)AGC調(diào)節(jié)精度數(shù)據(jù)統(tǒng)計

調(diào)節(jié)精度即功率穩(wěn)態(tài)偏差值，ΔP∞=下發(fā)功率目標(biāo)值-功率穩(wěn)定值，根據(jù)表3、表4所列的部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)，功率穩(wěn)態(tài)偏差值很少超出1 MW，說明調(diào)節(jié)精度完全滿足要求。對比中調(diào)對該兩日AGC統(tǒng)計的考核數(shù)據(jù)，日平均調(diào)節(jié)精度值分別為表3：1.99%，、表4：2.3%，均滿足調(diào)節(jié)精度小于±3%額定容量要求，即小于±2.4 MW；故調(diào)節(jié)精度不是AGC被考核原因。

表3 新監(jiān)控系統(tǒng)AGC調(diào)節(jié)過程數(shù)據(jù)（2016年3月19日）

3.2.2 1號機(jī)AGC調(diào)節(jié)響應(yīng)過程數(shù)據(jù)分析

（1）根據(jù)表3、表4的現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計與計算，新監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算結(jié)果為：19日平均速度為38.67%，20日平均速度為39.87%,數(shù)據(jù)均與中調(diào)下發(fā)數(shù)據(jù)基本一致，證明現(xiàn)場測試與兩個細(xì)則中調(diào)的軟件測試相符，現(xiàn)場測試方法可行。這些匯總數(shù)據(jù)表明，調(diào)速器在直接功率給定的功率閉環(huán)調(diào)節(jié)模式下，對AGC的響應(yīng)速率達(dá)不到兩個細(xì)則要求，故經(jīng)常存在被考核現(xiàn)象。

（2）對每條數(shù)據(jù)反復(fù)單獨(dú)分析比較，最終找出一條規(guī)律：一次負(fù)荷調(diào)整幅度大于15 MW時，調(diào)節(jié)速度基本滿足要求；小于15 MW時，調(diào)節(jié)速度往往不滿足要求，一次負(fù)荷調(diào)整幅度越小，得出的調(diào)節(jié)速度越慢。

綜上所述，AGC調(diào)節(jié)投入，1號機(jī)處于“功率調(diào)節(jié)”模式下，調(diào)節(jié)精度可以達(dá)到中調(diào)要求，AGC給定負(fù)荷在小負(fù)荷范圍內(nèi)變化時，調(diào)節(jié)速度往往達(dá)不到要求。若小于15 MW的小幅負(fù)荷調(diào)節(jié)次數(shù)越多，造成全廠日平均調(diào)節(jié)速度降低，增加全廠AGC考核的可能性。

表4 新監(jiān)控系統(tǒng)AGC調(diào)節(jié)過程數(shù)據(jù)（2016年3月20日）

3.3 AGC缺陷處理研究

3.3.1 提高AGC調(diào)節(jié)速率的基本思路

在功率模式條件下，控制過程的基本原則為：同時保證功率PID調(diào)節(jié)的速動性和穩(wěn)定性，既滿足調(diào)速系統(tǒng)對調(diào)節(jié)速率的要求，同時也要滿足穩(wěn)定性的要求，避免出現(xiàn)小負(fù)荷偏差時的低頻振蕩或拉鋸，且穩(wěn)態(tài)誤差小。

根據(jù)對上述功率調(diào)節(jié)過程數(shù)據(jù)的綜合分析對比，經(jīng)討論甄別，形成了功率模式PID參數(shù)優(yōu)化控制策略的基本思路：

（1）大功率偏差調(diào)節(jié)算法：當(dāng)機(jī)組功率目標(biāo)值與功率實發(fā)值的差值ΔP=Pref-PE超出±25%時，采用較小PID參數(shù)，以保證調(diào)節(jié)過程的穩(wěn)定性與快速性；雖然此時調(diào)節(jié)參數(shù)偏小，但由于功率偏差較大，故調(diào)節(jié)器依然可以保證較快的積分速率。

（2）小功率偏差調(diào)節(jié)算法：當(dāng)機(jī)組功率目標(biāo)值與功率實發(fā)值的差值ΔP=Pref-PE在±18%以內(nèi)，則采用較大PID參數(shù)，以保證較快的積分速率，從而加快調(diào)節(jié)趨于穩(wěn)定區(qū)間的速度及調(diào)節(jié)精度。

（3）考慮調(diào)節(jié)參數(shù)平滑切換：當(dāng)功率偏差ΔP介于±18%～±25%之間時，切換至中間的PID參數(shù)，以同時兼顧調(diào)節(jié)穩(wěn)定性與快速性、不出現(xiàn)超調(diào)。

（4）適當(dāng)增加隨動系統(tǒng)綜放環(huán)節(jié)的比例與微分增益，以提高接力器響應(yīng)的靈敏度與快速性，進(jìn)而加快功率調(diào)節(jié)速率。

3.3.2 單開1號機(jī)、退AGC，PID參數(shù)優(yōu)化調(diào)整

針對以上思路，電廠向中調(diào)申請單開1號機(jī)、退出AGC運(yùn)行，制定的相應(yīng)組織措施、技術(shù)措施，于4月5日、6日進(jìn)行試驗。并由專業(yè)人員在現(xiàn)地分別給定不同的功率目標(biāo)值，根據(jù)調(diào)速器調(diào)節(jié)情況，對調(diào)速器“功率調(diào)節(jié)”模式的內(nèi)部程序與參數(shù)進(jìn)行修改，調(diào)整調(diào)速器功率模式下比例增益KP、積分增益KI參數(shù)值、隨動系統(tǒng)綜放環(huán)節(jié)增益，重點(diǎn)是KI與隨動系統(tǒng)綜放的調(diào)整，在不同負(fù)荷水平下進(jìn)行試驗驗證，重復(fù)以上步驟，最終選出最優(yōu)功率調(diào)節(jié)參數(shù)值的組合，并保證選用的參數(shù)在水輪機(jī)不同工作點(diǎn)都處于穩(wěn)定域內(nèi)。既能滿足調(diào)節(jié)速率，也能滿足調(diào)節(jié)精度，還要保證不出現(xiàn)大的超調(diào)與拉鋸。在最優(yōu)參數(shù)整定下，對負(fù)荷調(diào)整情況進(jìn)行錄波，觀測到波形穩(wěn)定、呈單調(diào)變化，調(diào)節(jié)速度滿足要求，這表明，所選PID調(diào)節(jié)參數(shù)，能達(dá)到預(yù)期的控制效果，具體抽樣調(diào)節(jié)波形與調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)如圖1、表5所示。

3.3.3 單開1號機(jī)、投AGC，驗證功率調(diào)節(jié)過程

4月6日，我們把4月5日優(yōu)化后的調(diào)節(jié)參數(shù)選為整定值，單開1號機(jī)、投入AGC運(yùn)行，由專業(yè)人員現(xiàn)場實測1號機(jī)AGC調(diào)節(jié)過程數(shù)據(jù)，驗證調(diào)節(jié)精度、調(diào)節(jié)速度、調(diào)節(jié)穩(wěn)定性。所有AGC考核數(shù)據(jù)均滿足中調(diào)要求。具體抽樣調(diào)節(jié)波形與調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)如圖2、圖 3、表 6 所示。

圖1 參數(shù)優(yōu)化后調(diào)節(jié)過程波形1（2016年4月05日）

表5 參數(shù)優(yōu)化后AGC調(diào)節(jié)過程數(shù)據(jù)記錄（2016年4月5日）

圖2 參數(shù)優(yōu)化后調(diào)節(jié)過程波形2（2016年4月06日）

圖3 參數(shù)優(yōu)化后調(diào)節(jié)過程波形3（2016年4月06日）

表6 參數(shù)優(yōu)化后AGC調(diào)節(jié)過程數(shù)據(jù)記錄（2016年4月6日）

應(yīng)當(dāng)指出，從圖2、圖3所反映的平均調(diào)節(jié)速率幾乎在80%/min附近，而表6反映的平均調(diào)節(jié)速率僅為52%/min，前者遠(yuǎn)大于后者，這是由于錄波圖是在調(diào)速器中提取的，反映的是調(diào)速器自身的調(diào)節(jié)速度，而表格數(shù)據(jù)來源于監(jiān)控系統(tǒng)AGC數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，其時間起點(diǎn)是調(diào)度發(fā)令的時刻，自調(diào)度至監(jiān)控系統(tǒng)，再從監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令至調(diào)速器，中間要耗去一定時間，這對調(diào)速器而言是無謂的等待時間，但也要算到調(diào)速器頭上，其實這種考核規(guī)則對調(diào)速器很苛刻；故在整定功率調(diào)節(jié)參數(shù)時，要求調(diào)速器自身的調(diào)節(jié)速率比AGC考核值高出一定的裕度，才能滿足調(diào)度考核要求。

4 結(jié)語

（1）我廠1號機(jī)水輪機(jī)調(diào)速器改造后，采用了直接功率給定的功率閉環(huán)調(diào)節(jié)模式作為主用方式，這在五凌公司所屬電廠為首例，從初期運(yùn)行情況看，大幅度功率調(diào)節(jié)很容易滿足調(diào)度對于AGC的考核要求，但小幅度功率調(diào)節(jié)速度折算后偏慢，有時難以滿足調(diào)度考核要求。為此我們進(jìn)行了大量工作，經(jīng)仔細(xì)分析研究，采用基于偏差切換的變PID參數(shù)優(yōu)化控制策略，并適當(dāng)提高隨動系統(tǒng)速動性，解決了AGC調(diào)節(jié)速度問題，保證電廠發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益。

（2）從1號機(jī)一系列的功率響應(yīng)過程分析，在保證調(diào)節(jié)穩(wěn)定的前提下，還有進(jìn)一步提高功率模式調(diào)節(jié)速率的空間，但過快的調(diào)節(jié)速度將造成反水錘及功率反調(diào)，且易加劇導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、接力器等部件的額外磨損，經(jīng)折中考慮，本次功率調(diào)節(jié)完善工作以滿足調(diào)度考核要求作為基本目標(biāo)，不單純追求過快的調(diào)節(jié)速率。

（3）本文的思想方法對于受類似問題困擾的功率模式下調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能優(yōu)化具有普遍的啟示與借鑒意義。