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        大型水電站調(diào)速器孤網(wǎng)模式設(shè)計與試驗

        2018-08-07 06:33:58于文杰劉細輝王亞華
        水電站機電技術(shù) 2018年7期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        于文杰,劉細輝,王亞華

        (雅礱江流域水電開發(fā)有限公司,四川 成都610041)

        0 前言

        隨著跨區(qū)域大負荷輸電的發(fā)展,電網(wǎng)規(guī)模越來越大,相應(yīng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制提出了更高要求。2008年年初雪災(zāi),電力設(shè)施損毀慘重,部分地區(qū)解裂為孤立電網(wǎng)后,機組容量與孤網(wǎng)負荷不匹配,電網(wǎng)穩(wěn)定運行受到威脅,此時調(diào)速器參數(shù)的設(shè)計是否合理是影響穩(wěn)定的關(guān)鍵因素,設(shè)置不合理易引起機組震蕩[1]。在系統(tǒng)嚴重故障時,大型水力發(fā)電廠帶區(qū)域電網(wǎng)進入孤網(wǎng)運行模式。本文介紹了某大型水電站的孤網(wǎng)模式的設(shè)計及試驗過程,可為同類電廠提供案例參考。

        1 調(diào)速系統(tǒng)孤網(wǎng)模式技術(shù)要求

        根據(jù)《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術(shù)導(dǎo)則》(DL/T1245)第5.1.14條要求,“水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在不同運行工況、不同控制模式下所使用的PID調(diào)節(jié)參數(shù)、人工頻率/轉(zhuǎn)速死區(qū)、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)/調(diào)差率以及隨動系數(shù)參數(shù)、協(xié)聯(lián)關(guān)系等均應(yīng)能通過人機界面或?qū)S谜{(diào)試設(shè)備方便查詢和調(diào)整”。調(diào)速器系統(tǒng)設(shè)置的孤網(wǎng)模式應(yīng)PID參數(shù)、人工頻率/轉(zhuǎn)速死區(qū)等應(yīng)單獨設(shè)置參數(shù)并方便查詢和調(diào)整。

        根據(jù)《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術(shù)導(dǎo)則》(DL/T1245)第5.2.6條要求,“水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)該能對并網(wǎng)運行開度調(diào)節(jié)模式、功率調(diào)節(jié)模式、孤網(wǎng)運行頻率調(diào)節(jié)模式及一次調(diào)頻模式分別設(shè)置相應(yīng)的調(diào)節(jié)參數(shù),調(diào)節(jié)模式切換時調(diào)節(jié)參數(shù)能自動切換”。調(diào)速器控制系統(tǒng)應(yīng)能獨立設(shè)置孤網(wǎng)模式及參數(shù),其孤網(wǎng)模式應(yīng)能獨立配置孤網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)死區(qū)、PID參數(shù)、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)等。

        根據(jù)電網(wǎng)實際運行需求,調(diào)速器控制系統(tǒng)應(yīng)具備自動/手動投入、退出孤網(wǎng)模式運行的功能,手動投入孤網(wǎng)模式后不允許自動返回正常聯(lián)網(wǎng)模式。

        2 孤網(wǎng)模式設(shè)計

        2.1 孤網(wǎng)模式自動投退功能

        在調(diào)速器控制系統(tǒng)觸摸屏上設(shè)置孤網(wǎng)模式投退窗口如下頁圖1所示,在監(jiān)控系統(tǒng)上設(shè)置孤網(wǎng)模式投退窗口如下頁圖2所示。優(yōu)化控制程序?qū)崿F(xiàn)功能如下:

        (1)在調(diào)速器控制系統(tǒng)觸摸屏上設(shè)置密碼登錄窗口,輸入密碼方能進行孤網(wǎng)模式切換及參數(shù)修改工作。

        (2)設(shè)置孤網(wǎng)模式切換按鈕,點擊按鈕進行“自動”及“人工”模式切換。在“自動”模式下,調(diào)速器控制系統(tǒng)按照設(shè)置窗中“自動投孤網(wǎng)頻差0.50 Hz”及“自動退孤網(wǎng)頻差0.10 Hz”進行模式自動投退,在此模式下監(jiān)控系統(tǒng)選擇“切手動”方式,點擊“投孤網(wǎng)”、“退孤網(wǎng)”按鈕仍然可實現(xiàn)孤網(wǎng)模式的手動投退;在“人工”模式下,調(diào)速器控制系統(tǒng)按照監(jiān)控系統(tǒng)上的投退按鈕進行操作,點擊“切手動”按鈕,“孤網(wǎng)投退方式”顯示“手動”,此時可點擊“投孤網(wǎng)”、“退孤網(wǎng)”按鈕,進行孤網(wǎng)運行模式切換。

        (3)在“自動”模式下,系統(tǒng)頻率滿足“自動退孤網(wǎng)頻差0.10 Hz”后進行延時3 min,孤網(wǎng)運行模式自動退出,防止頻率出現(xiàn)急劇波動時孤網(wǎng)模式發(fā)生高頻率投退現(xiàn)象,保證調(diào)速器孤網(wǎng)調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定可靠。

        圖1 調(diào)速器控制系統(tǒng)孤網(wǎng)模式投退窗口

        圖2 監(jiān)控系統(tǒng)上孤網(wǎng)模式投退窗口

        2.2 孤網(wǎng)模式控制參數(shù)

        在調(diào)速器控制系統(tǒng)觸摸屏上設(shè)置孤網(wǎng)投退窗口如圖3所示。優(yōu)化控制程序?qū)崿F(xiàn)功能如下:

        (1)調(diào)速器進入孤網(wǎng)控制模式,按照“比列增益3.00”、“積分增益0.20”及“微分增益1.00”的參數(shù)進行過程調(diào)節(jié)與控制。與并網(wǎng)開度控制模式調(diào)節(jié)參數(shù)“比例增益3.00”、“積分增益1.00”及“微分增益1.00”相比積分增益變小,已保證調(diào)節(jié)過程平穩(wěn),避免發(fā)生振蕩情形。

        (2)“頻率死區(qū)0.20 Hz”表示頻率在50±0.2 Hz的范圍內(nèi),孤網(wǎng)模式下調(diào)速器系統(tǒng)不進行調(diào)節(jié)。

        (3)“調(diào)差系數(shù)1.00%”與開度模式下“調(diào)差系數(shù)4.00%”相比較數(shù)值變小,已保證調(diào)節(jié)的幅度與效果。

        (4)“頻差限幅”參數(shù)的作用是保證頻率調(diào)節(jié)在正常的數(shù)值范圍內(nèi),避免出現(xiàn)過度調(diào)節(jié)及頻率誤調(diào)節(jié)的情況。

        圖3 手動投入孤網(wǎng)模式只能手動退出,頻差死區(qū)設(shè)置

        3 孤網(wǎng)模式試驗

        3.1 靜態(tài)試驗

        “靜態(tài)”是指機組未啟動,蝸殼無水或者靜壓狀態(tài),調(diào)速器液壓系統(tǒng)調(diào)試合格后的狀態(tài)。

        3.1.1 孤網(wǎng)模式PID調(diào)節(jié)特性測試及Bp校驗[2]

        試驗按分環(huán)節(jié)測試法,測量比例、積分及微分等環(huán)節(jié)的輸入輸出特性。試驗方法及步驟:

        (1)調(diào)速器切手動,在50 Hz穩(wěn)定信號,模擬并網(wǎng)信號,接力器行程穩(wěn)定于50%附近,死區(qū)設(shè)置為0,Bp設(shè)置為0,進行分環(huán)節(jié)時域測量。比例放大倍數(shù)測量時,將微分、積分環(huán)節(jié)退出,進行不同比例放大倍數(shù)下的階躍試驗;微分測量時,將比例、積分、環(huán)節(jié)退出,進行不同微分系數(shù)下的階躍試驗;積分測量時,將比例、微分環(huán)節(jié)退出,進行不同積分系數(shù)下的階躍試驗。

        (2)調(diào)速器切自動頻率模式運行,進行頻率給定階躍試驗,辨識PID各環(huán)節(jié)參數(shù)。

        (3)調(diào)速器切手動,設(shè)置 Bp=0、4%、5%;Kd、Kp、Ki為定值,重復(fù)擾動試驗[3]。

        3.1.2 孤網(wǎng)人工頻率死區(qū)檢查校驗

        試驗方法及步驟:

        (1)在機柜端子上加50 Hz穩(wěn)定信號,模擬并網(wǎng)信號,手動接力器行程穩(wěn)定于約50%附近,調(diào)速器模擬機組并網(wǎng)帶負荷工況,自動開度模式運行,人工頻率死區(qū)設(shè)置為:E=±0.2 Hz。

        (2)使頻率給定發(fā)生階躍擾動,擾動量為±0.2Hz,±0.22 Hz,±0.3 Hz記錄接力器行程的變化過程及調(diào)速器人工頻率死區(qū)設(shè)定值。

        (3)接力器行程穩(wěn)定與約20%附近,將人工頻率死區(qū)設(shè)置為E=±0.05 Hz,以0.01 Hz步長將機頻由50 Hz逐次降至49.8 Hz,穩(wěn)定后返回50 Hz,然后再由50 Hz逐次加到50.2 Hz,穩(wěn)定后返回。測出在設(shè)定頻率死區(qū)下導(dǎo)葉接力器的開度與頻率的關(guān)系,計算其實測值與誤差值。

        3.1.3 孤網(wǎng)人工頻率死區(qū)檢查校驗

        試驗方法及步驟:

        (1)在機柜端子上加50 Hz穩(wěn)定信號,模擬并網(wǎng)信號,手動接力器行程穩(wěn)定于約50%附近,調(diào)速器模擬機組并網(wǎng)帶負荷工況,自動開度模式運行,人工頻率死區(qū)設(shè)置為:E=±0.1 Hz。

        (2)使頻率給定發(fā)生階躍擾動,逐步增大擾動量直到調(diào)速器輸出限幅動作。

        3.1.4 模擬并網(wǎng)下自動切換孤網(wǎng)模式試驗

        試驗方法及步驟:

        (1)調(diào)速系統(tǒng)模擬并網(wǎng)運行,調(diào)速系統(tǒng)大網(wǎng)、孤網(wǎng)參數(shù)按照正常參數(shù)設(shè)置,在機柜端子上加50 Hz穩(wěn)定信號,自動開度/功率模式運行。根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)孤網(wǎng)切換頻率設(shè)定值,設(shè)定信號發(fā)生器輸出頻率發(fā)生階躍擾動,若頻率擾動量超過切換頻率并持續(xù)足夠時間,調(diào)速系統(tǒng)將自動切換至孤網(wǎng)模式運行。

        (2)略微增大頻率階躍量,重新進行階躍試驗,測試在孤網(wǎng)模式下的PID輸出調(diào)節(jié)特性。

        3.1.5 模擬并網(wǎng)下孤網(wǎng)自動返回試驗

        試驗方法及步驟:

        在3.1.4的基礎(chǔ)上,當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)切換為孤網(wǎng)模式運行后,逐步將信號發(fā)生器輸出頻率返回至50 Hz,在此過程中,記錄調(diào)速器系統(tǒng)孤網(wǎng)模式返回至正常聯(lián)網(wǎng)模式的返回頻率及時間。

        3.1.6 模擬并網(wǎng)下手動切換孤網(wǎng)模式試驗

        試驗方法及步驟:

        在3.1.5的基礎(chǔ)上,當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)切換為孤網(wǎng)模式運行后,手動將孤網(wǎng)模式切換至正常聯(lián)網(wǎng)模式,測量調(diào)速系統(tǒng)PID輸出等調(diào)節(jié)特性。測試返回正常聯(lián)網(wǎng)模式是否正常。

        3.2 動態(tài)試驗

        “動態(tài)”是指機組并網(wǎng)帶負荷運行的發(fā)電狀態(tài),且機組一次調(diào)頻調(diào)試合格,一次調(diào)頻能正常投入運行。

        3.2.1 機組自動切孤網(wǎng)模式頻率擾動試驗

        動態(tài)擾動通常在開度模式、功率模式及監(jiān)控功率閉環(huán)調(diào)節(jié)模式等調(diào)節(jié)方式下進行,25%額定負荷下動態(tài)頻率擾動試驗。

        試驗條件:

        (1)調(diào)速系統(tǒng)其他各項動態(tài)試驗(如一次調(diào)頻試驗)驗收已完畢。

        (2)機組具備變負荷條件,同時機組運行穩(wěn)定。

        (3)PID設(shè)置為一次調(diào)頻試驗整定值,死區(qū)按一次調(diào)頻要求設(shè)置。

        試驗方法:

        (1)確認機組穩(wěn)定運行,將聯(lián)網(wǎng)模式下的一次調(diào)頻限幅值臨時修改為約3%~5%額定功率。

        (2)逐次改變調(diào)速器頻率給定值(或模擬機組頻率信號,下同),根據(jù)調(diào)速器系統(tǒng)孤網(wǎng)切換頻率設(shè)置情況,逐步變化過程為正負 0.1 Hz,0.2 Hz,0.25 Hz,0.5 Hz,1.0 Hz測試記錄每一次擾動過程。調(diào)速器機旁一直有人監(jiān)視,以便異常工況下調(diào)速器切手動。若頻率擾動量超過切換頻率并持續(xù)足夠時間,調(diào)速系統(tǒng)將自動切換至孤網(wǎng)模式運行。測試在孤網(wǎng)切換及切換后的調(diào)節(jié)特性。

        (3)記錄機組孤網(wǎng)模式切換頻率及延時,記錄頻率返回后調(diào)速系統(tǒng)切換為正常聯(lián)網(wǎng)模式的頻率及延時。

        3.2.2 機組并網(wǎng)帶孤立調(diào)節(jié)試驗

        根據(jù)《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術(shù)導(dǎo)則》(DL/T1245)第6.5“孤立調(diào)節(jié)試驗”推薦,機組并入電網(wǎng)運行,帶不少于25%的額定負荷,待負荷穩(wěn)定后,跳開主變高壓側(cè)斷路器,但發(fā)電機出口斷路器依然保持閉合,觀察并記錄頻率、接力器位移等信號在此切換過程中的變化,驗證調(diào)節(jié)過程是否正常穩(wěn)定。

        3.2.3 模擬并網(wǎng)下手動切換孤網(wǎng)模式試驗

        機組正常并網(wǎng)運行,手動將調(diào)速系統(tǒng)切換為孤網(wǎng)模式,調(diào)節(jié)穩(wěn)定后將孤網(wǎng)模式切換至正常聯(lián)網(wǎng)模式,測量調(diào)速系統(tǒng)PID輸出等調(diào)節(jié)特性。測試各切換及返回過程是否正常。

        3.2.4 孤網(wǎng)模式下機組運行監(jiān)視

        機組正常并網(wǎng)運行,手動將調(diào)速系統(tǒng)切換為孤網(wǎng)模式,記錄30 min正常運行監(jiān)測情況,確認試驗期間機組運行穩(wěn)定。

        4 試驗波形

        根據(jù)第3節(jié)的試驗內(nèi)容,選擇有代表性的波形如圖4至圖8。圖4、圖5是機組80%負荷(480 MW),系統(tǒng)頻率變化0.2 Hz時調(diào)速器進行一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)過程,未進入孤網(wǎng)運行模式。圖6是機組25%負荷(150 MW)跳開主變高壓側(cè)開關(guān),機組帶主變廠用電,自動進入孤網(wǎng)運行模式的波形,進入孤網(wǎng)模式后調(diào)節(jié)穩(wěn)定,孤網(wǎng)功能正常。圖7是機組25%負荷(150 MW)并網(wǎng)運行時,模擬網(wǎng)頻50 Hz變?yōu)?0.505 Hz機組孤網(wǎng)模式調(diào)節(jié)波形圖,調(diào)速器正確進入孤網(wǎng)運行模式,調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)。圖8是機組25%負荷(150 MW)并網(wǎng)運行時,模擬網(wǎng)頻50 Hz變?yōu)?0.6 Hz機組自動進入及退出孤網(wǎng)模式波形圖,自動切換至孤網(wǎng)運行模式運行為穩(wěn)定,調(diào)節(jié)過程平穩(wěn),自動退出孤網(wǎng)模式時動作準確,系統(tǒng)運行平穩(wěn),滿足規(guī)程及電網(wǎng)的運行要求。

        圖4 開度模式下頻率擾動由50 Hz變?yōu)?9.8 Hz再變?yōu)?0 Hz功率、開度變化波形圖

        圖5 開度模式下頻率擾動由50 Hz變?yōu)?0.2 Hz再變?yōu)?0 Hz功率、開度變化波形圖

        圖6 機組25%負荷跳開主變高壓側(cè)開關(guān)自動進入孤網(wǎng)模式波形圖

        5 結(jié)論

        通過對水力發(fā)電廠的孤網(wǎng)模式設(shè)計,增強了調(diào)速器系統(tǒng)適應(yīng)孤網(wǎng)運行的能力,不僅滿足相關(guān)國家標準,而且滿足電網(wǎng)對電站調(diào)速系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)及穩(wěn)定運行的要求。通過試驗驗證了孤網(wǎng)模式的實際動作過程及調(diào)節(jié)特性穩(wěn)定可靠,對其他電站孤網(wǎng)模式的設(shè)計及試驗有一定的借鑒作用。

        圖7 機組25%負荷網(wǎng)頻50 Hz變?yōu)?0.505 Hz機組孤網(wǎng)模式調(diào)節(jié)及退出波形圖

        圖8 機組25%負荷網(wǎng)頻50 Hz變?yōu)?0.6 Hz機組自動進入及退出孤網(wǎng)模式波形圖

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