喬 濤

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明650032）

1 加蓬大布巴哈電站情況概述

加蓬大布巴哈電站位于加蓬奧果韋河上，距離弗朗斯維爾（加蓬第三大城市）直線距離15 km，電站安裝4臺45.76 MW混流式水輪發(fā)電機組。電站主體工程有大壩、廠房、引水隧洞、調(diào)壓塔、進場公路；一條45 km 220 kV輸電線路與220/63 kV莫安達變電站連接，單獨向COMILOG錳礦廠供電；一條24 km的63 kV輸電線路與弗朗斯維爾擴建63 kV變電站連接，可向弗朗斯維爾供民用電。

非洲加蓬大布巴哈電站工程屬于EPC項目，由中水十四局負責工程的設計、采購、建設、安裝、調(diào)試、運行維護工作。工程2008年11月15日正式開工，于2010年11月3日順利完成截流，并于2013年4月30日完成下閘蓄水，2013年8月5日廠房4臺機組全部完成72 h空載試運行調(diào)試，2013年12月5日開始并網(wǎng)帶小負荷發(fā)電向錳礦廠提供調(diào)試電源，2014年3月正式運行。

同與弗朗斯維爾變電站連接的還有當?shù)仉娏維EEG運行的小布巴哈水電站，該電站裝機容量為4×5.8 MVA+2×11.6 MVA，可在弗朗斯維爾變電站與大布巴哈電站并網(wǎng)運行。

目前，大布巴哈電站機組長期負荷在10～50 MW區(qū)間內(nèi)運行。由于錳礦廠的負荷特性主要為感性負載而且未合理的配備和投入無功補償裝置，現(xiàn)大布巴哈電站需啟動兩臺機組才能基本抵抗住負荷端的無功沖擊，每臺機組基本長期在5～25 MW的負荷區(qū)間和0.65～0.8的功率因數(shù)區(qū)間內(nèi)低負載低功率因數(shù)運行，這對機組安全穩(wěn)定運行極為不利。

2 孤網(wǎng)運行的概念

孤網(wǎng)是獨立電網(wǎng)的簡稱，一般泛指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)。我國規(guī)定電網(wǎng)中單機容量一般應小于電網(wǎng)總容量的8%，以保證當該機組發(fā)生甩負荷時，不影響電網(wǎng)的正常運行。如果電網(wǎng)中的機組調(diào)速系統(tǒng)都正常投入，一旦失去小于電網(wǎng)總容量的8%的1臺機組，電網(wǎng)失去的功率可以暫時由網(wǎng)中其他機組承擔，保證電網(wǎng)頻率下降不超過0.2 Hz，轉速下降不超過12 r/min，對供電質(zhì)量的影響仍在運行規(guī)程規(guī)定范圍內(nèi)。因此，一般情況下，稱最大單機容量小于電網(wǎng)總容量的8%的電網(wǎng)為大電網(wǎng)，反之稱之為小網(wǎng)，孤立運行的小網(wǎng)稱為孤網(wǎng)。

大布巴哈電站單機容量為45.76 MW，在與小布巴哈電站并網(wǎng)運行時，大布巴哈電站單機容量約占系統(tǒng)容量的20%，屬于小網(wǎng)運行。由于小布巴哈電站僅在其容量不滿足弗朗斯維爾民用電負荷時才通過弗朗斯維爾變電站聯(lián)絡斷路器合閘與大布巴哈電站并網(wǎng)運行，其余大部分時間大布巴哈電站獨立運行向COMILOG錳礦廠供電，單機容量占系統(tǒng)容量的25%，形成典型的孤網(wǎng)運行。

3 孤網(wǎng)運行調(diào)速器系統(tǒng)特點

在大電網(wǎng)運行的發(fā)電機組，允許的頻率偏差為±0.2 Hz，調(diào)度給定負荷，調(diào)速器通過功率給定調(diào)整導葉開度，并比較機組頻率和電網(wǎng)頻率進行PID調(diào)節(jié)，跟蹤電網(wǎng)頻率，使機組保持穩(wěn)定頻率輸出給定功率。由于大電網(wǎng)頻率及負荷穩(wěn)定，調(diào)速器控制動作頻率較低。

調(diào)速器控制原理見圖1。

圖1 調(diào)速器控制原理圖

孤網(wǎng)運行的最大特點是沒有調(diào)度分配負荷，大布巴哈水電站孤網(wǎng)運行時單獨向COMILOG錳礦廠供電，因而負荷大小及功率因數(shù)全部由錳礦廠的生產(chǎn)設備投入情況決定。調(diào)速器不能通過負荷控制，也不能跟蹤電網(wǎng)頻率（電網(wǎng)頻率即是本機組頻率或是本電站其他機組頻率），只能通過跟蹤給定頻率進行導葉控制。要求調(diào)速器系統(tǒng)具有符合要求的靜態(tài)特性、良好的穩(wěn)定性、迅速的動態(tài)響應特性，以保證在用戶負荷變化的情況下自動保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

其中：Fj機組頻率，F(xiàn)g為頻率給定值。

通過對頻率差值進行PID運算后，得到一個與該差值所對應的開度輸出信號，經(jīng)過開度限制環(huán)節(jié)輸出到液壓隨動系統(tǒng)來控制導葉的開度，導葉的開度經(jīng)AD轉換后與PID調(diào)節(jié)器的輸出信號進行綜合比較，放大輸出，直到調(diào)整輸出信號和導葉開度所對應的信號之差為零。

4 孤網(wǎng)運行調(diào)速器系統(tǒng)參數(shù)

大布巴哈電站孤網(wǎng)運行，單獨對錳礦廠供電，機組調(diào)速器的運行參數(shù)設置需根據(jù)錳礦廠的用電特點進行調(diào)整，錳礦廠設備投退頻繁，用電負荷經(jīng)常短時間內(nèi)出現(xiàn)多次較大波動（超過單臺機組容量的25%），對調(diào)速器系統(tǒng)的動態(tài)響應特性有較高的要求，每次用戶設備投退造成負荷波動時都要求調(diào)速器迅速穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。經(jīng)過多次試驗及運行過程觀察，對調(diào)速器系統(tǒng)參數(shù)進行了整定。

4.1 負載頻率PID調(diào)節(jié)永態(tài)轉差系數(shù)Bp

調(diào)速器靜特性，是在平衡狀態(tài)下，調(diào)速器轉速n和接力器行程Y之間的關系，即Y=f（n），其靜特性的斜率就是永態(tài)轉差系數(shù)Bp。國家標準要求靜特性曲線應近似為直線，其最大非線性度不超過5%，當靜特性近似為直線時，Bp的數(shù)學表達式為：

式中：

nmax——機組在空載時的轉速；

nmin——機組在額定出力時的轉速；

ne——機組額定轉速。

機組調(diào)速器Bp=6.3%時靜特性曲線見圖2。

圖2 Bp=6.3%調(diào)速器靜特性曲線圖

將式（1）轉換為頻率表達：

式中：

fmax——機組在空載時的頻率；

fmin——機組在額定出力時的頻率；

fe——機組額定頻率。

將圖2數(shù)據(jù)代入式（2）得出：

由圖可知：ΔY=100%。

因而Bp=6.3%時頻率與導葉開度的關系為：3.15 Hz的頻率變化對應了100%的導葉開度變化。

在大電網(wǎng)運行的水輪發(fā)電機組Bp一般設置為6%左右，大布巴哈水電站調(diào)速器Bp調(diào)整范圍為：0～10%。為滿足動態(tài)響應迅速的要求取較小值1%，即0.5 Hz的頻率變化對應100%的導葉開度變化，在出現(xiàn)負荷波動時迅速穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。

4.2 機組開關機時間

關閉機組進水蝶閥，采用調(diào)速器仿真儀測試開（導葉開度由 0～100%）關（導葉開度由 100%～0）機時間。

開關機試驗曲線見圖3。

圖3 開關機試驗曲線

圖3 中：

開機時間：94.1-84.05=10.05 s；

關機時間：109.35-99.10=10.25 s；

第一段關閉時間：101.75-99.10=2.65 s；

第二段關閉時間：109.35-101.75=7.6 s；

開方向分段點：75.08%；

關方向分段點：48.30%。

現(xiàn)場通過調(diào)整節(jié)流閥流量，多次試驗，將4臺機組開關機時間均調(diào)整為10～12 s之間。

通過按緊急停機按鈕停機時，導葉關閉不通過分段關閉閥，由100%直接關到0%，現(xiàn)場4臺機組均調(diào)整為9～10 s之間。

4.3 PID調(diào)節(jié)參數(shù)設置

PID控制器根據(jù)系統(tǒng)的偏差利用比例、積分、微分計算出控制量對導葉開度進行控制，其中偏差是給定頻率值減去系統(tǒng)輸出頻率反饋值，PID控制器是線性控制器，組成如圖1，PID控制器的控制規(guī)律如式（3）。

式中：

e（t）——t時刻的輸入偏差值 ΔF（t）；

KP——比例系數(shù)；

TI——積分時間常數(shù)；

TD——微分時間常數(shù)。

（1）比例系數(shù)KP作用是加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。當給定頻率與系統(tǒng)輸出頻率反饋值之間出現(xiàn)偏差時，比例控制就會發(fā)出Yp信號，增大或減小導葉開度，使偏差向減小方向調(diào)整，比例系數(shù)KP越大，則它的作用也越強，比例控制雖然反應快，但是當偏差很小時，它的調(diào)節(jié)作用就比較慢，KP取值過小，會降低對偏差的靈敏度及調(diào)節(jié)精度，使系統(tǒng)響應速度慢，不符合大布巴哈電站運行要求。但KP取值過大，系統(tǒng)雖然調(diào)節(jié)精度高，反應速度快，但是會產(chǎn)生超調(diào)，動態(tài)性能變壞，系統(tǒng)容易不穩(wěn)定。

大布巴哈電站調(diào)速器KP的設定范圍為：0.5～20。經(jīng)過多次試驗調(diào)試，設定 KP=4.8～5.2，用于帶變動負荷調(diào)頻的機組設為5.2，迅速根據(jù)負荷變動調(diào)整機組出力。用于帶穩(wěn)定負荷的機組設為4.8，負荷波動時反應滯后于調(diào)頻機組。

（2）積分系數(shù)KI作用是減小并消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。積分的控制作用是可以記憶給定與輸出的偏差，并隨著時同的累積，積分作用隨之加強，減小了小偏差的存在，能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差，在調(diào)節(jié)過程中，積分系數(shù)KI雖然能夠消除穩(wěn)態(tài)偏差，但是也不能過大，否則在單極性偏差長時間存在情況下將出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，容易使系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，同時也不能過小，否則不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，還影響調(diào)節(jié)準確度。

大布巴哈電站調(diào)速器KI的設定范圍為：0.05～10 s-1。經(jīng)過多次試驗調(diào)試，設定 KI=0.5～0.6 s-1。

（3）微分系數(shù)KD作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分控制信號有預測和超前的特點，它能夠很快的感覺到偏差的變化，從一定程度上代表了偏差變化的速度，在系統(tǒng)脫離平衡位置前，它就會給出控制。它能夠減小超調(diào)量，增加穩(wěn)定性，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間減小，但是它的敏感性使它抗干擾能力差，同時微分增益過大時，在給定突變情況下會出現(xiàn)微分飽和。

大布巴哈電站調(diào)速器KD的設定范圍為：0～10 s。經(jīng)過多次試驗調(diào)試，設定KD=0～0.05 s。

4.4 頻率調(diào)節(jié)死區(qū)（人工失靈區(qū)域）

頻率調(diào)節(jié)死區(qū)是指人工給定一個頻率偏差E，當給定頻率與系統(tǒng)輸出頻率反饋值之差的絕對值大于E時，調(diào)速器才開始動作進行頻率調(diào)節(jié)。當電網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)小負荷波動時給定較大的E值可以減少調(diào)速器控制閥動作的頻率。

大布巴哈電站的頻率調(diào)節(jié)死區(qū)范圍為：0～±1.5%nr即±0.75 Hz。

（1）單臺機組運行時為使電網(wǎng)頻率保持在50±0.2 Hz將頻率調(diào)節(jié)死區(qū)設置為0.2 Hz。

（2）兩臺機組并列運行時，由于電網(wǎng)頻率就是電站機組頻率，為避免負荷波動時兩臺機組同時進行頻率調(diào)節(jié)，負荷在兩臺機組間來回轉移，造成頻率震蕩。所以兩臺機組必須設置不同的頻率調(diào)節(jié)死區(qū)，調(diào)頻機組設置為0.2 Hz，帶穩(wěn)定負荷機組設置為0.5 Hz，當電網(wǎng)出現(xiàn)小負荷波動時主要由調(diào)頻機組穩(wěn)定頻率。

（3）同理，在其他并列運行情況下，如3臺或4臺機組并列運行，同樣將頻率調(diào)節(jié)死區(qū)設置為不同值，以區(qū)分各機組進入頻率調(diào)節(jié)的先后順序。

5 小網(wǎng)運行狀態(tài)調(diào)速器系統(tǒng)的特殊設置

通過弗朗斯維爾變電站與大布巴哈電站電網(wǎng)連接的小布巴哈電站，在其容量不滿足弗朗斯維爾民用電負荷時會通過弗朗斯維爾變電站聯(lián)絡斷路器合閘與大布巴哈電站并網(wǎng)運行。由于小布巴哈電站建于20世紀70年代，設備陳舊，其調(diào)速器系統(tǒng)的動態(tài)響應特性與大布巴哈電站有較大差距，當電網(wǎng)負荷降低時，小布巴哈電站機組頻率出現(xiàn)抬高，并較長時間不能回歸到額定值，造成電網(wǎng)頻率抬高（峰值達51 Hz）。大布巴哈機組為將電網(wǎng)頻率調(diào)整到給定頻率（50 Hz）不斷降低機組出力，最終造成機組逆功率，逆功率保護動作，事故停機。大布巴哈電站機組在小網(wǎng)運行時多次出現(xiàn)逆功率事故停機，事故記錄曲線見圖4。

圖4 機組逆功率事故停機

為避免與小布巴哈并列運行時出現(xiàn)機組逆功率事故停機，我方技術人員到小布巴哈電廠進行了多次考察，發(fā)現(xiàn)小布巴哈電廠運行頻率經(jīng)常保持在50.2 Hz左右，而且頻率升高后調(diào)速器調(diào)節(jié)緩慢，經(jīng)常在較高頻率下持續(xù)運行2 min以上。

針對以上情況，大布巴哈電站通過研究討論制定了以下措施：

（1）并列運行時手動調(diào)整頻率給定（Fg）設定為50.2 Hz；

（2）并列運行時人為降低大布巴哈電站機組調(diào)速器的調(diào)節(jié)靈敏度，將頻率調(diào)節(jié)死區(qū)設置為0.4 Hz，將永態(tài)轉差系數(shù)Bp設置為6%；

（3）并列運行時運行人員加強監(jiān)控，一旦小布巴哈連接的弗朗斯維爾線路出現(xiàn)較大逆功率，為避免機組事故停機，提前手動進行解列操作，并及時與小布巴哈電廠溝通解列原因。

以上措施執(zhí)行后，大布巴哈機組并列運行時出現(xiàn)逆功率事故停機的幾率大大減小，保證孤網(wǎng)模式正常運行的概率也提高了。

6 結語

孤網(wǎng)運行電站的負荷全部由用戶決定，電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)工作全部由電站水輪機調(diào)速器承擔。因而對電站機組調(diào)速器的動態(tài)響應特性及電站并列運行各臺機組調(diào)速器的配合有較高的要求。鑒于COMILOG錳礦廠負荷突變大的特點，進一步選擇調(diào)速器最優(yōu)調(diào)節(jié)規(guī)律及PID調(diào)節(jié)參數(shù)，保證孤網(wǎng)模式正常運行，兼顧考慮調(diào)節(jié)過程與保護配置關系，能確保機組不停機。需要運行調(diào)試人員在試驗及運行過程中不斷觀察調(diào)整、分析改進，才能減少事故停機出現(xiàn)的幾率，提高供電質(zhì)量及電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。