丁占濤，蔡衛(wèi)江，趙文利，蔣定章，趙 勇

［1．國(guó)家能源集團(tuán)新疆開都河流域水電開發(fā)有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)庫(kù)爾勒市 241082；2．南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院） 江蘇省南京市 211106］

0 引言

隨著我國(guó)電力技術(shù)向智能化、信息化方向發(fā)展，智能變電站已成為電網(wǎng)建設(shè)的常規(guī)配置，智能水電廠的建設(shè)發(fā)展也方興未艾。為了適應(yīng)智能水電廠的發(fā)展，水輪機(jī)調(diào)速器也需要在硬件及軟件上滿足智能化發(fā)展要求。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1547《智能水電廠技術(shù)導(dǎo)則》以及DL/T 860.7410《電力自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng) 第7-410 部分：基本通信結(jié)構(gòu) 水力發(fā)電廠監(jiān)視與控制用通信》等規(guī)定了智能水輪機(jī)調(diào)速器的通信接口及標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以及通信建模要求。文獻(xiàn)[1]從智能水輪機(jī)調(diào)速器的基本架構(gòu)和硬件配置方面進(jìn)行了討論；文獻(xiàn)[2]從智能水輪機(jī)調(diào)速器的網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)建模等方面進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[3]從智能水輪機(jī)調(diào)速器的具體設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了討論；文獻(xiàn)[4]從智能水輪機(jī)調(diào)速器的軟件功能等方面進(jìn)行了探討，主要討論了智能調(diào)速器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷等功能。

目前這些研究主要從水輪機(jī)調(diào)速器的整體架構(gòu)、通信接口、硬件配置、軟件功能開發(fā)等方面進(jìn)行了探討，對(duì)智能水輪機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)與控制方面均未涉及。但目前水電廠水輪機(jī)調(diào)節(jié)方面普遍存在一次調(diào)頻積分電量考核不達(dá)標(biāo)[5]、調(diào)速器一次調(diào)頻與電廠自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)（AGC）存在沖突[6]、調(diào)速器功率模式存在水頭變化后調(diào)節(jié)參數(shù)難以適應(yīng)、功率調(diào)節(jié)波動(dòng)等問(wèn)題[7]。迫切需要智能水電廠調(diào)速系統(tǒng)硬件及通信網(wǎng)絡(luò)升級(jí)后，調(diào)節(jié)和控制策略能進(jìn)一步提高，具有更強(qiáng)的智能調(diào)節(jié)控制、參數(shù)自適應(yīng)和源網(wǎng)協(xié)調(diào)能力，滿足電網(wǎng)日益嚴(yán)格的頻率和功率控制要求。

1 功率調(diào)節(jié)及比較

水電站調(diào)速器是控制和調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)組有功和頻率的核心設(shè)備，承擔(dān)機(jī)組開機(jī)、停機(jī)、并網(wǎng)、負(fù)荷調(diào)整、一次調(diào)頻等重要任務(wù)。就機(jī)組功率調(diào)節(jié)而言，目前調(diào)速器功率調(diào)節(jié)一般采用兩種方式：一是開度模式，如圖1 所示；二是功率模式，如圖2 所示。

圖1 調(diào)速器開度模式下的機(jī)組有功調(diào)節(jié)示意圖Figure 1 Schematic diagram of unit active power regulation at governor opening mode

圖2 調(diào)速器功率模式下的機(jī)組有功調(diào)節(jié)示意圖Figure 2 Schematic diagram of unit active power regulation at governor power mode

調(diào)速器開度模式下，機(jī)組有功調(diào)節(jié)主要靠水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成，機(jī)組有功功率反饋到監(jiān)控現(xiàn)地控制單元（LCU），LCU 接收調(diào)度AGC 分配有功給定指令，計(jì)算功率給定和反饋的差值，再經(jīng)過(guò)一個(gè)比例和積分環(huán)節(jié)，換算成相應(yīng)的脈沖增減指令，發(fā)送給調(diào)速器進(jìn)行開度調(diào)節(jié)。調(diào)速器主要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)頻率和50Hz 給定值的偏差，經(jīng)過(guò)人工頻率死區(qū)，再通過(guò)PID 調(diào)節(jié)模塊以及調(diào)差反饋環(huán)節(jié)，加上和水頭協(xié)聯(lián)的空載開度，以及LCU 傳遞的開度增減指令，最終計(jì)算出開度給定，進(jìn)行開度調(diào)整，從而調(diào)節(jié)機(jī)組功率到目標(biāo)值。

調(diào)速器功率模式下，機(jī)組有功調(diào)節(jié)主要靠調(diào)速系統(tǒng)完成，首先，LCU 接收監(jiān)控系統(tǒng)AGC 分配有功給定指令，轉(zhuǎn)換成4 ～20mA 模擬量（也有通過(guò)數(shù)字通信方式），直接發(fā)送給調(diào)速器，有功反饋也傳遞到調(diào)速器，調(diào)速器自行比較有功給定和反饋的偏差，經(jīng)過(guò)功率死區(qū)，調(diào)差環(huán)節(jié)，再和頻率偏差進(jìn)行疊加，疊加后的偏差再經(jīng)過(guò)PID 調(diào)節(jié)模塊，加上空載開度，最終計(jì)算出開度給定，通過(guò)開度調(diào)整，調(diào)節(jié)機(jī)組功率到目標(biāo)值。

上述兩種調(diào)節(jié)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，開度模式下，導(dǎo)葉呈階梯狀動(dòng)作，相對(duì)速率較平緩，穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)定性較好，但功率調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，精度稍差，約在1%范圍內(nèi)，且存在一次調(diào)頻與AGC 調(diào)節(jié)互相影響問(wèn)題，需要協(xié)調(diào)好。由于采用頻差轉(zhuǎn)化為開度的方式，水頭變化時(shí)，一次調(diào)頻動(dòng)作有功功率會(huì)不一致，影響積分電量考核。功率模式下，導(dǎo)葉動(dòng)作連續(xù)，調(diào)節(jié)速率較快，精度較高，可達(dá)0.5%，調(diào)速器自身可以協(xié)調(diào)一次調(diào)頻與AGC 調(diào)節(jié)指令的關(guān)系，且采用頻差轉(zhuǎn)化為功率的方式，有功功率變化不受水頭變化影響。但功率模式下主要存在調(diào)節(jié)參數(shù)難以選擇問(wèn)題：由于導(dǎo)葉開度和功率存在較大非線性，在機(jī)組不同負(fù)荷點(diǎn)，同樣的開度變化導(dǎo)致的功率變化差異很大；其次受水頭影響較大，水頭變化時(shí)，同樣會(huì)造成開度與功率之間較大差異。因此，功率調(diào)節(jié)參數(shù)需要適應(yīng)不同水頭、不同負(fù)荷點(diǎn)的調(diào)節(jié)，參數(shù)不宜太大，但要適應(yīng)一次調(diào)頻考核要求，還需要較大的參數(shù)，參數(shù)難以適應(yīng)多種情況。部分電站采用多組參數(shù)來(lái)適應(yīng)不同水頭下的功率調(diào)節(jié)，但由于水頭不能隨意改變，造成調(diào)節(jié)參數(shù)難以通過(guò)真機(jī)試驗(yàn)來(lái)獲得，只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，實(shí)際應(yīng)用效果并不理想[8]。

2 功率調(diào)節(jié)優(yōu)化

在此，結(jié)合兩種調(diào)節(jié)方式優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出一種改進(jìn)型的功率調(diào)節(jié)模式，同樣在調(diào)速器功率模式下，調(diào)速器接收監(jiān)控系統(tǒng)的功率定值，采集當(dāng)前機(jī)組工作水頭，依據(jù)水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線換算出來(lái)的水頭/功率/開度關(guān)系曲線，計(jì)算出當(dāng)前的導(dǎo)葉開度，按照開度模式進(jìn)行粗調(diào)，當(dāng)功率給定和反饋接近目標(biāo)值時(shí)，再啟動(dòng)功率PI 調(diào)節(jié)，按照功率模式進(jìn)行微調(diào)。早期，有國(guó)外產(chǎn)品曾經(jīng)用過(guò)類似方法，但主要采用將功率調(diào)節(jié)按水頭/功率/開度關(guān)系曲線轉(zhuǎn)化為開度調(diào)節(jié)方式，這種功率調(diào)節(jié)，嚴(yán)重依賴水頭測(cè)值及水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的正確性，難以調(diào)節(jié)精確，雅礱江二灘電廠、三峽電廠國(guó)外調(diào)速器均采用過(guò)此模式，后來(lái)改造已不再采用。本方式則在此基礎(chǔ)上，增加了功率PI 微調(diào)，一次調(diào)頻優(yōu)化、水錘效應(yīng)抑制等環(huán)節(jié)，對(duì)調(diào)節(jié)參數(shù)不再敏感，大大提高了功率調(diào)節(jié)對(duì)水頭/負(fù)荷點(diǎn)變化的適應(yīng)能力和調(diào)節(jié)精度，對(duì)一次調(diào)頻的性能也進(jìn)一步提升。詳細(xì)調(diào)節(jié)方式如圖3 所示。

圖3 調(diào)速器新型功率調(diào)節(jié)優(yōu)化示意圖Figure 3 Schematic diagram of new power regulation optimization of governor

從圖3 中可以看出，調(diào)速器的功率調(diào)節(jié)主要分三部分，一是依據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)AGC 算出的功率定值PG1，以及水輪機(jī)工作水頭Hy，按照水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線得出的水頭/功率/開度關(guān)系曲線，查表得出水輪機(jī)導(dǎo)葉開度Gv1；二是一次調(diào)頻動(dòng)作產(chǎn)生的功率調(diào)整量?P1，這是當(dāng)電網(wǎng)頻率超出人工頻率死區(qū)時(shí)，按照調(diào)差系數(shù)換算出的功率調(diào)整量，一部分疊加到監(jiān)控功率給定上，通過(guò)查表得到部分開度變化量，另一部分作用于功率PI 調(diào)節(jié)，產(chǎn)生功率變化；三是監(jiān)控功率給定PG1與功率反饋Pf比較后產(chǎn)生的功率偏差，經(jīng)過(guò)限幅環(huán)節(jié)和死區(qū)環(huán)節(jié)后，作用于功率PI 調(diào)節(jié)產(chǎn)生的導(dǎo)葉開度調(diào)整量，PI 調(diào)節(jié)參數(shù)一般較?。楸ＷC穩(wěn)定性）。這三部分產(chǎn)生的導(dǎo)葉動(dòng)作量疊加后得到導(dǎo)葉開度給定Gv，從而作用于液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整機(jī)組功率到目標(biāo)值。

可見，當(dāng)功率調(diào)整量較大時(shí)，第一部分導(dǎo)葉開度Gv1起到主要作用，由于查表速度很快，導(dǎo)葉目標(biāo)開度基本很快就可以確定。后面的功率PI 調(diào)節(jié)由于有偏差限幅及PI 參數(shù)較小，一般在后期起到微調(diào)作用。第二部分主要是一次調(diào)頻動(dòng)作引起的，與功率閉環(huán)調(diào)節(jié)產(chǎn)生的調(diào)節(jié)量進(jìn)行疊加，兩者互不影響。與傳統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)比較，新型功率調(diào)節(jié)具有調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)穩(wěn)定，對(duì)水頭/功率/開度關(guān)系曲線不需要十分準(zhǔn)確（主要起到粗調(diào)作用即可），對(duì)PI 調(diào)節(jié)參數(shù)不敏感，能夠自動(dòng)適應(yīng)不同水頭及負(fù)荷點(diǎn)變化，能夠自動(dòng)協(xié)調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)AGC 調(diào)節(jié)指令和一次調(diào)頻動(dòng)作值。

3 一次調(diào)頻策略優(yōu)化

圖1 所示的開度模式下，其一次調(diào)頻和AGC 調(diào)節(jié)分別由調(diào)速器和監(jiān)控分開調(diào)節(jié)，存在兩者沖突問(wèn)題，需要配合協(xié)調(diào)。且開度模式下僅考慮頻差和開度關(guān)系，沒(méi)有考慮功率和水頭相關(guān)性，難以保證積分電量滿足考核要求。圖2 所示的功率模式，雖然克服了開度模式下存在的與AGC 協(xié)調(diào)問(wèn)題，以及水頭對(duì)功率動(dòng)作量的影響。但存在水頭變化、負(fù)荷點(diǎn)變化功率調(diào)節(jié)參數(shù)難以選擇，一次調(diào)頻考核和調(diào)節(jié)穩(wěn)定性難以兼顧的問(wèn)題。圖3 所示的新型功率調(diào)節(jié)模式結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，特點(diǎn)如下：

（1）從圖2 可以看出，常規(guī)一次調(diào)頻方式都是將超過(guò)頻率死區(qū)后的頻率偏差，經(jīng)過(guò)PID 調(diào)節(jié)后產(chǎn)生相應(yīng)功率變化，功率變化再通過(guò)調(diào)差系數(shù)Ep負(fù)反饋到頻差環(huán)節(jié)，兩者中和后，調(diào)節(jié)才能完成，動(dòng)作路徑較長(zhǎng)，速度較慢。優(yōu)化后的一次調(diào)頻策略（見圖3），直接將一次調(diào)頻產(chǎn)生的頻率偏差乘以調(diào)差系數(shù)Ep的倒數(shù)，轉(zhuǎn)換成功率給定一部分，通過(guò)查表和PI 調(diào)節(jié)，可以快速調(diào)節(jié)有功到目標(biāo)值，調(diào)節(jié)速度較快。

（2）一次調(diào)頻小頻差情況下，功率變化較小，受功率死區(qū)影響較大，為此新型功率調(diào)節(jié)將一次調(diào)頻產(chǎn)生的功率調(diào)整量越過(guò)死區(qū)，直接作用于PI 調(diào)節(jié)，可以有效提高小頻差下一次調(diào)頻積分電量。

（3）新型調(diào)節(jié)模式一次調(diào)頻初始動(dòng)作量主要靠查表獲得，與調(diào)節(jié)參數(shù)無(wú)關(guān)，后期依靠較小的PI 參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，有效克服不同水頭、不同負(fù)荷點(diǎn)的影響，有效兼顧一次調(diào)頻考核要求快速響應(yīng)，負(fù)荷調(diào)節(jié)要求穩(wěn)定、準(zhǔn)確的要求。

4 水錘引起的功率反調(diào)抑制

水錘效應(yīng)主要指穩(wěn)態(tài)情況下，一次調(diào)頻動(dòng)作，導(dǎo)葉開啟（或關(guān)閉）瞬間，由于水流慣性影響，流量來(lái)不及馬上增加（或減?。?，但水壓瞬間下降（或上升），造成水輪機(jī)出力瞬時(shí)下降（或上升），待流量逐漸增加（或減少），機(jī)組出力才開始上升（或下降）。由于導(dǎo)葉啟動(dòng)瞬間，機(jī)組出力成反向變化，反而造成一次調(diào)頻相應(yīng)時(shí)間滯后、功率反調(diào)，短時(shí)積分電量為負(fù)等影響，水流慣性時(shí)間常數(shù)越大，反調(diào)越明顯，針對(duì)這種情況，必須采取一定的抑制措施，最有效的就是采用“柔性”導(dǎo)葉啟動(dòng)規(guī)律。一般導(dǎo)葉關(guān)閉（或開啟）速度越快，功率反調(diào)越明顯，因此減緩導(dǎo)葉啟動(dòng)速度，對(duì)功率反調(diào)峰值抑制有一定作用，但導(dǎo)葉關(guān)閉速度過(guò)慢，會(huì)影響一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間（DL/T 1245《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定，一般不超過(guò)4s），以及負(fù)荷調(diào)整時(shí)間，為此采用如圖4 所示控制策略。

圖4 導(dǎo)葉分段柔性控制邏輯圖Figure 4 Logic diagram of governor guide vane segment flexible control

從圖4 中可以看出，正常功率調(diào)節(jié)或大于0.05Hz 的一次調(diào)頻動(dòng)作瞬間，導(dǎo)葉開度給定和開度反饋一般大于2.5%，此時(shí)啟動(dòng)導(dǎo)葉慢速率限制，限制導(dǎo)葉開度變化不超過(guò)設(shè)定的速率，抑制水錘效應(yīng)造成的功率反調(diào)。為了不影響反應(yīng)時(shí)間，延時(shí)2 ～3s，再退出速率限制，導(dǎo)葉按正常速度調(diào)節(jié)。導(dǎo)葉的限制速率可以在界面上設(shè)置，以滿足不同電站水流慣性時(shí)間常數(shù)的影響。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及實(shí)踐

上述一次調(diào)頻及功率調(diào)節(jié)優(yōu)化策略已經(jīng)在新疆開都河流域柳樹溝水電站進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，柳樹溝水電站單機(jī)容量90MW，裝機(jī)容量2 臺(tái)，混流式水輪機(jī)，額定水頭84m，調(diào)速器采用微機(jī)控制器配合比例伺服閥及主配壓閥形式，主配壓閥通徑100mm。試驗(yàn)在柳樹溝2 號(hào)機(jī)組開展，時(shí)間為2021年1 月，詳細(xì)情況如下。

5.1 功率調(diào)節(jié)試驗(yàn)

圖5 為柳樹溝現(xiàn)場(chǎng)功率階躍試驗(yàn)，調(diào)速器采用新型功率控制模式，功率從83MW →88MW →90MW →70MW →50MW 分別進(jìn)行4 次不同大小及方向的階躍擾動(dòng)，調(diào)節(jié)參數(shù)為：比例KP=1.0，積分KI=0.5，微分KD=0。圖5 分別記錄了功率給定、功率反饋和導(dǎo)葉開度變化情況，詳細(xì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。

本試驗(yàn)主要考核大小負(fù)荷調(diào)節(jié)、增減負(fù)荷調(diào)節(jié)組合情況。不同方向變化負(fù)荷，不同大小負(fù)荷階躍試驗(yàn)來(lái)看，新型功率閉環(huán)響應(yīng)迅速，調(diào)節(jié)時(shí)間滿足要求，穩(wěn)定性較好，PID 調(diào)節(jié)參數(shù)適應(yīng)范圍寬，負(fù)荷調(diào)節(jié)速度均大于0.9MW/s，滿足西北電網(wǎng)兩個(gè)細(xì)則考核要求（不小于0.75MW/s），導(dǎo)葉初次動(dòng)作反調(diào)功率小于1.0MW，在合理范圍內(nèi)。

5.2 一次調(diào)頻試驗(yàn)

圖6 為柳樹溝現(xiàn)場(chǎng)一次調(diào)頻試驗(yàn)，調(diào)節(jié)參數(shù)為：比例KP=1.0，積分KI=0.5，微分KD=0，調(diào)差系數(shù)Ep=0.03，頻率死區(qū)為0.5Hz，水頭為84m。試驗(yàn)結(jié)果分析見表2。

圖6 柳樹溝2 號(hào)機(jī)組一次調(diào)頻±0．15Hz 階躍試驗(yàn)錄波Figure 6 Step test recording of primary frequency regulation ± 0．15Hz for Liushugou unit 2

從圖6 試驗(yàn)波形可以看出，80MW 功率下機(jī)組頻率從50Hz →49.85Hz →50Hz 階躍擾動(dòng)，調(diào)速器一次調(diào)頻動(dòng)作迅速，調(diào)節(jié)正常，功率實(shí)際動(dòng)作值均達(dá)到理論值95%以上，一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間、上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間均滿足DL/T 1245 相關(guān)要求，功率反調(diào)均小于0.8MW。

5.3 試驗(yàn)小結(jié)

從柳樹溝功率閉環(huán)調(diào)節(jié)和一次調(diào)頻試驗(yàn)情況來(lái)看，智能調(diào)節(jié)控制策略基本分3 個(gè)階段，首先啟動(dòng)階段，然后是快速調(diào)節(jié)階段，最后是穩(wěn)定階段?；倔w現(xiàn)了導(dǎo)葉慢速啟動(dòng)，查表目標(biāo)開度跟蹤，功率PI 精確到位等不同控制策略，一次調(diào)頻指標(biāo)及功率調(diào)節(jié)速度滿足電網(wǎng)細(xì)則要求及電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，且反調(diào)功率減小。試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，主要是調(diào)節(jié)過(guò)程中個(gè)別負(fù)荷點(diǎn)出現(xiàn)爬升或超調(diào)現(xiàn)象，主要是該點(diǎn)的水頭/功率/開度數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致后期功率PI 出現(xiàn)稍長(zhǎng)調(diào)整，后期可以通過(guò)電站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行修正。

6 總結(jié)

水輪機(jī)調(diào)速器智能化研究不僅體現(xiàn)在硬件配置、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)建模方面，更重要的是提升其智能控制和調(diào)節(jié)能力。本文分析了目前調(diào)速器開度模式和功率模式下存在的不足，提出了智能功率調(diào)節(jié)模式?？傮w可以得出以下結(jié)論：

（1）基于主機(jī)廠提供的水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，導(dǎo)出水輪機(jī)水頭/功率/開度關(guān)系曲線，可以作為調(diào)速器智能調(diào)節(jié)控制的依據(jù)，再結(jié)合功率PI 調(diào)節(jié)補(bǔ)償，可以有效克服水輪機(jī)不同負(fù)荷點(diǎn)、不同水頭下的開度/功率變化差異，有效解決功率調(diào)節(jié)參數(shù)的適應(yīng)性問(wèn)題。

（2）對(duì)導(dǎo)葉啟動(dòng)瞬間的速度進(jìn)行合理限制，可有效抑制水流慣性引起的功率反調(diào)，但會(huì)增加一次調(diào)頻的響應(yīng)時(shí)間，需要合理設(shè)置限制時(shí)間。

（3）智能調(diào)節(jié)策略可分為啟動(dòng)時(shí)速度限制、查表目標(biāo)開度追蹤、PI 調(diào)節(jié)精確到位3 個(gè)階段，通過(guò)在開都河柳樹溝水電站的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，表明智能調(diào)節(jié)策略具有調(diào)節(jié)速度快、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，水頭/功率/開度數(shù)據(jù)點(diǎn)不準(zhǔn)確會(huì)影響調(diào)節(jié)過(guò)程，應(yīng)用時(shí)還可進(jìn)行統(tǒng)計(jì)修正。