水轮机调节系统按功率一次调频时的不稳定现象

孔昭年，田忠禄，杨远生，王思文（.中国水利水电科学研究院，北京 00048；.天津电气科学研究院，天津 30030）

水轮机调节系统按功率一次调频时的不稳定现象

孔昭年1，田忠禄1，杨远生2，王思文2
（1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.天津电气科学研究院，天津 300301）

摘要：国内中小型水电站建设中，水电站的�已提高达15～25s，需要研究此时水轮机调节系统在承担一次调频时的特点。本文揭示了在以功率为目标的一次调频时的不稳定现象，以及在调频过程中的形态均与密切相关。对此提出改进型的以接力器开度为目标的一次调频。

关键词：水轮机调节系统；一次调频；功率控制；开度控制；导叶接力器；不稳定现象

1　问题的提出

近年我国开发了不少没有调压井的长引水系统的水电站[1]，这类水电站已提高达15～25s，显然它应满足电力运营部门合理的技术要求。电力系统强调并网机组的一次调频功能，究其实质是将调速器自动、安全可靠性加以量化，提出要求，加以约束；DL/T1040电网运行准则已颁布执行[3]。一次调频对水轮机调节系统提出的要求如下：并网机组均应参与一次调频；功率永态调差系数=4～5%;人工失灵区Ef=0.03～-0.03Hz：响应特性应满足在频率变化超过一次调频死区时，机组应在15s内响应目标功率，在45s内机组实际功率与目标功率偏差的平均值应在其额定功率的3%～-3%内，稳定实际小于1min。DL/T1245水轮机调节系统并网运行技术导则[4]中，水轮机调节系统一次调频阶跃响应要求机组带负荷在稳定运行工况下，对于有效频差变化不低于±0.1Hz的频率阶跃扰动，一次调频阶跃响应过程应满足如下要求之一：

（1）以开度作为响应目标时，一次调频的开度响应行为应满足如下要求：

1）自频差超出一次调频死区开始，至接力器开始向目标开度变化时的开度响应滞后时间，应不大于2s。

2）自频差超出一次调频死区开始，至接力器位移达到90%目标值的上升时间，应不大于12s。

3）自频差超出一次调频死区开始，至开度调节达到稳定，所经历的时间不大于24s。

（2）以功率作为响应目标时，一次调频的功率响应行为应满足如下要求：

1）自频差超出一次调频死区开始，至机组有功开始向目标功率变化时的功率响应滞后时间，对于额定水头50m及以上的水电机组，不大于4s；对于额定水头在50m以下的水电机组，不大于8s。

2）自频差超出一次调频死区开始，至机组有功达到90%目标值的上升时间，应不大于15s。

3）自频差超出一次调频死区开始，至功率调节达到稳定，所经历的时间不大于30s。

测试方法：

a、一次调频试验准备

b、将调速器切换至手动，断开调速器机频测量端，将频率信号源接入调速器机频测量端，由频率信号源输出额定频率信号。

c、调速器测频分辨率和精度校验

在调速器手动状态下，逐步改变频率信号源输出频率，记录调速器频率测量值，验证测频分辨率是否符合DL/T1245第5.1.7的要求，测频误差是否满足设计要求。

d、一次调频频率/转速死区及永态转差系数校验

参照GB/T9652.2-2007之6.13.2、6.13.3节，DL/T496-2001之4.10.6节进行。

e、一次调频频率阶跃扰动试验

调速器在自动运行方式下，投入一次调频功能，机组带60%～90%额定负荷稳定运行，通过信号源在额定频率基础上施加正负偏差的频率阶跃信号，有效频率偏差绝对值应不小于0.1Hz，记录信号源频率、主接力器位移、机组有功等信号的变化过程。

可以明确看出，前述实验方法（1）是在接力器带上负载后考核经典一次调频功能；实验方法（2）及其指标绝大部分考核的是水电站机电设备固有特性，而不是水轮机调速器的自身特性。参照此方法编制响应程序开展技术分析。

有功/开度调节过程示意见图1。

图1一次调频频率阶跃扰动时的机组有功/开度调节过程示意

除水轮机接力器外，可以通过计算研究分析水轮机调节系统在功率一次调频时的动力学特性，以找出规律判断是否满足行业标准的要求。应强调机组并网运行时发生复杂的电磁现象，很难用简单的仿真技术予以解决，并给以清晰结论。目前为止尚没有成功的计算分析并网机组一次调频的报道，本文进行探讨性研究。

2　水轮机调节系统按功率一次调频时的不稳定现象

在图2上载有计算分析用的水轮机调节系统一次调频计算框图。以阀代井问题常发生在高水头水电站，此时采用理想水轮机进行计算分析更有代表意义。图中选择开关有和两路信号的选择。

图2一次调频计算框图

由水轮机功率方程式：

由式（2）有稳定条件：

bt>2bp

由式（3）有稳定条件：

它与式（2）的第一个稳定条件一致。

图3为一次调频y（t）过程，图4、5为一次调频p（t）过程。

图3水轮机调节系统一次调频y（t）过程

图4水轮机调节系统一次调频p（t）过程=0.5

图5水轮机调节系统一次调频p（t）过程=0.2

3　水轮机调节系统一次调频时的过渡过程计算

当选择y路时，水轮机调速器是经典的以导叶开度为目标的一次调频，其传递函数为：

由图2，借助Matlab很容易在给定cx后y（t）和p（t）过渡过程曲线。在图3上载在cx=0.002的指令后，水轮机调节系统工作在线性区（没有计入水轮机调节系统死区的影响），系统动态特性为一阶惯性环节，系统时间常数为0.1s，其动力学特性与水流惯性无任何关系，在缓冲参数为零时系统更有出色的动态特性。实际上这是经典的水轮机调节系统一次调频功能。

令人困惑的是，从机械调速器起，一次调频功能一直就默默的发挥积极的作用，现在却被炒作成行业的话题。近年借鉴外国公司样本和火电的原理结构，采用以功率变送器为反馈核心的一次调频系统（相关计算结果载于图4）。通过计算可归纳如下规律：

（5）应注意，图4～5计算是在本文提出的模型及理想水轮机条件下取得，通过计算可知，实际转速的变化对缩短控制时间有积极作用。在实际应用中，需要在～参数平面上进行广泛的优化试验，以确定功率型一次调频的运行参数；由前述该实验方法对机组有相当的潜在危险性；

（6）可能正因为此原因，有文献提出了可实现变结构的双PID水轮机调节器，一路用于常规按导叶开度调节，另一路PI调节器专用于功率型一次调节器。已颁布执行的行业标准对经典型水轮机调节系统，以接力器位移为目标的一次调频功能仍给以关注，最根本的原因是，它有高的速动性，无需试验优化，其特性与水轮机调节系统的水流惯性、缓冲回路参数无关；

（7）水轮机调节系统中的水击现象构成水轮机调节系统的经典结构；只要粗略比较图3和图4就可看出经典系统的优越性。借鉴其它领域经验应持慎重态度（如有极个别业主要求用功率信号综合），调速器业内在函数发生器的设计已有非常成功的经验，即在导叶接力器回路接入函数发生器[2]，这种改良型一开度为目标的一次调频，可实现即保留接力器反馈的所有优越性，又可满足功率信号为目标实现一次调频的欲望。实际上功率传感器在精度、输出信号的延时效应、可靠性等方面远远低于水轮机调节系统接力器位移传感器。综合比较，以开度为目标的一次调频优于以功率为目标的一次调频。

参考文献：

[1]程远楚．水轮机自动调节[M]．北京：中国水利水电出版社2010．

[2]孔昭年．水轮机调节系统的设计与计算[M]．武汉：长江出版社．2012．

[3]DL/T1040．电网运行准则[S]．

[4]DL/T1245．水轮机调节系统并网运行技术导则[S]．

中图分类号：TK730.4+1

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）03-0001-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.001

收稿日期：2015-01-15

作者简介：孔昭年（1941-），男，教授级高级工程师，从事水轮机调节系统设计研究工作。