沈春和,唐戢群,高晓光,任卫卫
(1.贵州电力试验研究院,贵阳 550002;2.贵州创星电力科学研究院有限责任公司,贵阳 550002)
水电机组调节系统考虑黑启动及孤网运行控制策略
沈春和1,唐戢群1,高晓光1,任卫卫2
(1.贵州电力试验研究院,贵阳 550002;2.贵州创星电力科学研究院有限责任公司,贵阳 550002)
对电厂侧调节系统黑启动及孤网运行的控制策略进行详细研究有着重大的意义,以确保电网事故时,发挥作用,在最大可能情况下起到抑制电网全黑的发生,即使解裂为孤网,也能够迅速恢复负荷。针对试验过程中和黑启动、孤网运行中可能出现一系列问题结合现场实际进行了分析研究,提出了水电机组调节系统考虑黑启动及孤网运行控制策略,从调节系统的运行方式、运行模式、运行参数、频率控制等方面进行详细分析及论述,为减少事故损失,合理配置黑启动中的控制,快速恢复系统供电,提供一些理论及实践依据。
水电机组;黑启动;孤网运行;调节系统;控制策略
黑启动是指电力系统大面积停电后,在无外界电源支持的情况下,由具备自启动能力机组启动并恢复系统的供电。孤网 [孤立] [孤岛]运行是指电网中只有一台或本台机组容量占当前电网容量比重相当大的运行方式[1]。
水力发电厂 (包括抽水蓄能电厂)的水轮发电机组是黑启动的首选电源。水电机组一般具有自启动能力,结构简单,辅机少,厂用电少,启动快,无功吸收能力强,是理想的黑启动电源,所以区域电力系统往往选择水电机组作为黑启动电源,但电网黑启动及孤网运行过程中的网架结构薄弱,频率、电压都处于极不稳定的快速变化过程中,稳定性存在着很大的复杂性和不确定性[2]。水电厂的黑启动及孤网运行作为特殊情况下的特殊运行方式,要满足一定的条件。如果事先没有一套行之有效的黑启动预案、操作程序及控制策略,很难在短时间内恢复发电。
目前,国内外很多电网及研究机构都开展了黑启动及恢复的试验和仿真研究[3-13],为进一步深入探讨积累了丰富的经验。从相关的研究论文来看,多是针对电网侧黑启动策略的研究,以及电厂侧黑启动带厂用电,尚缺乏电厂侧孤网运行策略的深入研究,尚未发现有相关文章对黑启动及孤网运行调节系统的控制策略进行详细的报道。且各调节系统生产厂家的孤网模式设置各不相同,很多运行中的调节系统中没有孤网模式或即使有孤网模式,也尚不能实际运行。水电厂一般以带厂用电为目的,即开机空载带厂用电,加之孤网模式在大网常规运行中,很少用到,很少有条件进行实际孤网试验及调试,致使对孤网运行模式重视不够,目前对电厂侧调节系统孤网运行的管理及研究尚处于薄弱环节,必须加以研究,值得重视,对电网的安全稳定有着重要的意义。所以有必要对孤网运行模式的控制策略进行详细的研究,以确保电网事故时,能够发挥作用。在最大可能情况下起到抑制电网全黑的发生,即使解裂为孤网,也能够迅速恢复负荷。本文以东风和乌江渡电厂带线路黑启动试验及贵州电网公司黑启动及孤网运行稳定性研究与优化研究项目为基础,针对试验过程中和黑启动孤网运行中可能出现的频率扰动、并网控制等问题结合现场实际进行了分析研究,提出了水电机组调节系统考虑黑启动及孤网运行控制策略,为减少事故损失、合理配置黑启动中的控制,快速恢复系统供电,提供一些理论及实践依据。
考虑黑启动及孤网运行的机组应具备手动和自动两种运行方式,在开机和带负荷调节过程中,两种方式可以无扰动切换,且调节曲线连续、光滑。机组黑启动时具体采用何种方式主要是看运行人员的要求以及黑启动时电厂的实际情况。如果计算机监控系统或自动回路失灵时可用手动方式开机,优势是可靠,缺点是步骤较为繁琐,速度慢。自动方式开机机组升速控制稳定,操作简单。由于黑启动或孤网运行时,与机组正常开机及运行时环境有所不同,如黑启动时,没有网频等。为满足黑启动要求,调速系统可以从监控系统接收一个 “孤网运行”命令,此时监控系统和调速系统等可以安装预先设定好的黑启动开机条件进行开机,以保证机组能够在特殊条件下,顺利自动开机。例如:某电厂黑启动试验中,由于LCU设置问题,在没有网频的情况下,LCU自动闭锁,不能自动开机,只能手动,延长了黑启动时间,此种情况应在在LCU设备检修期间增加考虑机组黑启动的特殊情况,以提高黑启动速度。
在孤网运行时,在电网负荷出现大幅波动的情况下,很有可能导致机组的出力、频率及导水机构产生小幅快速振荡的情况,如机组导水机构不能快速摆脱振荡,就会面临低油压紧急停机事故的发生。此时应立即将调速系统切为手动运行,通过人工调节负荷,消除振荡,对电网的快速恢复至关重要。2008年年初由于冰灾引起贵州电网多次出现大面积停电事故,大花水水电站孤网运行,带福泉、贵定、麻江、瓮安等县市生活用电时,曾多次出现振荡问题,通过切手动运行,人工调节负荷,消除振荡后投入自动[14],保证了电网的迅速恢复。
水轮机调节系统应能对空载运行频率调节模式、并网运行开度调节模式、功率调节模式、孤立运行频率调节模式以及一次调频模式分别设置相应的调节参数,调节模式切换时调节参数能自动切换。要求具备孤网运行能力的机组要具备完整的空载频率模式,一次调频模式、开度模式及孤网频率模式。
水轮机调节系统应具有孤网自动识别能力,带孤立负荷能稳定运行。当机组与大电网解列或部分线路跳开 (但发电机出口断路器依然闭合)或带孤立负荷运行时,水轮机调节系统应能自行判断并切至孤立运行模式。即当频差超过设置门槛值时应自动切入孤网频率模式。电网出现问题后,往往是先由大网解裂为小网,此时如调节系统能够自动识别孤网,将会有效抑制电网的瘫痪,快速恢复供电范围,对减少电网事故的扩大及迅速恢复电网的供电有着极其重要的意义。
门槛值的设置要根据当地可能会出现的孤网负荷情况及其机组的特点进行设置,关于门槛值的设置,目前没有统一的规定,水电厂一般设置为0.2 Hz至0.5 Hz。在GB/15945—2008电能质量.电力系统频率偏差中规定:电力系统正常运行条件下,频率偏差限值为±0.2 Hz,当系统容量较小时,偏差限值可以放宽到±0.5 Hz。根据DL/ T1040—2007电网运行准则要求,汽轮机应在48.5 Hz~50.5 Hz范围内能够连续运行,所以在± 0.5 Hz内带动汽轮发电机组启动并网是没有问题的。另外根据IEEE446—1995〈工业和商业用的应急和备用电力系统〉和BS EN50160:1999《公共配电系统的电压特性》,0.5 Hz是许多最终用户设备频率波动的最大容限[15]。所以,在系统容量较小的孤网运行模式下,门槛值设置为0.5 Hz以下是能够基本能够满足要求的,但一般不宜大于0.5 Hz,极端情况下除外。另外,门槛值应能在人机界面上直接设定或更改,以便于黑启动或孤网运行时根据实际情况及调度命令灵活调整。
水轮机调节系统孤立运行模式的投入和退出,应允许人工切换,其状态宜在人机界面上有明显标识。
水轮发电机组在并入大网运行中,一次调频基本处于投入状态,但由于一次调频的调节参数一般较快,所以,水轮机调节系统在孤立调节过程中应闭锁一次调频控制参数,以避免频率调节过程不稳定或出现垮网事故。闭锁后,孤网运行状态下,为开度模式和孤网频率模式,此时一次调频运行要通过运行人员手动方可投入。
3.1 孤网运行参数的特点
孤网频率的稳定性与水轮机调速器参数关系密切。由于空载时水流不稳定造成压力脉动、功率摆动等现象,故我国一般将空载作为稳定性最不利的工况,然而,实际上水轮机还存在一种更为恶劣的工况,即单机带负荷或并入小电网的情况。因为无负荷时,机组的机械惯性时间和自调节系统完全取决于机组本身;而当机组带负荷孤网运行,负荷容量较小,又有较大比例的纯电阻性负荷时,负荷的自调节系数较小,引水系统水流惯性时间常数较大,水锤效应影响大,因而调速器速度与机组惯性、水流惯性不同步,就会导致系统稳定性很差。需要针对孤网的实际情况,整定适合孤网运行的调速器参数,以保证系统的稳定运行[16]。
3.2 孤网运行参数的基本要求
孤立运行模式下,水轮机调节系统宜采用PID调节,PID调节参数、人工频率/转速死区、永态转差系数等参数应结合电网实际情况通过试验优化选择,且投入微分参数,微分对大波动的作用不大,但是对系统的稳定将起到较大作用。
水轮机调节系统应能保证机组在单机带负荷、孤立运行工况下的稳定运行,不出现大范围的波动,频率变化衰减度 (与起始偏差符号相同的第二个转速偏差峰值与起始偏差峰值之比)应不大于25%。
3.3 孤网运行参数的初步整定方法
孤网带负荷是水轮机调节系统最恶劣的工况,特别是对于水锤效应较大的引水系统。此时为了保证调节系统的稳定性,需要整定稳定性较大的调速器参数。针对这种外送通道故障而形成水电机组带地区负荷的情况,国内专家根据仿真及水电站试验经验,推荐值如下[16]:
但是以上整定原则都是根据特定的数学模型、特定的水轮机传递函数和特定的品质指标提出的参数整定推荐值,因而具有一定的局限性,可以作为初始参数的参考值,也可将空载参数作为孤网运行的初始参数,一般情况下,孤立电网运行工况下调速器的比例增益和积分增益要显著大于机组空载运行工况[17],而实际上的运行参数要通过现场试验来确定。
3.4 孤网运行参数的试验方法
调速器处于真实发电运行状态或模拟的孤立运行状态,调整孤立发电的相关调节参数,通过较大幅度的负荷/频率扰动,记录频率、开度/有功等信号的变化过程,选择一组稳定性好、频率变化衰减度小的调节参数,以供孤立调节使用。
也可以进行实际孤立调节试验,即机组并网运行,带不少于25%的额定负荷,待负荷稳定后,通过线路开关的操作,使机组突然切入孤网,观测并记录频率、接力器位移/有功等信号在大网转孤网过程中的变化,及其随后的孤立运行中的调节过程,验证调节过程是否正常稳定,并进一步调整、优化调节参数。
在孤网运行过程中,也可以通过突然开启大功率用电器,如深井泵等,进行负荷扰动,一般负荷量不宜超过发电机组额定容量的5%,调整和优化孤网参数。
3.5 孤网运行中的永态差值系数
永态差值系数是水轮机控制系统和调节系统静S态特性的重要参数。与频率永态差值系数bp相类似的是功率永态差值系数ep,在实际孤网运行程序中一般只引入bp概念,对于水轮机微机调速器的频率调节模式和开度调节模式,其静态特性是机组频率与接力器行程之间的特性。实际上bp的大小,决定了机组孤网调频能力,其值越小,调节速度越快,值为0时为无差调节,大于零时为有差调节。孤网模式下,一般情况下bp值取0%。
机组在黑启动和孤网运行过程中,机组处在一个很小的系统运行,机组出力和负荷的微小变化会引起频率大幅波动。调速器要具备完善的孤网运行模式功能,合适的控制参数,较高的测频精度,以保证机组调速器具有良好的响应来保证频率稳定。测频精度是调速器的调节品质的基础,一般要求测频分辨率不大于0.002 Hz。同时也要考虑恢复负荷的能力及速度。通常首先恢复小的直配负荷,而后逐步带较大的直配负荷和电网负荷。应当按照负荷的重要等级,并考虑电网的稳定及恢复速度有序恢复,每次投入的负荷应控制在机组发电容量的2%~5%。站内有多台机组时可根据所带负荷情况将其他机组开启与黑启动机组并列运行。当站内有两台以上机组并入孤网时,可根据实际情况对调节系统进行分别设置,以防止机组间相互抢负荷出现振荡,如采取其中一台手动运行,另一台自动运行进行频率调节的方式。多台机组自动运行时,可采取以下方式避免大的波动,一是设置不同的频率调节门槛值,二是通过对调节参数进行微调,使得各机组间的频率调节速率存在差别。必要时,通过手动运行的方式消除大范围波动。增加负荷的速度必须兼顾考虑加快恢复时间和保证机组频率稳定。允许接入的最大负荷量,不应使系统频率较接入前下降0.5 Hz[18],国外的经验为每一次增加的负荷不应超过发电容量的5%,以保证运行频率在合理的允许范围内,维持有功平衡。
负荷恢复过程中,系统应留有一定的旋转备用容量,旋转备用容量一般不低于系统发电负荷的30%,黑启动的同时可恢复的负荷要根据机组的容量及运行要求,密切配合调度人员和电厂运行人员逐步恢复,不能操之过急。每一步操作都要监控频率和重要节点电压水平,否则容易导致黑启动失败。
本文针对水电机组调节系统,提出考虑黑启动及孤网运行的控制策略,从调节系统运行方式、运行参数、运行模式、频率控制等方面进行了详细论述,为水电厂黑启动机组调节系统的设置及快速恢复系统供电,提供了理论依据。
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Research on the Control Strategy of Hydro Turbine Regulating System Considering Black Start and Isolated Operation
SHEN Chunhe1,TANG Jiqun1,GAO Xiaoguang1,REN Weiwei2
(1.Guizhou Electric Power Testing and Research Institute,Guiyang 550002,China;2.Guizhou Chuangxing Electric Power Research Institute Co.,Ltd.,Guiyang 550002,China)
A detailed study of control strategy for power plant side of the regulating system about black start and isolated operation is of great significance,in order to ensure the power grid accident when,play a role,to suppress the occurrence of power grid black at the maximum possible,even split into isolated network,can quickly restore load.In this paper,a series of problems that may arise in the process of test,black start and isolated operation combined with the actual scene is analyzed.put forward the control strategy of hydro turbine regulating system considering black start and isolated operation,are analyzed and expounded from the aspects of operation mode of regulating system,operation model,operation parameter,frequency control,in order to reduce the accident loss,rapid restoration of power supply,provide some theoretical and practical basis.
Hydro turbine and generator units;black start;isolated operation;regulating system;control strategy
TM73
B
1006-7345(2015)05-0057-04
2015-04-14
沈春和 (1982),男,硕士,工程师,贵州电力试验研究院,从事水电机组机网协调及调节控制系统调试及研究工作 (email)shenchunhe@126.com。
唐戢群 (1964),男,高级工程师,贵州电力试验研究院,从事水轮发电机组及其调速系统的性能试验与研究工作 (email)tang.jiqun@163.com。
高晓光 (1981),男,硕士,工程师,贵州电力试验研究院,从事水电机组机网协调及调节控制系统调试及研究工作 (email)3279788@qq.com。
贵州电网有限责任公司科技项目--黑启动机组孤网运行稳定性研究与优化 (K-GZ2012-138)。