机组有功功率波动分析与策略优化

刘细辉，范进喜，吕晓东

（雅砻江流域水电开发有限公司官地水力发电厂，四川 凉山 615704）

机组有功功率波动分析与策略优化

刘细辉，范进喜，吕晓东

（雅砻江流域水电开发有限公司官地水力发电厂，四川 凉山 615704）

水电站有功调节的稳定性关系到水电站的安全与经济效益。本文以某大型水电站有功功率波动案例为基础，对功率波动的原因进行了分析，从一次调频与功率闭环调节配合控制策略方面提出了优化建议，对其他水电站类似功率波动事件具有很好的借鉴意义。

有功调节；功率波动；控制策略；大型水电站

0 引言

目前，国内大型水电站有功调整方式一般有两种，即开度模式和功率模式。开度模式是在监控系统上形成功率调节闭环，即监控系统设定有功功率后，调速器接收监控系统开出脉冲，进行导叶调节，由监控系统根据功率反馈值进行有功闭环调节。功率模式是在调速器控制系统上形成功率调节闭环，即调速器系统接收监控系统下发有功功率定值（模拟量），以自身功率变送器作为反馈量，进行导叶调节。

某大型水电站监控系统为NC2000系统，调速器控制系统为SAFR-2000H冗余微机控制系统，采用了贝加莱公司的PCC2005控制器为核心，机械液压部分选用BOSCH公司的比例伺服阀为电液转换单元，GE20000作为主配压阀，调速器系统具有开度模式、功率模式两种模式，开度模式为主用模式。

1 现象描述

2013年7月10日08∶40，某大型水电站1号机组调速器运行在“远方、自动、开度模式”方式下，有功设定值保持600 MW不变，开度稳定在79.85%没有较大变化时，有功功率发生向下波动现象，有功设定值与有功实发值最高差值35 MW，不满足《水轮机调节系统并网运行技术导则》中规定在功率给定或开度给定恒定时，机组实际有功或开度与给定值的偏差应不大于±1%的要求。2号、3号、4号机组均出现过类似负荷下降现象，以1号机最为显著。

2 有功控制策略

2.1 有功调节工作原理

开度模式下，监控实时对功率实测值与有功设定值进行比较，当偏差超过功率死区时，监控系统将偏差值进行PID运算，计算出调节脉冲宽度，通过功率增减继电器以脉冲量的形式下发给调速器系统。调速器将功率增减脉宽时间换算为导叶开度变换量即综合负荷给定Pgv，与空载开度Ynld和一次调频动作导叶开度输出量Ypid叠加计算出导叶给定值。调速器实时对导叶反馈值与导叶给定值进行比较计算出导叶偏差，将偏差进行PI运算，计算出控制电压经功放板放大作用到伺服阀，通过主配压阀控制接力器动作，使导叶反馈值跟踪导叶给定值。

2.2 开度模式下调速器有功控制策略

开度模式下，监控系统进行功率闭环，调速器系统作为随动系统只进行导叶开度闭环，即导叶反馈值跟踪导叶给定值。调速器导叶给定值由空载开度（Ynld）、PID输出（Ypid）和综合负荷给定（Pgv）3部分组成。

式（1）中Ynld为对应水头下的空载开度，Ypid为一次调频动作对应的导叶调整量，Pgv为监控有功调节对应的导叶调整量。当一次调频未动作时，Ypid为0，当监控功率闭环调节处于闭锁状态时，Pgv为上次有功闭环调节结束后的积分值。

2.3 开度模式下监控有功控制策略

图1 某大型水电站调速器系统有功调节数学模型

当机组有功功率调节至死区持续10 s后，闭锁有功调节输出，闭锁后无论是一次调频动作引起负荷偏差还是由于水头变化等其他因素引起负荷偏差，监控系统都不再进行功率调节，当偏差大于20MW时仅进行报警，除非收到新的有功设定值才解除有功调节闭锁，根据有功功率偏差进行调节。

3 原因分析及处理措施

3.1 原因分析

从图1可以看出，在机组有功设定值和机组导叶开度均保持不变的情况下，机组有功实发值持续下降，同时通过监控数据分析当时负荷波动的水头曲线，发现坝前水位保持不变，坝后水位呈上升趋势，水头（坝前水位-坝后水位）呈下降趋势，说明水的效率降低，而水头是影响效率的主要因素。

由于额定水头较高且变化较小，自动水头测量精度不高，现场调试人员选择人工恒定水头的方式，在水头变化且有功功率偏差超过功率死区时，由于未收到新的有功设定值，有功调节闭锁未能解除，不能发出有功调节脉冲，从而可以分析水头下降是导致此次机组有功功率向下波动的直接原因。

3.2 处理措施

由于水头变化小且水头测量精度不高，为避免机组有功调整再次出现类似现象，可以对开度模式下监控系统一次调频与功率闭环调节的配合逻辑进行修改。具体为：当一次调频功能投入、监控有功PID调节投入、机组有功功率偏差（有功设值与有功实测值差值的绝对值）小于监控系统调节死区10 s后，机组LCU判定有功调节到位，将闭锁监控有功PID调节输出；监控有功调节输出闭锁后，若一次调频动作后20 s内功率差值大于监控调节死区，则机组LCU判定有功偏差超过死区是由于一次调频动作引起，监控有功PID调节不会干预，输出也将一直闭锁，直到新设定值下发时才会解除闭锁。当一次调频不动作时，功率偏差超过死区延时5 s解除监控有功PID调节输出闭锁，进行有功调节。

4 优化建议

（1）投入自动水头跟踪功能：选择精准合适的水头测量自动化元件及水头测量方法，计算出准确的水头与空载开度间数学函数。当一次调频未动作且监控有功闭环调节闭锁时，空载开度会随着水头的变化而变化，导叶给定也会随之变化，即调速器可以随着水头的变化自行修正空载开度，从而控制导叶开度使之维持当前机组有功功率。

（2）在采用恒定水头情况下，可以考虑修改开度模式下一次调频与功率闭环调节的配合逻辑。

5 结语

水电站有功调节的稳定性，不仅涉及电站的经济效益，也是调度的一个重要考核指标，应给予高度重视。本文针对此次有功功率波动的原因分析和优化建议既有普遍性也有特殊性，对其他水电站类似现象具有一定的借鉴意义。

［1］魏守平.水轮机调节［M］.武汉：华中科技大学出版社.

［2］张亚明.葛洲坝水电站有功调节稳定性分析与改进措施探索［J］.水电自动化与大坝监测，2013，37（2）.

［3］赵海峰，马银萍，安芳芳.一起机组有功调节引起的功率波动事件的分析与策略优化［J］.水电厂自动化，2015，36（1）.

TV738

B

1672-5387（2016）10-0017-02

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.005

2015-12-03

刘细辉（1985-），男，助理工程师，从事水电站自动化设备运行维护工作。