亭子口电站机组功率模式的设计和应用

冯磊

（嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川 苍溪 628400）

亭子口电站机组功率模式的设计和应用

冯磊

（嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川 苍溪 628400）

亭子口电站1～4号机组（容量为4×275 MW）分别于2013年8月初、8月底、2014年4月、5月投产，4台机组试运行过后在上位机监控调整小负荷过程中均产生过波动现象，无法调整至目标值，引起超调，波动范围较大，影响机组安全稳定运行，同时也产生不合格电量。通过此次改造设计，彻底解决了有功调节过程中的超调现象，减少了大量不合格电量，提高了经济效益。

监控系统；有功调节；超调；不合格电量

0　引言

亭子口水利枢纽位于四川省广元市苍溪县境内，是嘉陵江干流开发中唯一的控制性工程，是以防洪、发电及城乡供水、灌溉为主，兼顾航运以及拦沙减淤等其他综合利用工程。

计算机监控系统采用南瑞自控公司生产的SSJ-3000型，基于UNIX/Windows操作系统跨平台的全分布开放系统结构的NC2000监控系统软件，系统由实时数据服务器、历史数据库服务器、操作员工作站、工程师工作站、培训工作站、语音报警服务器、调度通讯服务器、厂内通信服务器、WEB服务器、LCU（包括机组LCU、公用LCU、开关站LCU和大坝LCU）等组成分布式体系；其中下位机采用法国Schneider公司Unity Quantum系列PLC。调速器系统由长江三峡能事达股份有限公司生产，型号为NSD-MGC4004PS-D150/6.3，PLC为施耐德M340型，双控制器比例阀+伺服电机组成的单调节型调速器。其中A机为控制伺服电机，B机为控制比例阀，互为热备冗余。

1　有功调节过程中小负荷波动的现象

1.1现象

亭子口公司4台机组试运行过后在上位机监控调整小负荷过程中均产生过波动现象，无法调整至目标值，引起超调，波动范围较大，影响机组安全稳定运行，同时也产生不合格电量。目前计算机监控系统对机组功率有功调节采用脉冲调节方式。该方式是由监控系统根据所设定的功率值，通过监控系统机组现地控制单元PLC程序的PID来计算，将计算的结果以脉冲的形式通过继电器开出给调速系统（调节有功），以实现机组有功闭环调节。具体事件如下：

（1）2014-07-12 09∶25，3号机有功从30MW调整至200MW后，负荷在191～218MW之间波动，现地将3号机调速器切至机手动模式，再切回自动模式后波动现象消失，负荷稳定在200MW。

（2）2014-07-22 03∶55，1号机组负荷由200MW增至210MW后，1号机组负荷在197～229MW之间波动，现地将1号机调速器切至机手动再切回自动，负荷稳定在209MW左右，检查机组运行正常。

（3）2014-08-01 00∶20，4号机组负荷由200MW减至190MW后，4号机组负荷在171～210MW之间波动，现地将4号机调速器切至机手动再切回自动，负荷稳定在192MW左右，检查机组运行正常。

（4）2014-08-10 22∶30，4号机组有功从230MW降至220MW后，机组有功在210～230MW之间波动，约2min后负荷稳定在220MW。

（5）2014-08-15 01∶40，2号机负荷由200 MW减至50MW后，机组负荷经多次调整均不能稳定在50MW。

1.2负荷波动波形图

小负荷波动录波波形图如图1～图4所示（1：有功实际值，2：开度实际值）。

图1　3号机小负荷波动波形图2014-07-07

图2　4号机小负荷波动波形图2014-08-01

图3　2号机小负荷波动波形图2014-08-15

图4　1号机小负荷波动波形图2014-08-19

2　存在问题及原因分析

2.1存在问题

针对以上4台机组在开度模式下调节负荷过程中出现的小负荷波动现象，经过多次对监控系统、调速器系统排查、分析，排除了由于功率变送器、导叶位移传感器、测频模块、伺服电机、继电器等硬件故障引起的小负荷波动现象，引起超调导致负荷波动现象的主要原因为监控系统与调速器系统两者之间的调节速率配合问题。

2.2原因分析

机组在并网状态下，调速器系统仅有开度模式，有功功率调节主要由监控系统来完成闭环控制，监控系统比较当前机组有功给定值和机组功率实际反馈值，计算出两者差值，换算成相应的增减调节脉冲宽度给调速器系统，调速器作为一个随动系统接受监控系统输出的增减脉冲来调整机组有功，最终达到有功功率调节的目的。

2.2.1机组监控系统有功功率逻辑[1]

机组监控LCU有功功率调节模式在开度模式时，功率闭环在机组监控侧。当机组监控有功功率给定值与有功当前实际反馈值差值大于机组监控LCU调节死区1%P n时，机组监控LCU才会输出增、减脉冲至机组调速器电气调节柜，调速器再根据增、减脉冲速率来调整导叶开度，最终改变机组有功功率。计算公式如下：

△P=[增最小脉宽×（正最大有功-负最大有功）]/[（最大脉宽-最小脉宽）×比例系数]

机组在远方调节负荷过程中监控系统主要的调节参数有：

调节周期=6 s，最大脉宽=1 s，增功率最小脉宽=100ms，减功率最小脉宽=100ms，比例系数=5；监控系统根据所需调整有功负荷的大小计算需要调整脉宽值（范围在100ms～1 s之间），再将此脉宽值下发至调速器，调速器再根据PLC程序中设置的调速器导叶开度给定远方增减脉冲速率进行调节。

2.2.2机组调速器系统脉冲执行逻辑

机组调速器系统作为随动系统，在开度模式下，接受机组监控LCU增、减脉冲，调速器电气控制系统根据监控下发脉宽长度来控制导叶开启或者关闭。导叶实际动作情况由机组调速器导叶开度给定远方增脉冲速率与调速器接受到的脉冲长度决定。

调速器在远方自动方式下调节参数：调速器导叶开度给定远方增脉冲速率100ms对应2.5%开度；调速器导叶开度给定远方减脉冲速率100ms对应2.5%开度。

机组监控LCU主任务为循环模式，扫描周期平均约为80ms，机组监控LCU调节死区为1%P n，最小调节脉宽为100ms，当机组有功功率实际反馈与机组有功功率给定的差值大于设定调节死区时，机组调速器收到机组监控LCU开出的平均最小脉宽对应的平均开度值约为2.0%。

2.2.3针对机组监控与调速器控制逻辑，重点检查方向

（1）检查在有功调节引起小负荷波动过程中，一次调频未动作，所以不存在有功功率调节与一次调频的配合问题（即一次调频与机组监控LCU有功功率调节反向调节的问题）。

（2）每次出现小负荷波动时，均发现机组监控系统频繁给调速器输出增脉冲或减脉冲，使机组无法稳定至给定目标值，在将调速器切换至手动方式运行后，导叶开度及机组功率能保持稳定。说明导叶开度的波动导致机组实际功率的波动，而实际功率的波动导致机组监控LCU对调速器系统进行往复开度调节，无法稳定在有功功率给定值附近。同时对机组有功变送器进行校验，校验数据均合格。

（3）通过以上检查判断为监控系统和调速器系统在调整负荷过程中相互之间的调节速率配合存在问题，造成超调现象。经过多次对机组监控和调速器系统之间的调节速率及相关参数进行修改，分别减小有功调节周期6 s→5 s→4 s、减小增减最小脉宽100ms→90ms→80ms、减小调速器导叶开给远方增减脉宽250→210→200→190→180→165，再对4台机进行变负荷调整试验，尽量使机组监控和调速器在有功调节时参数配合合理，通过试验结果，最后得出一组机组监控与调速器之间较为合理的配合参数，分别为有功调节周期5 s、增减最小脉宽90ms、调速器导叶开给远方增减脉宽165。但是由于调速器水头在不断地变化过程中，通过参数修正后，检查4台机组并网运行情况发现，仍未彻底解决小负荷波动现象，只是大大减少了机组有功功率调整过程中的有功功率波动时间与波动次数。

3　改造设计

为了彻底解决有功调节小负荷波动现象，提高机组有功调节负荷过程的精度及稳定性，从机组监控LCU及调速器本身控制方式考虑，在调速器侧再增加一种有功调节控制模式，即功率模式控制方式（经调研目前功率模式仅在大型电站应用）。

针对以上机组增加有功功率控制方式提出的改进方案，其具体的做法如下：

3.1机组监控系统LCU侧改造方法

功率模式下机组监控系统将要调节的有功功率给定值通过PLCAO模块输出给调速器系统，同时监控系统通过PLCDO模块输出有功功率确认令至调速器系统，调速器系统收到监控系统输出的有功功率确认令后，根据收到的有功设定值自行进行有功闭环调节。

3.2机组调速器系统侧改造方法

功率模式下调速器系统接收机组监控LCU下发的有功功率给定值和有功功率确认令后，调速器系统根据机组监控LCU下发的有功功率给定值[2]，加上频率偏差通过E p折算的有功功率值，减去当前实际机组功率后作为有功功率偏差，再把有功功率偏差送入积分器后通过积分运算得到导叶PID值控制导叶开度。根据功率偏差的大小把它分为大偏差控制（≥7%P n）和小偏差控制（＜7%P n），大偏差控制和小偏差控制分别调用不同的积分增益。

改造后，机组并网时优先进入“功率模式”运行，只有当“功率采样故障”或“功率给定故障”或收到“切开度模式”信号后，才切换至开度模式。

3.3方式切换

为了保证有功调节的准确性和完整性，调速器系统收到监控系统输出的有功功率给定值后，将输出有功功率反馈值至监控系统，监控系统接收到的有功功率反馈值与自己所输出的有功功率给定值进行判断，在10 s内，如果监控系统收到的有功功率反馈值与自己所输出的有功功率给定值的差值大于7MW，则监控系统会由功率模式切换至开度模式。

4　应用情况

通过改造后功率控制模式下机组并网运行，机组有功调节时小负荷波动现象得以彻底解决，目前已全部实施完成，达到的效果如下：

（1）减少了由于超调引起的不合格电量，由改造前每月调度考核的20万kW·h不合格电量下降至每月10万kW·h不合格电量，每年为公司增加发电量120万kW·h左右，增加利润约60万元。

（2）提高了机组调节的稳定性和精度。效果如下：其功率模式控制下录波波形图如图5～图7所示（1：有功实际值，2：开度实际值）。

图5　1号机功率模式改造后有功调节波形图2015-04-10

图6　2号机功率模式改造后有功调节波形图2015-02-25

图7　4号机功率模式改造后有功调节波形图2014-08-01

（3）机组有功功率调节方式由一种控制方式增加为两种控制方式，即功率模式和开度模式，两者互为备用，可任意选择，当一种方式故障时可自动切换至另一种控制方式，提高了设备的可靠性。

5　结论

本次对1～4号机组功率模式的设计和应用较为先进，在中小型水电站中很少采用，可应用于国内同类型水电站机组监控和调速器系统，同时该技术方案有利于提高机组有功功率自动调节精度和稳定性，可减少在开度模式下由于水头不断变化过程中监控与调速器始终找不到线性的最佳或最优的调节速率关系引起超调从而产生的不合格电量，有利于提高设备运行的稳定性和可靠性，为企业创造了良好的经济效益。

[1]陈艳，李学礼.基于自适应PID控制的水电站有功功率调节[J].大电机技术，2016（1）.

[2]帅小乐，陈自然，陆劲松.800MW巨型水轮发电机组调速器有功功率调节模型优化研究[J].水力发电，2014,40(10).

TV736

B

1672-5387（2016）11-0016-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.11.005

2016-07-28

冯磊（1982-），男，工程师，从事设备管理和维护工作。