觉巴水电站调速器孤网试验频率振荡分析及改进

陈明莉，荣 红，蔡卫江，冯启文

（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏 南京 210003）

觉巴水电站调速器孤网试验频率振荡分析及改进

陈明莉，荣 红，蔡卫江，冯启文

（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏 南京 210003）

冲击式水轮机采用喷针及折向器的多重调节与控制，控制策略较复杂，西藏觉巴水电站采用四喷四折冲击式机组，且需要适应西藏电网孤网运行工况，对调速器的控制提出较高要求。本文从觉巴水电站联网切孤网试验过程中出现的系统频率振荡现象出发，分析了电站机组调速器液压系统控制结构、机组频率振荡的原因，从调速器控制方面提出了相应的改进措施，经过现场验证，证明控制有效，本文可以为多喷嘴冲击式以及需要孤网运行的水电站机组控制提供有益参考。

冲击式机组；调速器；折向器；喷针；孤网运行；控制改进

0 引言

觉巴水电站位于西藏昌都市芒康县澜沧江右岸一级支流登曲中下游河段，工程于2013年7月开工，装机3台，单机容量10 MW，设计年发电量1.47亿kW·h。首台机组于2016年1月正式投产发电。觉巴水电站可作为后期规划的大型如美水电站（装机2 400 MW）的电源电站，将为川藏联网工程提供一个重要的电源支撑。电站机组采用高水头四喷嘴四折向器冲击式机组，配套调速器需要控制4个喷针和4个折向器，与常规调速器比较，冲击式调速器具有控制对象多，组合规律复杂等难点[1]。另外，觉巴水电站建成后，还要解决当地约5万人的用电问题，当电网故障，电站从系统脱开，还要面临孤网运行工况，确保当地用户用电安全，从而对水轮机调速器的控制提出了更高要求。为此，2016年电站投产时进行了详细的联网转孤网及孤网运行试验。试验过程中机组频率出现了来回震荡现象，3号机组频率最大上升到53.4 Hz，1号机组最大上升到52.9 Hz，之后频率震荡逐渐衰减，约2 min才稳定下来，为此，电站进行了详细的分析和机组控制策略的改进。

1 觉巴调速器液压控制系统简介

冲击式水轮机调速器采用喷针及折向器的多重调节与控制，喷针数越多，控制策略越复杂。喷针作为主调节系统采用连续控制，折向器则采用开关量控制，喷针与折向器独立控制而不协联。喷针对调速系统的调节性能起决定性作用，而折向器仅在大波动时对机组进行过速保护[2]。

觉巴电厂水轮机采用四喷四折结构，调速系统液压原理如图1所示。从图中可以看出：觉巴调速器机械液压部分由5套独立的液压控制单元组成，分别为4套喷针控制单元、1套折向器控制单元。其中，喷针控制系统采用电液比例阀实现闭环连续控制；折向器采用电液阀及液动阀实现开关量控制，仅在系统甩负荷等大波动时快速关闭折向器，起到机组过速保护的作用。

每套喷针接力器均配置了高精度位移变送器，通过微机控制器检测到喷针位置，再通过比例伺服阀实现喷针精确定位。折向器接力器的全开和全关位均配置了位置开关，通过微机控制器检测折向器位置，再通过电磁阀实现折向器的开关控制。四套折向器采用同步联动控制模式，由一套16通径大流量电磁换向阀驱动。

2 试验时频率振荡过程

2016年8月18日，觉巴水电站1号、3号机组进行了联网切孤网的真机真网试验。1号、3号联网切孤网试验时，在电网状态转换瞬间，伴随着机组频率（系统频率）上升，超过52.5 Hz后，调速器控制机组折向器投入，约2 s，折向器全关，机组频率得到抑制，3号机组频率最大上升到53.4 Hz，1号机组最大上升到52.9 Hz。喷针开度正常关闭，但速度较慢。随后3号、1号机组频率下降到48.8 Hz，喷针开度呈现短暂开启状态。此时折向器退出，形成第2个周波的调节，3号机组频率继续迅速上升，最大为53.2 Hz（1号机组最大上升到52.3 Hz），随后折向器再次投入，频率再次下降，如此周期性调节。

图1 调速系统液压原理图

在震荡到第5个周期时，频率在50.18 Hz，3号机组切至手动，喷针开度为25.77%，保持不动，同时折向器退出。随后，频率发生一次高频后，呈现单调下降、快速收敛现象，并最终稳定控制住频率，这个过程中，折向器未发生投退现象。

从图2中可以看出，整个过程可以简述为，联网转为孤网瞬间，约55 s的时间内，频率发生5次波动，折向器发生频繁投退，喷针总体开度是下降趋势，频率震荡的包络线呈缓慢收敛。当3号机组调速器切到手动后，折向器正常退出不再投入，频率得到快速收敛和稳定控制。

当频率基本稳定后，3号机组在12:10左右切到自动，系统（1号、3号机组成的孤网系统）得到稳定调节，最终2台机喷针开度（负荷）均等，稳定在14%左右。系统频率在50.2Hz～50.25Hz之间动态平衡。

图2 3号机组联网转孤网过渡过程及稳态调节曲线

3 频率震荡原因分析

查看图2，联网转孤网时频率振荡主要由以下原因造成：

折向器的主要作用是紧急情况下快速切断喷嘴的水流，从而快速降低水轮机的出力，其动作速度较快，约2 s可以关闭。觉巴机组折向器投退的条件为，频率大于52.5 Hz时投入，小于50.5 Hz退出。联网转换到孤网后，电网负荷减少，机组频率快速上升（超过53 Hz）。此时，1号、3号机组折向器快速投入，水轮机出力迅速下降，由于孤网运行工况，电网负载较小，系统频率随着机组出力变化较快，因此频率迅速下降，由于喷针开度关闭速度较慢，（调保要求最快速度2.78%/s），等频率降到接近额定时，折向器退出，由于机组惯性，转速持续下降，但此时喷针还处在较高开度，且额定频率以下喷针还呈现短暂开启现象，不久又会造成机组频率上升。等到转速超过52.5 Hz，折向器再次动作，形成下一个循环，但喷针的开度已经减少，频率振荡峰谷值有所下降。

在大波动调节过程中，可以看出，折向器的作用是，抑制了高频，却引起了频率震荡，但振幅是逐渐变小的，因为，喷针开度在总体下调。当3号机组切至手动后，喷针总开度保持不变，3号机折向器在手动条件下，是退出状态。这样3号机组的开度确保了，即便1号机组折向器投入，系统的有功不会发生瞬间变小，系统频率不会发生突然下降。事实上是，3号机组切到手动，出力和负荷之间建立了一个基本的平衡，增强了系统的稳定性。这样，1号机组折向器也未发生频繁投退，系统频率很快得到单调收敛的控制。

总体而言，孤网工况下，折向器的动作将造成机组出力变化，从而引发系统频率大幅变化。折向器动作快，而喷针动作慢，在机组频率变化过程中，折向器起到主要调节作用，但由于其开关方式的粗糙调节，造成频率大幅度波动，无法稳定，而喷针接力器的逐步关闭，使得频率波动的峰峰值逐渐下降，3号机组切手动，打破了振荡条件，最终系统频率趋于稳定。从最终频率稳态控制来看，调速器孤网的控制参数是合适的，可以保证最终频率的稳定性控制。

4 改进措施

从上述原因分析可以知道，问题的焦点在于调速器孤网工况下折向器的频繁投退。折向器投入可以抑制频率上升，但退出后，会引起二次震荡和调节。初步措施是，增加调速器孤网工况判断，改变折向器投退条件，总体使得折向器投入点范围变高，不要轻易动作，当频率超过55 Hz再投入，退出也提前，防止出现低频，这样可以防止折向器过早投入产生大的扰动，只起到过速时的保护作用。具体措施如下：

（1）联网转孤网时，增加判断条件：当机组处于并网状态（断路器合闸），若机组频率超过50±0.5 Hz，延时0.5 s，马上切换到孤网运行工况，调速器调用孤网运行PID参数，频率死区设置为0.05 Hz，同时调差系数设置为1%～2%；

（2）参见图3，机组孤网运行工况，若系统频率处于上升趋势且超过55 Hz，则折向器关闭，切断水流，当频率处于下降趋势且低于54 Hz时，折向器开启，依靠喷针来调节机组频率，通过优化的孤网控制参数，控制机组频率稳定。折向器的判断条件不仅依靠频率阈值，还要依靠频率变化的方向和斜率，大大增加了动作的可靠性。

图3 折向器投切控制示意图

（3）从操作规范角度，如果2台机均并入孤网运行，可以将其中1台机组切至手动，强制退出折向器。保证该机组一定的出力，增强系统的稳定性；此方法也可以达到迅速抑制频率的目的。

5 结语

目前，西藏觉巴水电站3台机组调速器已全部完成改进措施，且重新进行了孤网转联网的切换试验，试验结果正常，没有出现频率来回振荡的现象。电站按照试验大纲进行了调速器动静态试验，结果显示调速系统动态性能指标、稳定性能指标均优于国标、部标有关要求，具有操作简便、维护、调试方便、抗干扰性强、并网容易等优点。

近年来，西藏水电建设已进入较快的发展时期，2015年10月，藏木6台85 MW机组全部发电。一方面，西藏电网与内地还没有联网，存在“大机小网”稳定问题；另一方面，因雷击等事故可能造成机组远方断路器跳闸，形成一个区域供电的孤网状态，如果调速器的控制策略不完善，不能采取有效措施，往往出现频率波动、振荡等事故。觉巴水电厂经过事故分析和调速器控制策略优化改进后，切换动作正常，控制措施合理，目前运行情况稳定，为西藏电网的安全和地区的稳定做出了重要贡献。

[1]文斌.冲击式机组微机调速器的设计及应用[J].科技信息，2011（3）：132-133.

[2]涂振祥.多喷嘴冲击式大型水轮机组的调速器控制与特殊工况运行问题的研究 [J].电力系统保护与控制，2009，16（37）：16-19.

TV734.4

B

1672-5387（2017）08-0031-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.010

2017-03-22

陈明莉（1989-），女，助理工程师，从事水电站水轮机调速、综合自动化控制装置的调试等工作。