水轮机调速器功率模式下模型试验参数测试方法初探

秦晓峰，杨季松，许栋，靳光永，钱凤

（1.南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211106；2.中国南方电网有限责任公司调峰调频发电公司，广东省广州市 510630）

水轮机调速器功率模式下模型试验参数测试方法初探

秦晓峰1，杨季松2，许栋1，靳光永1，钱凤1

（1.南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211106；2.中国南方电网有限责任公司调峰调频发电公司，广东省广州市 510630）

本文以桐子林水电站水轮机调速器功率模式的传递函数为模型，对调速器功率模式下试验参数测试条件与方法进行了研究。结合现场的实际测试，通过对试验过程总结，得到了有益的经验，为日后水电厂开展功率模式现场模型试验参数测试规范化提出了参考方案。

水轮机调速器；功率模式；参数测试

0 引言

在电网中，水轮机调速系统的动态特性不仅影响到机组自身的安全性和经济运行，而且会对电网的供电质量产生一定影响。为了电力系统运行提供更为安全、可靠的依据，故需开展对发电机组调速系统的参数实测工作，并通过对调速器数学模型的研究和仿真计算，建立更为准确的调速系统的计算模型，以便进一步提高系统稳定计算的精度。目前，调速器开度模式下现场模型试验流程已基本规范化。相较于开度模式，功率模式下试验较为复杂且涉及面广，尚未有用于水轮机调速系统功率模式下现场参数测试方法的统一规范。本文就此方面结合桐子林功率模式现场试验展开论述。

1 桐子林水电站调速器简介

桐子林水电站额定水头20m，最小水头11.48m，最大水头27.7m。引水系统采用单机单管，发电装机容量4×150MW，属于大型轴流转桨式双调机组。引水系统采用单机单管，水轮机为轴流转桨式。调速器采用南瑞水电公司研制的SWT-2000H型调速系统。控制器由两套PCC（可编程计算机控制器）冗余配置构成，通过ZEN元件实现仲裁切换。液压控制部分核心部件分别为GE-20000型（导叶主配）和GE-5000型（桨叶主配），接力器行程反馈采用ASM磁致伸缩式直线位移传感器作为电流反馈单元。调速器功率模式传递函数原理框图见图1所示。

图1 调速器功率模式传递函数框图Fig.1 Transfer function of governor in power mode

众所周知，功率模式试验是建立在开度模式试验完成的基础上开展的。故与其重复相关基础试验项目（静特性试验、空载扰动试验、甩负荷试验、接力器关闭及开启特性等）不再赘述。仅功率模式特殊之处进行详细阐述。

2 试验准备工作

根据桐子林水电站调速器建模参数测试的实际要求，硬件上，调速系统应配有相应的输入和输出通道，具备一定的硬件功能配置。软件上，预留该试验要求的各种中间量的输出，并保证该输出信号满足试验仪器的要求。试验所需仪器见表1所列，试验需要测点见表2所列。

表1 调速系统建模试验仪器Tab.1 Instruments required in hydro governor system modeling experiment

表2 调速系统参数测试测点表Tab.2 Observation points in parameter testing of hydro governor system

2.1 功率模式投退功能校核

桐子林水电站监控和调速器均可以单独实现功率模式功能的投退功能。模拟发电并网，开度开至50%，并完成对功率采样的定位（最小采样、最大采样定位）。将电柜上“远方/现地”把手切为“远方”模式，控制模式把手切至“功率闭环”位，观察并记录电柜触摸屏上“开关量”监视界面“功率闭环投入”显示正确和继电器动作正确，功率闭环投入信号上送监控。另外监控方面投入退出，检测投退动作是否正常。现地同样操作验证投退逻辑正确性。关于功率模式投退需要说明的是，该电站设计为把手在远方，则监控投退命令下发后可以执行，现地投退不起作用。把手切现地，则只有盘柜把手可以投退，屏蔽监控投退命令下发。

2.2 模拟量校验

功率模式下的功率给定是以模拟量的形式下发，所以在动态试验前，静态下要完成该数值的准确性校验。模拟调速器发电态，在功率闭环投入情况下，用模拟量发生器下发有功给定、功率反馈。在调速器上观察并记录输入值和触摸屏上“功率给定”“功率反馈”显示值对应关系是否符合要求。功率给定测试记录数据见表3，电流值和功率基本是线性对应关系。

表3 功率给定下发值与接收值对比Tab.3 Comparison of power given analog value sending and received

3 试验内容

功率模式下模型参数测试试验内容分为静态试验和动态试验两个部分。

3.1 静态模拟试验

本试验的“静态”指导叶可以自由活动，但机组未启动确保不转动，处于静止状态，调速器液压系统调试合格后的状态，导叶能在全开、全关范围内正常动作。

3.1.1 调速控制器频率环节PID调节特性测试

在调速器外部接线端子处短接“并网断路器位置信号”，模拟调速器发电态。主接力器行程稳定在50%开度左右。频率环节参数一般有五个参数需要校验比例增益KP，积分增益KI，微分增益KD，频率死区和调差率 ep。

PID参数测试方法及步骤：频率死区置0Hz，ep=0%，频率初始给定为50Hz。①试验采取分环节时域测量方法，比例环节测量时，修改PLC程序将微分、积分环节退出，进行不同比例倍数下的阶跃试验；微分测量时，修改PLC程序将比例、积分环节退出，进行不同微分系数下的阶跃试验；积分测量时，修改PLC程序将比例、微分环节退出，进行不同积分系数下的阶跃试验。②测试步骤，在分环节时域测量过程中通过改变输入调速器的频率信号进行阶跃扰动（频率扰动量分别为±0.1Hz、±0.2Hz、±0.25Hz），由波形记录仪录取频率扰动前后主环PID控制输出信号变化过程曲线。在测试积分环节时注意需要将积分限幅放开，以免影响积分环节的后续校验计算。

频率死区校验方法：将人工死区通过设置窗置为0.04Hz，频率初始给定为50Hz。PID参数正常写入。通过频率发生器逐步加频或减频，观察在50Hz±0.04Hz左右记录一次调频动作信号报出、Ypid输出电压和导叶反馈实际动作值时频率值。

调差系数ep校验方法：频率给定50Hz不变化，死区置为0.04Hz，比例增益置为1，积分和微分置为0，ep置为10%，功率给定与功率反馈通过模拟量发生器发出80%功率值。通过改变功率反馈值使其偏差10%，由波形记录仪录功率反馈变化前后过程曲线。根据Ypid输出电压值反推分析ep是否正确。

3.1.2 功率模式相关参数校验

鉴于功率模式特殊性，仍需要校验功率限制，功率死区、前馈系数，增速限制和积分叠加功能。

功率限制校验方法：频率给定50Hz不变化，死区置为0.04Hz，比例增益置为1，积分和微分置为0。将功率限制设置为10%，功率死区置为0%。功率给定和功率反馈模拟发生器输入80%功率值对应电流。分别改变功率反馈输出值使两者偏差分别为±9%、±10%、±11%，通过录波曲线分析Ypid电压输出校验功率限制值是否准确。

功率死区校验方法：将功率死区置为1%，功率限制设置为10%，频率初始给定为50Hz。频率死区置为0.04Hz，比例增益置为1，积分和微分置为0。使功率给定与反馈两者偏差分别为±0.9%、±1%、±1.1%，通过录波曲线分析Ypid电压输出校验功率死区值是否准确。

前馈系数的校验方法：修改程序使前馈通路上增速限制和积分叠加功能不起作用，使功率给定值直接乘以前馈系数KP2成为Pgv输出。将前馈系数设置为0.5，功率给定设为80%功率值，通过录波曲线分析Pgv电压输出校验前馈系数值是否准确。

增速限制和积分叠加功能校验方法：此功能实现的效果即将功率给定通过一可调斜率形式变化实现平稳输出，而非阶跃给定。通过修改增速限制值可以改变从当前功率给定到下一功率给定之间变化的斜率。将前馈系数设为0.5，功率给定变化10%，观察当前增速限制（5%/s）下的功率给定。再次改变增速限制值（3%/s），测试其限制斜率。

3.1.3 静态模拟功率扰动试验

模拟发电，在功率闭环投入的情况，将导叶手动开启到50%左右。在“功率闭环设置窗”输入预置PID相关参数，用调速器仿真设备模拟监控下发功率给定值，用功率反馈模拟器模拟功率反馈。在此基础上，进行功率扰动，观察调节过程和趋势，是否满足要求，见图2。

试验结果：无论大功率扰动还是小功率扰动，速度性、稳定性和超调量都满足要求。但由于静态下的功率反馈是模拟出来的，其并没有反映出实际有功的惯性和特点，静态下的速度性指标不具备太大意义。所以，静态下无法真实体现调整效果，需并网下进一步功率扰动试验验证。

3.2 动态试验

本方案的“动态”是指机组并网带负荷运行的发电状态，且机组一次调频调试合格，一次调频能正常投入运行。一次调频PID参数设置为一次调频试验整定值，人工频率死区按一次调频要求设置。

图2 静态下模拟功率扰动试验波形Fig.2 Power disturbance test recording wave at static state

3.2.1 导叶桨叶阶跃试验

试验目的：为获取执行机构动态下开关的动作曲线，校核模型参数。试验条件：机组带80%以上额定出力，一次调频功能投入。采用频率阶跃方式改变导叶给定值的办法，进行导叶阶跃扰动试验，阶跃量分别为±2%、±5%。导叶切手动，依据协联曲线，通过改变人工水头的方式，实现桨叶阶跃试验；这种方式进行桨叶阶跃，实际上是破坏协联关系，对机组不利，该试验要求本身意义不大，所以不太推荐发电下做桨叶阶跃试验。

3.2.2 功率模式下频率扰动试验

试验目的：获取不同频率扰动下的导叶开度变化和有功功率变化曲线、调速器的动态响应时间。试验条件：机组并网带80%额定负荷，机组一次调频投入，调速器以功率模式现地方式运行。试验方法及步骤：由频率发生器给调速器提供50Hz的机频输入信号，之后在此频率基础上施加正（或负） 的阶跃频率偏差信号（ 频率扰动量分别为±0.1Hz、±0.2Hz、±0.25Hz），并进行逐一录波。取向下扰动0.2Hz波形见图3。

3.2.3 功率模式下一次调频与AGC配合试验

一次调频属于有差调节，超出死区后，只根据频率的变化来响应。AGC则是跟踪负荷曲线，当负荷波动超出死区，会相应进行调节。实际操作时可能出现AGC调节方向与一次调频动作相反的情况。根据电网要求，一次调频优先级高于AGC，一次调频动作后导叶开度不应被AGC下发值拉回。最终作用于导叶动作理想效果应是两者叠加。通过试验验证功率模式下一次调频与AGC配合动作的正确性。机组稳定运行于80%额定出力，调速器投入功率闭环模式运行，“一次调频功能”投入运行。将KP、KI、KD分别设为4、2、1，功率死区设为0.7%，前馈系数设为0.2。

图3 频率向下扰动0.2Hz前后录波图形Fig.3 Recording wave before and after frequency disturbance down 0.2Hz

图4 一次调频与AGC配合关系录波图形Fig.4 Cooperative relationship recording of primary frequency control and AGC

试验过程：首先，将负荷稳定在100MW附近。上扰0.15Hz，导叶关4%开度，功率也减少10MW左右。此时AGC下发120MW，负荷并未直接调整到位，而是叠加上一次调频动作量，负荷达到110MW左右。直至频率恢复正常，才会调整至AGC下发值120MW。同样，改变两者动作顺序，先AGC下发功率值，再触发一次调频动作，录波结果也是两者叠加关系。试验结果：一次调频和AGC配合关系正确，响应迅速，超调量小，稳定性高。录波如图4所示。

4 结束语

水轮机现场建模试验数据收集有利于电力系统建立模型分析，业内水轮发电机开度模式下建模试验已经基本规范化。由于功率模式有调整品质更优，负荷变化平稳，超出死区后快速调节等优点；越来越多的电厂开始选用功率模式作为主用方式。但是关于功率模式下现场试验及建模分析工作开展较少，希望此文能够对功率模式下的参数辨识试验有一定参考借鉴作用。

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2017-05-10

2017-07-05

秦晓峰（1988—），男，硕士研究生，工程师，主要研究方向：水电厂水轮机调速器调试技术研究。E-mail：qinxiaofeng@sgepri.sgcc.com.cn

杨季松（1984—），男，本科，助理工程师，主要研究方向：抽水蓄能水电站机组运行、检修技术和管理。E-mail：365488198@qq.com

Primary Exploration to Test Method of Model Experiment’s Parameters in Hydro Turbine Governor Power Mode

QIN Xiaofeng1，YANG Jisong2，XU Dong1，JIN Guangyong1，QIAN Feng1
（1.Nanjing NARI Group Corporation，Nanjing 211106，China；2.China Southern Power Grid Peak Load and Frequency Regulation Power Plant，Guangzhou 510630，China）

According to the transfer function model of Tong Zilin power plant hydro governor power mode，we study on the test method and condition of model experiment’s parameters in hydro turbine governor power mode in this paper.Combined with the actual test，It has provided reference to normalize the test method of model experiment’s parameters in hydro turbine governor power mode for the later test through analysis and summarizing on the test process.

Hydro turbine governor; Power mode;Parameter testing

TV734.4

A学科代码：570.35

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.015