“大机小网”模式下的调速系统研究

詹维勇，王安爱，杨成财，李修树

(1.华能澜沧江水电股份有限公司，云南昆明650214；2.水电水利规划设计总院，北京100120)

“大机小网”模式下的调速系统研究

詹维勇1，王安爱1，杨成财1，李修树2

(1.华能澜沧江水电股份有限公司，云南昆明650214；2.水电水利规划设计总院，北京100120)

为了整定出适合小电网运行模式下特别的调节参数，根据果多水电站机组和调速系统的选型，针对西藏昌都地区“大机小网”的特点，提出了调速系统特殊的调节规律、参数，通过运行考验，能够为类似电站提供借鉴。

调速系统；调节规律；调节参数；果多水电站

1 工程概况

果多水电站位于西藏自治区昌都市卡若区柴维乡境内，坝址距离昌都市公路里程约59 km，为扎曲水电规划第2个梯级。电站装机容量160 MW(4×40 MW)，保证出力33.54 MW，年发电量8.319亿kW·h，电站以220 kV两回和110 kV一回两级电压接入昌都电网。2015年12月31日果多水电站首台(4号)机组正式投入商业运行，2016年12月果多水电站4台机组全部投产发电。

昌都电网原为孤立电网，2014年11月通过2回500 kV线路(降压至220 kV运行)与四川电网联网运行，但昌都电网与四川电网连接薄弱，外送电量有限。昌都电网最大负荷出现在冬季约90 MW，夏季昌都本地负荷较小，最高负荷约70 MW。果多水电站机组是目前昌都电网单机容量最大的机组，单台机组占本地电网容量比例大(占比达50%)，机组在规模较小的昌都电网下运行，电网拖动能力及抗冲击能力相对有限，“大机小网”特点显著，因此整定合适的调速系统参数，达到“大机组”与“小电网”运行的协调性和匹配性，是保证电网与机组安全运行的重要保障。

2 机组及调速系统选型

果多水电站水轮发电机组由哈尔滨电机厂有限责任公司制造，水轮机型号为HLA1050-LJ-325，发电机型号为SF40-32/6500。水轮机额定出力为41.5 MW，额定流量为89.97 m3/s，额定转速为187.5 r/min，比转速ns=280.3 m·kW，比速系数K=2 001.7；发电机出口电压10.5 kV，额定功率因数0.85。

调速器型号为SWT-2000，主配压阀采用国家专利产品ZFL- 80D，主配直径为80 mm，油压装置型号为HYZ-2.5/4.0，由南京南瑞集团有限公司供货。调速器机柜、电柜采用分离布置方式，机械柜布置在水轮机层，电气柜布置在发电机层。调速器电气部分采用两套贝加莱公司PCCX20系列32位可编程控制器组成双冗余容错控制系统，外加独立的第三方智能切换PLC(日本欧姆龙)及智能手动综合控制模块。调速器机械部分电液转换单元采用双德国BOSCH力士乐公司高性能伺服比例阀冗余模式，其他控制数字电磁阀均采用德国BOSCH力士乐公司电磁阀，并配置有手动综合控制模件。调速器A、B套PCC模块冗余配置，组成的两个调节器之间通过CAN接口进行通讯，以保证两个调节器之间的信息冗余和相互切换时稳定工作。两个调节器具有独立的电源和独立的反馈通道，通过两套PCC的采样模块采集信号。两套PCC同时各自处理采集的信号，一套处于主控模式，一套处于热备用模式，当其中一套发生故障或需要检修时，通过智能切换继电器使另一套立即自动投入，无扰切换，保持系统工况不变。

3 调速系统调节规律和调节参数设置特点

3.1 调节规律设置适应“大机小网”的运行要求

在“孤网运行”时，昌都电网容量小、频率波动较大，存在机组频繁调节、转速大幅波动，造成机组超速或停机，降低机组运行可靠性和稳定性；果多机组占昌都电网容量较大，具有明显的“大机小网”特点，机组频率调节对电网频率影响较大，两者相互影响可能使频率振荡发散，引发机组事故低油压、电网运行异常、甚至使电网瓦解等情况。为保证机组和电网的运行稳定，需整定合适的调速系统调节参数，减少调速器调节环节操作的频繁性和保证调节的稳定性。通过试验和借鉴其它工程经验，设置了果多调速器的调节参数来适应“大机小网”的运行要求。

2015年12月27日，果多水电站开展4号机组调速系统参数建模试验，对该系统“开度模式”与“孤网模式”之间的自动切换功能进行了校核，在调速系统微分校核环节，现场8次试验出现3次不正常调节情况。

为了解决该问题，果多水电站调速系统频率控制PID由“双微分”控制改为“带时间常数的单微分”控制，在控制上进行PID 控制模型的调整，有利于对控制模型的精准分析，对机组控制和电网运行都有益处。果多水电站机组为常规混流机组，机组惯性时间大，稳定性强，采用带时间常数的实际微分环节，可以增强微分环节的抗干扰能力，更利于机组和电网安全稳定运行要求。理论分析和调速器制造厂家仿真结果为：水轮机发电机组惯性时间常数Ta(s)和水轮发电机组水流惯性时间常数Tw(s)对于水轮机调节系统动态品质起着十分重要的作用。机组惯性比率定义为Tw/Ta的比值。它反映了两者的惯性，表达式为R1=Tw/Ta，根据大数据统计，混流试机组惯性时间常数Ta的范围为5.7～10.8 s，平均数值为8.45 s；水流惯性时间常数Tw的数值范围为0.76～2.48 s，其平均值为1.55 s，混流机组惯性比率R1的数值范围为0.08～0.36；平均值为0.183，该数值越小越稳定，上界临界点为0.4，果多水电站机组满足基本的稳定要求。

在机组空载或孤网运行工况下，频率波动相对于联网或手动，范围较大，频率变化率较大。这样，微分可以起到一定的抑制和超前调节作用，使得频率控制更精准，接力器摆动幅度，主配抽动频度都将降低。尤其在特殊的工况下，如联网、孤网切换瞬间，频率PT由于接地或者绝缘下降产生干扰等，测频环节会有突变数值；此时，若在微分环节增加一定的时间常数，即便微分输出在初始时间有一个尖峰，但其衰减是渐变的。这样不会引起接力器的大幅波动，也不会造成对主配压阀阀芯的剧烈冲击，对调速器伺服机构和液压系统都是一个缓慢的调节过程。此种带时间常数的微分环节，既兼顾了首次调节的响应速度，起到对频率变化后的快速抑制和超前动作，也降低了对接力器和主配的冲击，防止频率的二次扰动。

3.2 空载模式与负载模式的调节参数设置不同

空载模式为频率调节，跟踪频率变化进行调节；负载模式为开度调节，由监控系统下发脉冲，调速器跟踪导叶开度进行调节，当频差大于一次调频动作死区，调速器进行一次调节。

3.3 联网与孤网运行模式下调节参数设置不同

昌都电网存在“联网运行”和“孤网运行”两种运行模式，针对不同的运行模式配置不同的调速器控制参数。果多调速器孤网一次调频参数：Kp=1，Ki=0.2，Kd=1，Bp=4%，E=±0.5 Hz，限幅10%；联网一次调频参数：Kp=1，Ki=0.2，Kd=1，Bp=4%，E=±0.3 Hz，限幅10%。

目前由于电网运行方式不直接传递给电站，需由调速器自身判断。果多电站联网-孤网判断逻辑为：“系统频率大于(50±0.5)Hz，延时1 s调速器自动转为孤网模式，调速器调用孤网PID参数；进入孤网调节模式后，以30 s为一个周期，若30 s内系统频率小于(50±0.3)Hz的比例大于80%即判断系统为联网，调速器可自动转为联网模式，调用联网PID参数”。根据昌都电网的实际情况，果多电站孤网与联网切换采用手动模式，在监控系统上设切换按钮，手动切换开关量。

3.4 与大电网系统下的调速系统运行参数设置不同

通过“调速器参数建模”和“一次调频”实验，调试时将调速器负载PID参数Kp、Ki、Kd由内地大网常规的“8、8、1”或“4、3、1”调整为“1、0.2、1”，降低一次调频调节速率、提高调频的稳定性。为避免机组调速器频繁调节，现场调试时“联网”一次调频死区由0.05 Hz调整为0.3 Hz，“孤网”一次调频死区由0.2 Hz调整为0.5 Hz。

3.5 过速逻辑判断设置不同

果多水电站一级过速保护在传统的“115%Ne+导叶空载开度以上+主配拒动”判断逻辑基础上增加“频升过速”信号，避免机组一级过速保护误动造成机组紧急停机出口动作、电网功率缺额，对系统运行造成较大影响，保证了在极端情况下保电网和稳电网的作用。

2016年4月，西藏地区某电站曾发生“机组一级保护动作”事故。为了防止发生此类事故，果多电站增加“频升过速”信号，避免机组一级过速保护误动。故障状态下昌都电网由“联网运行”转为“孤网运行”或“远方甩负荷”时，孤网内机组转速可能快速上升至115%以上，在图1所示的调节情况下，机组一级过速“115%转速+主配拒动+空载开度以上”(“主配拒动”信号为“调速器主配非关位”的位置节点信号)存在误动的可能性，当机组转速开始下降但仍然高于115%时(即处于b点和c点之间)，由于调速器PID调节特性和空载开度的设置，导叶在空载以上开度，这时主配压阀位置可能在非关位(如t2时间点)，而导致机组一级保护动作条件满足，机组紧急停机出口动作，电网功率缺额，对系统运行造成较大影响。

图1 机组一级保护动作曲线

果多水电站调整机组一级过速保护为“115%转速+主配拒动+空载开度以上+频升过速”，即要求一级过速保护出口时同时判断机组频率在0.5 s内上升应大于1.1 Hz。在图1中t1点不会被“频升过速”闭锁，t2点则可闭锁，避免误动的同时不会导致一级过速的拒动，在极端运行工况下可保证电网稳定运行。

4 运行考验

2016年8月20日～9月28日，川藏联网220 kV塘澜双线首检同停，昌都电网转入孤网运行。与前几年昌都电网孤网下的频率波动(50±0.5)Hz相比，2016年孤网下的昌都电网频率波动最大为(50±0.2)Hz。至此，果多水电站经过了8个多月联网运行和1个多月孤网运行的考验，调速系统运行稳定、调节正常。运行实践表明果多水电站调速系统参数设置和改进措施能适应昌都电网“大机小网”、“联网模式”、“孤网模式”的运行要求，凸显了果多水电站在昌都电网中的基石作用，发挥了调速系统应有的调节和稳定作用。

5 结 语

针对昌都电网“大机小网”的特点，考虑到昌都电网与四川电网连接薄弱等实际情况，借鉴藏区类似电站的运行经验和教训，果多水电站在调速系统上采取的一系列措施，包括调节规律调整、空载与负载条件下的调节参数的区别对待、孤网与联网下的调节参数区分对待等，对电网和电站的稳定运行积极有效；保证了机组和小网运行的稳定，摸索和探索积累的经验也可为今后类似运行电站提供借鉴意义。

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ResearchofGovernorSystemundertheModeofLarge-capacityGeneratorandSmall-capacityPowerGrid

ZHAN Weiyong1, WANG Anai1, YANG Chengcai1, LI Xiushu2

(1. Huaneng Lancang River Hydropower Co., Ltd., Kunming 650214, Yunnan, China;2. China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China)

In order to set out the special regulation parameters suitable for the operation mode of small-capacity power grid, the regulation rules and parameters of governor system in Guoduo Hydropower Station are proposed based on the type selections of hydro-generators and governor system and the characteristics of large-capacity generator and small-capacity power grid in Changdu area of Tibet. The actual operation of Guoduo Hydropower Station has proved the selection of regulation rules and parameters of governor system. The practice can be as reference for similar hydropower stations．

speed regulating system; regulation law; regulation parameter; Guoduo Hydropower Station

TM761

A

0559- 9342(2017)09- 0070- 03

2016- 12- 21

詹维勇(1973—)，男，云南沾益人，高级工程师，主要从事水电工程建设管理工作．

(责任编辑高 瑜)