某水电厂甩负荷保厂用电控制策略优化

王斌，毕智伟，陈智军，付亮，谭新奇

(1.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南长沙410004；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

0 引言

厂用电在水电厂中的作用十分重大,汛期雷暴天气多发,因雷击导致全厂停电时若备用电源(柴油发电机等)故障或操作不及时很有可能导致水淹厂房或漫坝的风险。某水电厂自投产以来,输电线路因雷击导致跳闸的情况时有发生,励磁系统升级改造后增加V/Hz限制保护功能,经常发生甩负荷后低频保护动作机组停机事故,造成过频保厂用电失败[1-3]。尤其在 “无人值班,少人值守”的情况下一但发生线路跳闸,机组全停后厂用电消失,人员难以保证在短时间内处理防汛、发电、恢复送电等紧急事件。为深入研究甩负荷保厂用电控制措施,对某水电厂保护投入前的实测机组及调速器在甩负荷下的动作特性进行分析[4-5],研究甩负荷保厂用电约束条件与控制策略,开展相应现场试验,优化控制逻辑,解决该水电厂甩负荷保厂用电的主要问题[6-8]。

1 历史甩负荷数据分析

在励磁系统改造前,6号机组甩10 MW负荷过程中出现44.2 Hz,如果此时投入V/Hz限制[9]保护动作,当频率值低于45 Hz时励磁系统将逆变灭磁,不能满足甩负荷后灭磁开关不跳、维持空载运行的要求。

通过对电厂6号机组相关试验数据分析,发现影响机组低频保护动作的原因主要有[10]:

1)导叶开启时间较长。机组正常开机过程中导叶开至第一空载开度为一段开机速度[11](导叶开启速度为3.5%/s),导叶开度从0～28%用时8 s,开机时间过长将导致机组在甩负荷后频率出现快速降低的情况。

2)调速器空载参数设置不合理导致频率下降较快[12]。机组甩10 MW负荷,甩负荷前导叶开度为68%,导叶从68%关至拐点57%用时0.8 s(快关速度为13.75%/s),从57%关至0用时16.6 s(慢关速度为3.43%/s,其中最高转速发生在开度为34%时,最高频率66.255 Hz)；导叶在机组频率下降至 49.3 Hz时导叶开启 (开启速度为3.42%/s),机组最低频率44.2 Hz发生在导叶开启过程中 (导叶开度为15%),导叶在达到25%开限时频率为44.9 Hz,8 s后机组达到额定频率。

通过以上数据分析,首先该混流式机组转动惯量为340 t·m2,甩负荷后由于转动惯量较小,加之开机时间过长,将出现甩负荷后机组频率下降较快而上升较慢的现象；其次甩负荷后机组频率降至49.3 Hz时导叶才开启,这直接影响频率最低值。最终确认优化方案为加快开机速度和提前导叶开启时间。

2 AGC控制策略优化

2.1 关机时间校核

导叶关闭采用分段关闭[13],在紧急停机动作情况下,导叶关闭时间为21.09 s,其中第一段为2.86 s,拐点为57.8%,第二段为18.23 s。满足该电厂调保计算说明书关于关机时间设定的要求。

2.2 开机逻辑优化

该机组调速器由插装阀和比例阀协调配合控制导叶开启和关闭[14-15]。其中插装阀过流量较大,可实现导叶快速动作,在大开度调节过程中可快速达到目标值要求,比例阀开机速度较慢 (手动动作比例阀开导叶速度为4.56%/s)。原开机规律为比例阀单独动作,由于比例阀流量限制,开机时间较长；为了达到快速平稳开机的目的,现场决定采用两段式开机规律:即在导叶开启初期插装阀和比例阀同时动作,在开度到达一定值时采用比例阀进行微调,这样的开机规律既满足了快速开机的要求,又保证了机组稳定性和安全性。

对优化后的规律进行测试:模拟调速器开机令,导叶正常开至启动开度。最终对导叶开机过程速度进行调整,其中第一段速度调整为5.80%/s,第二段为3.44%/s,开机时间为5 s,比优化前提高了3 s。

2.3 甩负荷过程中的导叶开启时间优化

在甩负荷后机组频率降至49.3 Hz时导叶才开启,频率降低过快至V/Hz限制保护动作值时将启动停机流程。为了加快系统的响应速度,对微分参数进行调整,使偏差信号值变得太大之前引入一个早期修正信号,从而加快系统的响应速度,减小调节时间,避免机组频率快速降低。现场经过多次模拟仿真试验,最终确定将调速器空载参数微分项由2调整至5。

在模拟机组并网状态下,断开断路器合闸信号,导叶能迅速关闭至空载开度以下；同时模拟频率下降过程,导叶在模拟机频以2 Hz/s速度下降至54 Hz时导叶再次开启 (导叶开启时间提前),导叶开启速度先快后慢,模拟甩负荷过程正常。此时能够满足甩负荷后不停机要求。

3 试验验证

电气过速动作值设计为155%额定转速,机械过速动作值为160%额定转速。但机组机械过速装置整定值为150%额定转速,决定将电气过速动作值设定为150%额定转速。考虑甩额定负荷机组可能出现电气过速或机械过速动作事故停机,决定进行11 MW甩负荷试验验证调整后的逻辑是否满足要求。

甩负荷试验时,上游水位为249.25 m,下游水位为196.37 m,水头为52.88 m,蜗壳测点高程为197.1 m,尾水管测点高程为190.4 m,水轮机安装高程为192.8 m。

甩11 MW负荷时,甩负荷前导叶开度为66.67%；甩负荷过程中机组频率最大值为70.045 Hz,频率上升率为40.090%,导叶在机组频率下降至50.41 Hz时导叶开启,最小频率为47.494 Hz。甩负荷蜗壳进口水压值为486.704 kPa,甩负荷过程中蜗壳进口水压最大值为570.103 kPa。甩负荷前尾水管进口水压值为46.608 kPa,甩负荷过程中尾水管进口水压升高至82.083 kPa,试验曲线如图1所示。甩负荷过程频率最低值未达到V/Hz限制保护动作值45 Hz,水压及转速满足相关要求。

图1 甩11 MW负荷曲线图

4 结语

通过对该厂甩负荷保厂用电的策略优化研究,采取调整开机规律和提前开启导叶开启相结合的方法,解决了甩负荷后紧急事故停机的问题,确保了电网大面积停电及水电厂机组甩负荷时迅速、有序的处理以及快速恢复厂用电,并可实现对电网送电,最大程度降低电网停电造成的损失。

现场机械过速和电气过速整定值为150%额定转速,低于调保计算转速要求,建议按照设计值对机械过速和电气过速值重新进行整定。在整定完成后进行甩额定负荷试验,验证机组甩负荷过渡过程是否满足调保计算要求,以保障机组的安全运行。

建议电厂制定异常甩负荷后机组带厂用电的应急处置方案并进行演练,确保事故发生时能快速响应。