基于水轮机运转曲线的调速器调节策略优化与实践

丁占涛，蔡卫江，赵文利，蒋定章，赵 勇

［1．国家能源集团新疆开都河流域水电开发有限公司，新疆维吾尔自治区库尔勒市 241082；2．南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院） 江苏省南京市 211106］

0 引言

随着我国电力技术向智能化、信息化方向发展，智能变电站已成为电网建设的常规配置，智能水电厂的建设发展也方兴未艾。为了适应智能水电厂的发展，水轮机调速器也需要在硬件及软件上满足智能化发展要求。电力行业标准DL/T 1547《智能水电厂技术导则》以及DL/T 860.7410《电力自动化通信网络和系统 第7-410 部分：基本通信结构 水力发电厂监视与控制用通信》等规定了智能水轮机调速器的通信接口及标准协议，以及通信建模要求。文献[1]从智能水轮机调速器的基本架构和硬件配置方面进行了讨论；文献[2]从智能水轮机调速器的网络通信和数据建模等方面进行了研究；文献[3]从智能水轮机调速器的具体设计方面进行了讨论；文献[4]从智能水轮机调速器的软件功能等方面进行了探讨，主要讨论了智能调速器的状态监测及故障诊断等功能。

目前这些研究主要从水轮机调速器的整体架构、通信接口、硬件配置、软件功能开发等方面进行了探讨，对智能水轮机调速器的调节与控制方面均未涉及。但目前水电厂水轮机调节方面普遍存在一次调频积分电量考核不达标[5]、调速器一次调频与电厂自动发电控制系统（AGC）存在冲突[6]、调速器功率模式存在水头变化后调节参数难以适应、功率调节波动等问题[7]。迫切需要智能水电厂调速系统硬件及通信网络升级后，调节和控制策略能进一步提高，具有更强的智能调节控制、参数自适应和源网协调能力，满足电网日益严格的频率和功率控制要求。

1 功率调节及比较

水电站调速器是控制和调节水轮发电机组有功和频率的核心设备，承担机组开机、停机、并网、负荷调整、一次调频等重要任务。就机组功率调节而言，目前调速器功率调节一般采用两种方式：一是开度模式，如图1 所示；二是功率模式，如图2 所示。

图1 调速器开度模式下的机组有功调节示意图Figure 1 Schematic diagram of unit active power regulation at governor opening mode

图2 调速器功率模式下的机组有功调节示意图Figure 2 Schematic diagram of unit active power regulation at governor power mode

调速器开度模式下，机组有功调节主要靠水电站计算机监控系统完成，机组有功功率反馈到监控现地控制单元（LCU），LCU 接收调度AGC 分配有功给定指令，计算功率给定和反馈的差值，再经过一个比例和积分环节，换算成相应的脉冲增减指令，发送给调速器进行开度调节。调速器主要实时监测电网频率和50Hz 给定值的偏差，经过人工频率死区，再通过PID 调节模块以及调差反馈环节，加上和水头协联的空载开度，以及LCU 传递的开度增减指令，最终计算出开度给定，进行开度调整，从而调节机组功率到目标值。

调速器功率模式下，机组有功调节主要靠调速系统完成，首先，LCU 接收监控系统AGC 分配有功给定指令，转换成4 ～20mA 模拟量（也有通过数字通信方式），直接发送给调速器，有功反馈也传递到调速器，调速器自行比较有功给定和反馈的偏差，经过功率死区，调差环节，再和频率偏差进行叠加，叠加后的偏差再经过PID 调节模块，加上空载开度，最终计算出开度给定，通过开度调整，调节机组功率到目标值。

上述两种调节方式各有优缺点，开度模式下，导叶呈阶梯状动作，相对速率较平缓，稳态时稳定性较好，但功率调节时间较长，精度稍差，约在1%范围内，且存在一次调频与AGC 调节互相影响问题，需要协调好。由于采用频差转化为开度的方式，水头变化时，一次调频动作有功功率会不一致，影响积分电量考核。功率模式下，导叶动作连续，调节速率较快，精度较高，可达0.5%，调速器自身可以协调一次调频与AGC 调节指令的关系，且采用频差转化为功率的方式，有功功率变化不受水头变化影响。但功率模式下主要存在调节参数难以选择问题：由于导叶开度和功率存在较大非线性，在机组不同负荷点，同样的开度变化导致的功率变化差异很大；其次受水头影响较大，水头变化时，同样会造成开度与功率之间较大差异。因此，功率调节参数需要适应不同水头、不同负荷点的调节，参数不宜太大，但要适应一次调频考核要求，还需要较大的参数，参数难以适应多种情况。部分电站采用多组参数来适应不同水头下的功率调节，但由于水头不能随意改变，造成调节参数难以通过真机试验来获得，只能通过经验设置，实际应用效果并不理想[8]。

2 功率调节优化

在此，结合两种调节方式优缺点，本文提出一种改进型的功率调节模式，同样在调速器功率模式下，调速器接收监控系统的功率定值，采集当前机组工作水头，依据水轮机运转特性曲线换算出来的水头/功率/开度关系曲线，计算出当前的导叶开度，按照开度模式进行粗调，当功率给定和反馈接近目标值时，再启动功率PI 调节，按照功率模式进行微调。早期，有国外产品曾经用过类似方法，但主要采用将功率调节按水头/功率/开度关系曲线转化为开度调节方式，这种功率调节，严重依赖水头测值及水轮机运转特性曲线的正确性，难以调节精确，雅砻江二滩电厂、三峡电厂国外调速器均采用过此模式，后来改造已不再采用。本方式则在此基础上，增加了功率PI 微调，一次调频优化、水锤效应抑制等环节，对调节参数不再敏感，大大提高了功率调节对水头/负荷点变化的适应能力和调节精度，对一次调频的性能也进一步提升。详细调节方式如图3 所示。

图3 调速器新型功率调节优化示意图Figure 3 Schematic diagram of new power regulation optimization of governor

从图3 中可以看出，调速器的功率调节主要分三部分，一是依据监控系统AGC 算出的功率定值PG1，以及水轮机工作水头Hy，按照水轮机运转特性曲线得出的水头/功率/开度关系曲线，查表得出水轮机导叶开度Gv1；二是一次调频动作产生的功率调整量∆P1，这是当电网频率超出人工频率死区时，按照调差系数换算出的功率调整量，一部分叠加到监控功率给定上，通过查表得到部分开度变化量，另一部分作用于功率PI 调节，产生功率变化；三是监控功率给定PG1与功率反馈Pf比较后产生的功率偏差，经过限幅环节和死区环节后，作用于功率PI 调节产生的导叶开度调整量，PI 调节参数一般较小（为保证稳定性）。这三部分产生的导叶动作量叠加后得到导叶开度给定Gv，从而作用于液压执行机构，调整机组功率到目标值。

可见，当功率调整量较大时，第一部分导叶开度Gv1起到主要作用，由于查表速度很快，导叶目标开度基本很快就可以确定。后面的功率PI 调节由于有偏差限幅及PI 参数较小，一般在后期起到微调作用。第二部分主要是一次调频动作引起的，与功率闭环调节产生的调节量进行叠加，两者互不影响。与传统的功率调节比较，新型功率调节具有调节速度快，调节稳定，对水头/功率/开度关系曲线不需要十分准确（主要起到粗调作用即可），对PI 调节参数不敏感，能够自动适应不同水头及负荷点变化，能够自动协调监控系统AGC 调节指令和一次调频动作值。

3 一次调频策略优化

图1 所示的开度模式下，其一次调频和AGC 调节分别由调速器和监控分开调节，存在两者冲突问题，需要配合协调。且开度模式下仅考虑频差和开度关系，没有考虑功率和水头相关性，难以保证积分电量满足考核要求。图2 所示的功率模式，虽然克服了开度模式下存在的与AGC 协调问题，以及水头对功率动作量的影响。但存在水头变化、负荷点变化功率调节参数难以选择，一次调频考核和调节稳定性难以兼顾的问题。图3 所示的新型功率调节模式结合了两者的优点，特点如下：

（1）从图2 可以看出，常规一次调频方式都是将超过频率死区后的频率偏差，经过PID 调节后产生相应功率变化，功率变化再通过调差系数Ep负反馈到频差环节，两者中和后，调节才能完成，动作路径较长，速度较慢。优化后的一次调频策略（见图3），直接将一次调频产生的频率偏差乘以调差系数Ep的倒数，转换成功率给定一部分，通过查表和PI 调节，可以快速调节有功到目标值，调节速度较快。

（2）一次调频小频差情况下，功率变化较小，受功率死区影响较大，为此新型功率调节将一次调频产生的功率调整量越过死区，直接作用于PI 调节，可以有效提高小频差下一次调频积分电量。

（3）新型调节模式一次调频初始动作量主要靠查表获得，与调节参数无关，后期依靠较小的PI 参数进行精确调节，有效克服不同水头、不同负荷点的影响，有效兼顾一次调频考核要求快速响应，负荷调节要求稳定、准确的要求。

4 水锤引起的功率反调抑制

水锤效应主要指稳态情况下，一次调频动作，导叶开启（或关闭）瞬间，由于水流惯性影响，流量来不及马上增加（或减小），但水压瞬间下降（或上升），造成水轮机出力瞬时下降（或上升），待流量逐渐增加（或减少），机组出力才开始上升（或下降）。由于导叶启动瞬间，机组出力成反向变化，反而造成一次调频相应时间滞后、功率反调，短时积分电量为负等影响，水流惯性时间常数越大，反调越明显，针对这种情况，必须采取一定的抑制措施，最有效的就是采用“柔性”导叶启动规律。一般导叶关闭（或开启）速度越快，功率反调越明显，因此减缓导叶启动速度，对功率反调峰值抑制有一定作用，但导叶关闭速度过慢，会影响一次调频响应时间（DL/T 1245《水轮机调节系统并网运行技术导则》规定，一般不超过4s），以及负荷调整时间，为此采用如图4 所示控制策略。

图4 导叶分段柔性控制逻辑图Figure 4 Logic diagram of governor guide vane segment flexible control

从图4 中可以看出，正常功率调节或大于0.05Hz 的一次调频动作瞬间，导叶开度给定和开度反馈一般大于2.5%，此时启动导叶慢速率限制，限制导叶开度变化不超过设定的速率，抑制水锤效应造成的功率反调。为了不影响反应时间，延时2 ～3s，再退出速率限制，导叶按正常速度调节。导叶的限制速率可以在界面上设置，以满足不同电站水流惯性时间常数的影响。

5 现场应用及实践

上述一次调频及功率调节优化策略已经在新疆开都河流域柳树沟水电站进行了实践应用，柳树沟水电站单机容量90MW，装机容量2 台，混流式水轮机，额定水头84m，调速器采用微机控制器配合比例伺服阀及主配压阀形式，主配压阀通径100mm。试验在柳树沟2 号机组开展，时间为2021年1 月，详细情况如下。

5.1 功率调节试验

图5 为柳树沟现场功率阶跃试验，调速器采用新型功率控制模式，功率从83MW →88MW →90MW →70MW →50MW 分别进行4 次不同大小及方向的阶跃扰动，调节参数为：比例KP=1.0，积分KI=0.5，微分KD=0。图5 分别记录了功率给定、功率反馈和导叶开度变化情况，详细数据统计见表1。

本试验主要考核大小负荷调节、增减负荷调节组合情况。不同方向变化负荷，不同大小负荷阶跃试验来看，新型功率闭环响应迅速，调节时间满足要求，稳定性较好，PID 调节参数适应范围宽，负荷调节速度均大于0.9MW/s，满足西北电网两个细则考核要求（不小于0.75MW/s），导叶初次动作反调功率小于1.0MW，在合理范围内。

5.2 一次调频试验

图6 为柳树沟现场一次调频试验，调节参数为：比例KP=1.0，积分KI=0.5，微分KD=0，调差系数Ep=0.03，频率死区为0.5Hz，水头为84m。试验结果分析见表2。

图6 柳树沟2 号机组一次调频±0．15Hz 阶跃试验录波Figure 6 Step test recording of primary frequency regulation ± 0．15Hz for Liushugou unit 2

从图6 试验波形可以看出，80MW 功率下机组频率从50Hz →49.85Hz →50Hz 阶跃扰动，调速器一次调频动作迅速，调节正常，功率实际动作值均达到理论值95%以上，一次调频响应时间、上升时间、调节时间均满足DL/T 1245 相关要求，功率反调均小于0.8MW。

5.3 试验小结

从柳树沟功率闭环调节和一次调频试验情况来看，智能调节控制策略基本分3 个阶段，首先启动阶段，然后是快速调节阶段，最后是稳定阶段。基本体现了导叶慢速启动，查表目标开度跟踪，功率PI 精确到位等不同控制策略，一次调频指标及功率调节速度满足电网细则要求及电力行业标准要求，且反调功率减小。试验也发现一些问题，主要是调节过程中个别负荷点出现爬升或超调现象，主要是该点的水头/功率/开度数据不准确，导致后期功率PI 出现稍长调整，后期可以通过电站实际运行数据统计进行修正。

6 总结

水轮机调速器智能化研究不仅体现在硬件配置、网络通信、数据建模方面，更重要的是提升其智能控制和调节能力。本文分析了目前调速器开度模式和功率模式下存在的不足，提出了智能功率调节模式。总体可以得出以下结论：

（1）基于主机厂提供的水轮机运转特性曲线，导出水轮机水头/功率/开度关系曲线，可以作为调速器智能调节控制的依据，再结合功率PI 调节补偿，可以有效克服水轮机不同负荷点、不同水头下的开度/功率变化差异，有效解决功率调节参数的适应性问题。

（2）对导叶启动瞬间的速度进行合理限制，可有效抑制水流惯性引起的功率反调，但会增加一次调频的响应时间，需要合理设置限制时间。

（3）智能调节策略可分为启动时速度限制、查表目标开度追踪、PI 调节精确到位3 个阶段，通过在开都河柳树沟水电站的现场试验，表明智能调节策略具有调节速度快、稳定性好、适应性强等优点，水头/功率/开度数据点不准确会影响调节过程，应用时还可进行统计修正。