水轮机调速器功率模式在索风营电厂的运行实践

田伦

(贵州乌江水电开发有限责任公司索风营发电厂，贵州 修文 550215)

1 问题的提出

贵州乌江水电开发有限责任公司索风营发电厂(以下简称索风营电厂)总装机容量为3×200 MW，第1台机组于2005年8月投产运行，2006年6月，3台机组全部投产运行。自机组投入运行以来，累计发电12 380 GW·h，开、停机14 700多次，创造了显著的经济效益。索风营电厂原有调速器采用武汉事达公司DFWT-150-6.3型并联比例-积分-微分(PID)数字式微机调速器，调速器已投运6年，设备整体运行正常。随着投运年限的增长和南方电网公司运行管理及辅助服务管理等相关细则的实施，原有的调速器在功能及精度上已不能满足运行需求。2013年以来，索风营电厂先后对#1，#2机组调速器进行了换型改造，实现了调速器功率闭环模式运行。在贵州乌江水电开发有限责任公司乃至贵州省水电企业，索风营电厂是首家实现调速器功率闭环模式运行的企业。在调速器改造及功率模试运行过程中，本文通过发现并解决实际工作中出现的问题，总结出创新经验，以飨同行。

2 功率闭环模式概况

调速器功率闭环模式是水电机组在并网后的运行模式之一，适用于大电网恒功率的运行方式。具体来说，功率闭环模式是由监控系统现地控制(LCU)单元对水轮机调速器通信，下达机组功率给定值。调速器收到目标值后跟踪该给定值并与调速器自己采集计算的实时机组功率进行比对反馈，进行一个PID闭环调节，从而调整控制导叶开度，达到负荷调整及优化机组控制有功功率之目的。该模式除了用于运行人员手动调节机组负荷外，更适合与水电厂自动发电量控制系统(AGC)配合接口并实现机组有功功率的全数字控制。此外，在非功率模式时，功率给定值始终连续跟踪机组实发功率值，以确保调速器各模式之间的平滑切换。 该系统原理框图如图1所示。

图1 调速器自动控制原理图

图1中：KP,KI,KD分别为调速器的比例-积分-微分系数；Pc和Yc分别为功率给定和开度给定；Ef，Ep和Ey分别为人工频率、功率和开度死区；bp和ep分别为开度和功率的永态差值系数；YPID为调速器导叶开度计算值。

由图1可以看出，监控系统直接对调速器下达功率设定值(Pc)，在功率给定方式选择及调速器工作模式切换后，与机组的实时功率进行比对，在对永态差值环节及人工开度/功率死区环节的限制后，再进行调速器的内部PID计算，最后进行一系列的综合放大等执行环节来达到机组负荷调整的目的，该模式完全是在调速器内进行内部闭环。

3 功率闭环模式的优点

索风营电厂调速器在改造之前机组并网后是在开度模式下运行，由图1可以看出，调速器按监控系统功率给定Pc计算出来的开度给定Yc，在开度调节模式下完成Ypid的运算。调速器进入稳态的条件是

ΔI=Δf+bp(Yc-Ypid)=0 。

在调速器改造后的功率模式下，功率给定Pc与机组实际功率测量值Pg进行比较，经人工功率死区等环节得到功率调节差值ΔP。调速器进入稳态的条件是

ΔI=Δf+epΔP=0 。

开度模式由监控系统可编程逻辑控制器(PLC)进行闭环控制，是一种间接式调节结构，而功率模式由调速器进行闭环控制，是一种直接式调节结构。从二者比较之后可以看出，功率模式省去了开度模式下由监控系统参与开度比对反馈的中间环节，监控PLC只对调速器下达一个机组功率给定值，不参与机组负荷的调节，由调速器跟踪该功率给定值进行一个内部的功率闭环调节，这样会大大提高机组并网发电后调速器对负荷调节的响应速度和响应精度。就索风营电厂而言，功率模式改造后，调速器能够满足南方电网AGC“1+5”辅助服务要求，同时也满足了一次调频对调节精度和调节速率的要求，减少了电厂因为辅助服务不合格而受到的经济效益考核。由于省去了原来开度模式下的很多中间环节，相应也提高了调速器安全运行的可靠稳定性。

4 功率闭环模式在索风营电厂的应用

4.1 监控系统与机组调速器之间的数字化通信

改造前，监控系统与调速器之间的通信方式是由监控系统现地控制单元(LCU)通过对调速器远方增减负荷脉冲信号来进行负荷控制，完全是一个依靠继电器接点通断的硬接线方式。而机组PLC的调功程序采用的是循环比较，逐渐逼近调节方式，其输出的脉冲宽度与每次比较的有功差值相关，是一个变化量，其调节精度较差，容易受到外界因素的干扰。在此次改造过程中，索风营电厂在监控系统LCU柜上加装了1块模拟量输出AI模块，通过4～20 mA的电量信号对机组调速器进行通信，调速器在收到此信号后，通过PLC的A/D模块将电量信号转化为数字信号并进入调速器内部程序直接参与PID调节。这样做的好处一是缩短了从监控系统下令到调速器开始进行负荷调节前的准备周期；二是因其是数字化通信，可直接作用于调速器PLC内部程序，所以调节精度大为提高；三是减少了以前脉冲方式通信过程中可能出现的故障因素。

4.2 功率模式内部闭环对调速器一次调频与二次调频的相互影响

一次调频和二次调频都是调节机组负荷来实现系统负荷与发电出力的平衡，以维持系统频率的稳定，理论上应该是相互补充、协调一致的。但在索风营电厂多年的实际运行过程中，笔者发现二者经常互相影响，时常出现一次调频和二次调频同时动作调节的情况，若不采取协调措施，则可能会出现反向调节、脉冲累积、相互拉锯、LCU有功调节超时退出等问题。问题的主要原因是由于指令源不一致。一次调频是调速器根据该台机组的频率来计算并实时输出控制。二次调频则是根据系统频率来计算的，通过监控系统以有功给定的方式下发指令到调速器。虽然并网机组频率从理论上应和系统频率一样，但机组会经变压器等电气设备与电网相联，而且测频采样时点、时延、误差不可能完全一致，加之系统频率瞬息万变会导致一次调频与二次调频相互影响。索风营电厂在功率模式下使用了内部闭环方式，功率目标值直接下发给调速器，调速器收到目标值后跟踪该目标值，并与自己采集计算的实时机组功率进行比对反馈，在调速器内部进行PID闭环调节，监控系统完全不参与频率调节过程，这样一来，无论是一次调频，还是二次调频，指令源都是一致的，由调速器自己内部计算，最后进行导叶偏差量的调整，内部闭环调节模式可将一次调频与二次调频之间的互相影响降到最小。从机组实际运行情况来看，效果较为明显。

4.3 功率闭环模式调节程序的优化

在调速器功率模式试验过程中，进行大负荷调节时，现场发现调速器的调节速率完全是由水轮机机械调整特性决定的，调整时间短促，是一个阶跃式的调整，甚至引起了发电机组的剧烈振动，这样必然会影响机组的安全稳定运行。经过分析研究后，将调速器PLC程序进行了优化。在进行功率调节过程中，实现了调节速率的“斜坡控制”，其结果如图2所示。

图2 调节速率的“斜坡控制”

在图2中，纵坐标为功率，横坐标为时间。假设在稳态条件下运行，调速器的功率给定为Pc1,当进行大负荷增加调整时，人为控制或监控AGC将功率给定设为Pc2后，调速器按图2所示的结果调节速率，在调节初期以斜率为k(此系数可根据本厂实际需要进行整定)的一个直线斜坡方式进行Pc调整，这时为斜坡控制阶段。在接近功率给定Pc2的调节后期则由调速器的PID调节特性进行功率微调，这时为PID调节阶段，最后平稳将机组功率由Pc1调节到Pc2。这样就使机组在进行大负荷调整时初期调节速率以一个平缓的方式进行调节，不会出现阶跃式的调整，保证了机组运行的安全稳定，而在接近负荷给定值时则又由调速器PID特性进行微调，不至于出现过大的超调。在大负荷减少调节时，同理。程序改进后重新试验，效果良好。斜坡处理程序如图3所示，斜坡上升和下降速率给定程序段如图4所示。

图3 斜坡处理程序

图4 斜坡上升和下降速率给定程序段

在图3中，RAMP为斜坡发生器。

4.4 功率闭环模式开机程序优化

在功率闭环模式下，在现场试验过程中，笔者发现调速器运行模式可进行如下切换操作：并网前机组空转态为频率模式，并网后转为开度模式，一定延时后再转为功率模式。并网后的模式切换由监控系统PLC进行远方控制，调速器本身不进行切换操作。对调速器运行模式认真研究分析后，笔者认为，这样切换会增加监控系统调功程序的复杂性，中间模式切换环节较多，出现故障干扰的几率也较大。于是对调速器开机程序进行了优化，并网后监控系统不进行调速器的模式切换，由调速器内部自行判断，机组并网后即由频率模式自动切换到功率模式。这样就避免了无必要的中间环节模式切换，也减少了可能出现的故障因素。

4.5 功率模式投运前后的性能及经济效益比较

4.5.1 性能比较

以改造后的#2机组为例，2013年1—7月与2012年同期AGC考核电量对比情况见表1。

表1 2013年与去年同期AGC考核电量对比 MW·h

由表1对比可知，调速器性能得到质的提升，AGC考核电量大幅减少。2013年1—7月与2012年同期一次调频合格率对比情况见表2。

表2 一次调频合格率 %

由表2对比可知，调速器实现功率闭环模式后，一次调频合格率得到显著提升。

4.5.2 经济效益比较

由于机组调速器完成了功率闭环模式功能的实现，使机组负荷的调节速度更快，精度更高，满足了南方电网AGC及一次调频辅助服务的要求，考核电量显著减少,按照现在上网电价269.4元/(MW·h)计算,据保守估计，2013年可为索风营电厂节约成本70.45万元。

5 结论

调速器有频率、开度和功率3种工作模式，在机组并网后，调速器一般在开度模式或功率模式下工作，但由于种种原因，大多数水电企业调速器并没有实现真正的功率模式运行方式，在如今电网服务细则越来越严格的趋势下，调速器工作在开度模式下已经渐渐不能满足电网运行要求。索风营电厂在调速器改造换型后，实现了调速器的功率闭环模式，在此基础上，笔者总结摸索了一些试验及运行的实践经验。从设备性能和经济效益对比来看，调速器在功率模式下的闭环控制具有开度模式不可比拟的优势，也是今后水电企业调速器运行方式的发展方向。

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