抽水蓄能机组背靠背工况下的频率控制策略及典型故障研究

2016-11-11陈凤华

水电站机电技术 2016年7期

吴昊，陈凤华

（1.中国南方电网有限责任公司调峰调频发电公司广州蓄能水电厂，广州从化 510950；2.中国南方电网有限责任公司调峰调频发电公司惠州蓄能水电厂，广东惠州 516100）

吴昊1，陈凤华2

由于抽水蓄能电厂在电网中作用的特殊性，其在电网负荷低时需要快速响应开启抽水工况，而背靠背是抽水启动的两个方式之一。本文通过对抽水蓄能机组背靠背拖动工况下的自动频率控制策略进行分析，以典型拖动失败事件为案例，研究得出故障原因，提出故障解决办法及预防措施。

抽水蓄能；自动频率控制；背靠背拖动；故障研究与解决

1 引言

抽水蓄能机组在电网中，主要起到调峰调频、事故备用、黑启动等重要作用，由于用户对电能质量的要求越来越高、电网的稳定运行指标越来越严格，配备抽水蓄能机组已成为区域大电网的发展趋势。

由于蓄能电厂在电网中作用的特殊性，其具有发电、抽水、发电调相、抽水调相和停机稳态5个稳定状态，且蓄能机组启停频繁，为了帮助电网“削峰填谷”，其在夜间电网负荷低时需要快速响应电网负荷开启抽水工况。蓄能机组由停机稳态达到抽水工况，首先在抽水调相工况下达到并网，这就需要由拖动装置使机组达到并网条件，静止变频器（SFC）就是利用晶闸管将工频交流电输入变成连续可调的变频交流电输出的装置，该装置是抽水蓄能机组的主力拖动装置。但目前，SFC在我国蓄能电厂的应用上还面临着造价高、国外技术壁垒、设备可用率偏低等问题。而背靠背启动方式作为备用的启动方法显得额外重要。拖动工况由于涉及两台机组，一台作为发电机、一台作为电动机，且涉及的开关与刀闸多、回路广，程序流程复杂，对程序设计及一次设备的配合、二次设备的控制水平提出较高要求，更对运行维护人员的设备运维水平及故障查找能力提出新的挑战。

本文通过对抽水蓄能机组拖动工况下的自频率控制策略进行分析，以广州蓄能水电厂某次典型拖动失败事件为案例，研究得出故障原因，提出解决办法及预防措施。可作为专业技术人员研究蓄能机组拖动工况原理和解决类似故障的参考，亦可为设备厂家和科研调试人员提供技术依据。

2 拖动工况下的控制策略与调节原理

2.1 预启动过程及拖动主轴的建立

在蓄能机组预启动阶段，无论是发电、抽水还是拖动工况，主要进行机组辅助设备的启动，为后期机组动作准备。如：投入机组冷却水系统、开启母线风机、调速器油路建压及开通、开启循环油系统等。

背靠背启动过程同SFC拖动一样，均需建立电气轴，实现一个电能由拖动机组传输到被拖动机组的传输通道。该电能输送通道由拖动机出口开关、拖动刀闸、拖动母线、被拖动刀闸建立，如图1所示。

图1 背靠背拖动的能量传递

2.2 自动频率控制

在拖动阶段，最终目的是使被拖动机组实现并网，以吸收电网侧功率达到“削峰”的作用。故此阶段的被控参数为机组频率，而由于电气主轴的建立，励磁系统通过转子电流使被拖动机组作为拖动机的负载，故背靠背的两台机组频率一致。

在此阶段，拖动机组控制流程与发电启动时基本一致，其作为发电机运行，水轮机带动大轴使转子转动，励磁加在转子上，并使定子产生反作用磁场，待这两个磁场达到动态平衡，定子即产生了和水轮机同样频率的稳定电压。而被拖动机组作为电动机，拖动装置（SFC或一台发电机）发出电压通过电气轴加在电动机定子上，电动机的定子从而产生交变磁场，励磁加在转子上，亦产生感应磁场，二者达到动态平衡时，被拖动机转子转速与拖动装置的转速达到一致。

但需说明的是，由于此时拖动机组带着另一台机组在运行，其频率控制策略不可简单沿袭发电，而应作出调整。而为减轻拖动负载，在拖动时被拖动机组应通过高压气将水压至转轮以下，仅留少量水形成水环留作润滑冷却，以此减小摩擦阻力。

法国ALSTOM生产的TSLG型调速器拖动频率控制逻辑见图2。在第一阶段，调速器收到拖动指令后，调速器的导叶开度设定值首先由参数VT_BBLC设定为一个预开度，用于启动水轮机，该过程持续时间由BB_TMP1控制。BB_TMP1时间后进入第二阶段，调速器投入拖动一级开限LO_BB1，转速继续上升，这个开限一般比预开度小，这将使导叶开度回调，但机组转速仍会继续上升，待机组转速升至VT_BBMN后进入第三阶段。第三阶段，调速器进入升速阶段，此阶段不再直接控制导叶开度而是控制机组频率，调速器以一个固定速率增加机组频率设定值，同时为避免大幅超调，在此阶段调速器投入拖动二级开限LO_BB2，直到机组到达50 Hz。

上述策略由调速器内部的顺序控制程序设定，通过过程控制闭环负反馈系统实现。在此过程控制系统中，第一第二阶段的控制参数为导叶开度，第三阶段的控制参数为机组转速。以第三阶段为例，如图3所示，控制环由设定值（机组转速曲线）、反馈值（经微分处理的机组频率）、PI调节和限制模块等组成。当反馈传感器测定的机组频率与设定值产生偏差时，PI环节起作用，并向该偏差值的反方向进行调节，直至偏差为0。而限制模块起到减小超调、稳定输出的作用；微分环节则有利于提前得知机组频率变化趋势，提高控制特性。

该逻辑是当今采用的主流控制逻辑之一，但并不唯一，比如福伊特公司生产的调速器的拖动逻辑与此大同小异，均是将机组启动后再使其转速以斜坡曲线形式上升。

图2 调速器拖动频率升速示意图

图3 调速器拖动逻辑框图（第三阶段）

3 典型拖动失败

综合以上对拖动逻辑的论述可知，在拖动工况下典型故障无非以下3种：电气主轴建立失败；拖动或被拖动机自身出现故障，导致拖动失败；拖动动力不足导致机组转速上升过慢，流程超时。下面以广州蓄能水电厂A厂某次典型拖动失败事件为案例，进行故障研究。

3.1 故障简述

2014～2015年，广蓄A厂出现两次3号机组拖动4号机组失败事件，查询机组流程，失败的直接原因为开始拖动后，机组转速未在规定时间内上升。

3.2 故障现象

拖动主轴已建立，拖动机导叶已按设定值打开，两台机组励磁投入正常，两台机机端电压几乎为零（正常应随着转速上升而上升至19 kV），机组轻微蠕动、随后拖动失败。根据监控系统EVENTLOG记录信息可以看出，在被拖动机励磁开关合后，转速未在规定时间内上升，导致超时跳机。（广蓄A厂下位机程序设定：被拖动机组励磁开关合后，需在30 s内上升至5%额定转速，否则拖动失败。）

3.3 初步判定直接原因

动力不足导致机组未转，超时启动失败。

3.4 统计分析及推断

在之前3号机组成功拖动4号机组的记录中发现，从被拖动机4号机组励磁开关合到转速上升到5%额定转速，耗时在25～27 s左右不等；而3号机组拖动2号机组或2号机组拖动1号机组等不涉及4号机组的拖动启动，此过程耗时均在22～24 s之间。

遂怀疑4号机组阻力偏大或说固有特性相对较差，故而导致其他机组需要提供更大的动力才能将其拖动成功。而之前3号机组调速器所设置的拖动参数很可能处于一个较临界位置，所以有时候拖动成功但用时较长（达到5%转速耗时27 s），而有时又会拖动失败。

3.5 根本原因分析

从拖动工况的频率控制策略上说，该策略通过顺序程序将过程控制优化，科学可靠，成功率高。从机组RTU程序允许的启动时间设定上说，拖动机组励磁开关合后，在30 s内上升至5%额定转速，已经是一个相对宽裕的设定，且故障时机组只是轻微蠕动，没有升速迹象。

对于根本原因是4号机组阻力偏大的怀疑，如下3点可以佐证。

（1）发电工况转速上升数据

分析4号机组正常发电时的转速上升速率，与其他机组进行比较。导叶开启后，同样时间内（7 s）4号机组较其他机组转速上升确实慢，见表1。

表1 广蓄A厂4台机组发电工况转速上升情况

（2）建模仿真试验

广东电网电科院轮机所配合广蓄电厂进行了机组原动机及调节系统参数实测与建模工作。水轮机及其调节系统可分成3个系统分级建模：调节系统模型、执行机构模型和引水道水轮机模型。通过试验得到静特性、永态转差率、频率死区、接力器反应时间常数等参数。

首先，根据参数实测结果将参数带入调速器模型中，使用TGM2000建模平台软件仿真导叶开度的频率阶跃响应曲线，并与实测动态频率扰动导叶开度波形进行了对比，得出该自定义调速器模型（包括调节系统模型、执行机构模型）与实测曲线吻合度较高，满足南方电网企业标准《中国南方电网同步发电机原动机及调速系统参数测试与建模导则》要求［5］。

而后，使用TGM2000建模平台根据实测数据使用改进的最小二乘法（LS）或遗传算法（GA）辨识得到引水道水轮机模型，亦均满足标准要求。

最后，将三级模型进行组合后使用TGM2000平台进行仿真校验，自定义调速器模型、辨识得到的引水道水轮机模型能够准确模拟导叶开度、有功功率的频率阶跃响应过程，相关误差符合规程要求。

经整合，在采用LS法辨识的情况下，广蓄A厂4台机组液压随动系统-引水道水轮机传递函数分别如下。

使用MATLAB仿真模块得出广蓄A厂1号～4号机组“液压随动系统-引水道水轮机”传递函数阶跃响应仿真曲线，如图4所示，图中横坐标为时间，纵坐标为标幺值。

依据该阶跃响应曲线计算得出4台机组固有调节时间（取5%为稳定范围）分别为：5.154 s，4.962 s，3.231 s，10.0 s。可见，4号机组液压系统调节时间确实偏大，也就是说相比其他机组，4号机组其需要更大的动力才能及时升速。

（3）发电空载开度

广蓄A厂4台机组空载开度设置如表2，此数据也可佐证4号机组在开机时达到空载状态确实需要更大动力。

图4 广蓄A厂1号～4号机组“液压随动系统-引水道水轮机”传递函数阶跃响应仿真曲线

表2 广蓄A厂4台机组发电空载开度

3.6 解决措施及后续建议

经过以上分析得出结论：在不改变控制策略及机组RTU程序设定的情况下，根据能量守恒，为满足控制需求，必须使控制参数适应4号机组相对稍差的响应特性，即：适当加大机组拖动参数，克服拖动阻力，为拖动工况提供足够大的水力支持。运维人员决定以增大拖动程序中第一阶段的预开度和第二阶段的开度限制的方式达到此目的。经多次试验调试出适配参数后，3号机组背靠背拖动4号机组成功，录制波形显示机组拖动平稳、与励磁系统配合正常，转速上升时间符合要求（24 s）。

因广蓄A厂调速器控制系统为新投运设备，但改造后并未进行过所有机组的互相拖动试验，故障后运维人员意识到4台机组自身特性不一，故后续广蓄电厂已着手进行4台机组的互相拖动试验，防止再次出现因动力不足导致拖动失败的情况。