藏木电厂孤网事故分析及调速器控制策略研究

蔡卫江,荣 红

(南京南瑞集团公司,江苏 南京 211106)

藏木电厂孤网事故分析及调速器控制策略研究

蔡卫江,荣 红

(南京南瑞集团公司,江苏 南京 211106)

通过对目前西藏最大的水电站藏木电站频率及有功功率振荡引起的事件分析,详细阐述了事件产生的原因,从电站调速器的角度分析了原来的调速器调节控制结构,提出了相应的调速器调节框图结构优化方法、参数优化策略、工况准确识别方法及切换判据依据等,新的控制方法已在藏木水电站投入运行并为系统的安全稳定起到重要作用。本文也可为国内及国外类似水电站在孤网、小网情况下的稳定控制提供一定的参考。

大机小网;孤网;控制结构;参数优化;切换判断

0 引言

西藏电网目前主要由覆盖拉萨、山南、日喀则、那曲、林芝5个地区的藏中电网,以及昌都、阿里两个地区电网构成“一大二小”的电网格局。而藏木水电站是目前西藏最大的水电开发项目,也是雅鲁藏布江干流上规划建设的第一座水电站,装机6台,单机85 MW,是藏中电网的主力电源。电站的建设有利于缓解西藏中部地区用电的紧张局面,对维护西藏和平稳定等具有重要意义。然而,藏中电网总容量只有1 250 MW～1 300 MW,藏木电站机组单机容量已占系统总容量的6.7%,属于典型的“大机小网”运行工况[1],机组负荷稍有较大变化,都会对电网频率产生波动,因此对机组调速系统的控制要求较高[2]。

2015年1月,藏木电厂1号机、2号机分别投产发电。1月23日14∶00,藏中电网系统频率、电压出现异常波动,频率最高波动到52.24 Hz,最低到47.63 Hz,并网运行的1号机、2号机也随着出现导叶来回抽动、机组出力反复波动等情况,调速器不断调整造成油压持续下降,最终,两台机分别因事故低油压保护动作跳机。电网稳控装置随即发出切负荷命令,电网频率逐渐稳定在50.3 Hz。整个事故造成电网减出力220 MW,切负荷210 MW,频率和负荷波动持续约4 min,给整个藏中地区的安全供电造成一定影响。

1 事故分析

事故后,国家电网及西藏电网公司调度中心、中国电科院、华能藏木电厂、南瑞集团公司等相关单位,对于“1月23日藏木电厂2台机组跳闸”情况展开了详细的分析和讨论,给出了主要原因:

(1)当时整个藏中电网的负荷约600 MW,藏木两台机当时带负荷约150 MW,占比约25%,藏木电站的负荷变化对整个电网的影响较大,在电网波动过程中,系统频率与藏木电站两台机功率变化趋势基本同步、一致,由此判断系统频率的波动主要是由藏木机组出力波动引起。且在藏木机组跳闸后,电网切除部分负荷,电网波动停止,系统电压和频率恢复正常。

(2)从当时藏木电站1号机频率、导叶开度、出力、一次调频动作录波图来看(参见图1),初始时系统的频率有一个缓慢下降的变化,调速器一次调频动作,导叶向上调节,机组出力上升,超调较大,系统频率随即上升,导叶又往关方向调节,但调节并不稳定,导叶来回抽动,导致机组出力波动,频率波动,最终导致事故低油压停机。

(3)检查藏木电站调速器的参数及调节方式,发现当时调速器虽然设置有大网/小网运行方式切换把手,但把手打在大网方式,其次其频率调节参数设置较大,比例系统KP为8,积分增益KI为8,微分增益KD为1,调差系数BP设置为4%,频率死区设置为0.3 Hz。由于藏中电网运行中频率经常在49.5～50.5 Hz范围内变化,当系统频率超过设置的0.3 Hz死区时,电厂调速器设置的一次调频PID调节参数较大,该参数是按照大电网模式设置,做一次调频试验时,频率采用外部信号源输入,并不能反映实际电网频率变化,实际上西藏电网属于小网,电网频率受负荷和发电影响变化范围较大且较频繁,当电网频率超过频率死区(0.3 Hz)较多时(西藏电网频率经常在49.5～50.5 Hz范围内变化),调速器一次调频将会产生较大输出,再加上水电机组水锤效应的影响,从而引起系统功率的摆动,加剧系统频率的波动。

(4)综合上述情况,机组频率波动导致事故跳机主要由以下原因造成:①一次调频PID调节参数设置不合理,前面已经提到,按照常规大电网并网模式进行调速器一次调频试验来确定参数是极其错误的,大电网模式下,单台机导叶动作基本不会产生电网频率变化,实际西藏电网属于典型的“大机小网”模式,导叶动作造成的单台机组出力变化会产生电网频率的相应变化,因此调节参数必须通过实际并网扰动试验(反馈采用实际电网频率)来确定,若现场不能进行,也必须采用软件建模仿真,通过安全稳定计算来确定调速器初始PID参数[3]。②导叶的调节速度不能太快,必须和电站机组的惯性比率RI相匹配,RI为电站水流惯性时间常数和机组惯性时间常数的比值,一般RI不超过0.4[4]。RI越大,表明电站水流惯性对机组调节的影响越大,导叶在剧烈变化过程中,机组的出力并不能同步变化,易出现反调、滞后等现象,从图1的录波图中可以看出,调节末端,当导叶调节幅度加大时,机组有功和开度变化出现了不同步,反而造成了系统频率的波动幅度加大。最终导致事故低油压而跳机。

图1 藏木电站1号机频率、导叶开度、出力、一次调频动作录波图

2 原调速器调节规律

藏木电站采用的调速器PID调节原理框图如图2所示,图中有两个PID调节环节,前一个称为频率主环,后一个PI调节框图称为导叶副环,PGV是负荷的给定值。最终控制输出U实际上是对应导叶偏差的增量信号。调速器根据机组开机、空载、并网、停机等工况的变化,自动改变PID参数、频率给定值、人工失灵区、永态转差系数、开度限制值、功率给定值等。各工况下参数的改变和调节输出量的计算,均由微控制器的软件实现[2]。其变参数策略简述如下:

空载工况,不跟踪电网频率时,调速器频率给定为50 Hz,可接受手动按钮或同期装置脉冲增减给定;跟踪网频时,频率给定为:网频+跟踪频差。空载时调差系数BP为零,死区为零,PID调节参数采用空载参数,积分限幅为±10%导叶全开度,开度给定输出限幅为0～1.5倍的空载开度。

并大网运行时,调速器频率给定为50 Hz,一次调频投入时,BP和死区为设定值(一般按系统要求设置,BP=4%,频率死区为0.3 Hz),PID调节参数采用负载参数,积分限幅为±100%开度,开度给定输出限幅为0～100%。

功率一般都通过监控系统来调节(发增减脉冲),调速器将增减脉冲换算成导叶开度增减量PGV,直接作用于导叶位置输出,由监控系统完成功率的大闭环调节,系统频率未超出死区时,调速器按开度调节动作。当系统频率超出设定死区时,按一次调频规律作用于导叶。

图2 藏木调速器原调节原理框图

3 改进后的调速器调节结构

原来的调速器控制策略存在对调速器并小网运行、孤网运行(带厂用电、区域用电等较小负荷)的控制模式考虑不足,虽然通过优化调速器PID调节参数,在原有控制结构上也能达到一定控制目的,但不能适应机组并大网、小网及孤网运行的各种情况,我们通过对调速器控制结构的优化,设置科学的大网、小网的切换判据,结合不同的优化PID调节参数,从而满足机组不同运行工况的调节稳定要求。

改进后的调速器控制结构框图如图3所示,主要变化有3点:

(1)在原有空载PID参数,负载PID参数(一次调频参数)基础上,增加了一组小网PID调节参数,包括调差系数BP和频率死区,均可以单独设置,该参数一般先通过计算机仿真建模稳定计算获得,后期可以通过现场试验验证修改确定。

(2)监控系统过来的增减功率量PGV放在了频率调节环前面,和频率偏差进行叠加后输入到PID环节,导叶给定算法变为:

各变量见图3所示,改进后的结构算法有利于当大网切换到小网时,克服切换前监控功率给定值的影响。参见图2:原来的控制算法为:

公式2算法PGV叠加在频率环节之后,相当于前馈环节,虽然这样导叶调功速度较快,但存在当大网切换到小网时,监控给定量PGV一直保留切换前数值,会导致机组频率不能调整到50 Hz(一般会高于额定频率)。新的改进算法,可以在大小网切换瞬间重新计算PGV,同时将PGV叠加到频率环节之前,与频差叠加后输入到PID模块,这样可以保证机组频率最终能够回到额定。当然在大网与小网互相切换时,导叶给定、PGV、积分YI一定要重新计算,确保切换前后导叶给定保持一致。

(3)关于孤网工况(如雷击等事故造成的机组远方线路跳闸,机组空载或带厂用电等区域较小负荷情况),此时仍然可以按图3所示的结构调节,只不过PID调节参数、调差系数BP、频率死区需要适当修改,一般PID调节参数可以选用空载参数,或选用小网参数,BP一般选为0。

图3 改进后调速器调节原理框图

4 大小网、孤网切换判断方法及处理

目前常用的判别方法主要以频率偏差为依据,在此基础上,增加有功功率作为辅助判断[5]。根据藏木电厂实际情况,大网与小网,大网与孤网的判断依据如下:

(1)人工判断:装置面板设置“大网/小网”切换开关,运行前运行人员根据当前机组工况选择。

(2)自动判断:当切换开关仍处于大网,机组处于并网工况,但系统频率检测超过50±0.5 Hz,机组有功大于10%额定时,延时1 s,调速器转换到小网工况,当频率超过50±0.5 Hz,有功小于10%额定时,延时1 s,调速器转换到孤网工况。

(3)切换前后数据处理:大网转到小网时参数调用小网PID参数,调差Bp适当减小(推荐1%～2%),死区按要求设置(西藏地区为0.3 Hz),数据处理方面:功给PGV=Y(导叶反馈)-Ynld(空载开度) -YPID,积分输出YI=Y(导叶反馈)-Ynld(空载开度),导叶给定按新的公式1进行计算,确保切换无扰动。大网转到孤网时参数调用空载PID参数,调差Bp设为0,死区按要求设置(西藏地区为0.3 Hz),数据处理方面:功给PGV清零,导叶给定重新初始化,保持前后一致。

(4)小网或孤网切换回大网的判断:大网工况主要考虑将来藏中电网联网后的运行情况。机组并大网运行时,机组频率变化很小,理论上讲,一般不超过49.9～50.1 Hz,可以通过一段时间内(一般3 min)检测频率是否一直在该范围内来判断,但考虑到测频信号毛刺的影响,本文采用了一定的滤波算法,频率每20 ms检测一次,3 min内频率的测量值共9 000点,若超过80%的数据点均在49.9～50.1 Hz范围内,则判断机组已经回到大网工况。

5 结语

目前,西藏水电建设已进入较快的发展时期, 2015年10月,藏木6台8.5万kW机组全部发电, 12月底,西藏第二大果多水电站也投产发电。一方面藏中电网与内地还没有联网,存在“大机小网”稳定问题;另一方面,因雷击等事故可能造成机组远方断路器跳闸,形成一个区域供电的孤网状态,如果调速器的参数及控制策略不完善,不能准确识别工况和切换参数,往往出现频率波动、振荡等事故。藏木电厂经过事故分析和调速器控制策略优化改进后,切换动作正常,参数设置合理,目前运行情况稳定,为西藏电网和地区的稳定做出了重要贡献。

目前除了西藏地区外,由中国承建的国外电站也大量存在“大机小网”问题,如缅甸瑞丽江电站、柬埔寨额勒赛电站、正在建设的柬埔寨桑河二级电站,本文所提出的调速器控制策略和参数优化以及切换判断原则均可以在类似电站机组上推广应用。

[1]桑 果.西藏电网大规模光伏电网调度运行策略的探讨[J].西藏科技,2013(12):77-79.

[2]高 文,荣 红,蔡卫江.±800 kV直流孤岛方式下小湾调速系统控制策略研究及应用 [J].水电自动化与大坝监测, 2013,37(2):27-31.

[3]邓 磊,等.水轮机调速系统一次调频功率振荡现象分析及解决[C]//全国大中型水电厂技术协作网第五届年会论文集,2008:112-125.

[4]魏守平.水轮机调速系统仿真[M].武汉:华中科技大学出版社,2012:157-162.

[5]邵 彬.基于孤网下水轮机调速器参数自动切换方法的实现[J].水电自动化与大坝监测,2010,34(6):35-37.

TV734.4

B

1672-5387(2017)07-0065-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.020

2017-04-27

蔡卫江(1970-),男,研究员级高级工程师,从事水电站水轮机调速系统、综合自动化控制装置的研究和设计等工作。