加蓬大布巴哈水电站孤网运行及调速器系统调试

乔 涛

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明650032）

1 加蓬大布巴哈电站情况概述

加蓬大布巴哈电站位于加蓬奥果韦河上，距离弗朗斯维尔（加蓬第三大城市）直线距离15 km，电站安装4台45.76 MW混流式水轮发电机组。电站主体工程有大坝、厂房、引水隧洞、调压塔、进场公路；一条45 km 220 kV输电线路与220/63 kV莫安达变电站连接，单独向COMILOG锰矿厂供电；一条24 km的63 kV输电线路与弗朗斯维尔扩建63 kV变电站连接，可向弗朗斯维尔供民用电。

非洲加蓬大布巴哈电站工程属于EPC项目，由中水十四局负责工程的设计、采购、建设、安装、调试、运行维护工作。工程2008年11月15日正式开工，于2010年11月3日顺利完成截流，并于2013年4月30日完成下闸蓄水，2013年8月5日厂房4台机组全部完成72 h空载试运行调试，2013年12月5日开始并网带小负荷发电向锰矿厂提供调试电源，2014年3月正式运行。

同与弗朗斯维尔变电站连接的还有当地电力公司SEEG运行的小布巴哈水电站，该电站装机容量为4×5.8 MVA+2×11.6 MVA，可在弗朗斯维尔变电站与大布巴哈电站并网运行。

目前，大布巴哈电站机组长期负荷在10～50 MW区间内运行。由于锰矿厂的负荷特性主要为感性负载而且未合理的配备和投入无功补偿装置，现大布巴哈电站需启动两台机组才能基本抵抗住负荷端的无功冲击，每台机组基本长期在5～25 MW的负荷区间和0.65～0.8的功率因数区间内低负载低功率因数运行，这对机组安全稳定运行极为不利。

2 孤网运行的概念

孤网是独立电网的简称，一般泛指脱离大电网的小容量电网。我国规定电网中单机容量一般应小于电网总容量的8%，以保证当该机组发生甩负荷时，不影响电网的正常运行。如果电网中的机组调速系统都正常投入，一旦失去小于电网总容量的8%的1台机组，电网失去的功率可以暂时由网中其他机组承担，保证电网频率下降不超过0.2 Hz，转速下降不超过12 r/min，对供电质量的影响仍在运行规程规定范围内。因此，一般情况下，称最大单机容量小于电网总容量的8%的电网为大电网，反之称之为小网，孤立运行的小网称为孤网。

大布巴哈电站单机容量为45.76 MW，在与小布巴哈电站并网运行时，大布巴哈电站单机容量约占系统容量的20%，属于小网运行。由于小布巴哈电站仅在其容量不满足弗朗斯维尔民用电负荷时才通过弗朗斯维尔变电站联络断路器合闸与大布巴哈电站并网运行，其余大部分时间大布巴哈电站独立运行向COMILOG锰矿厂供电，单机容量占系统容量的25%，形成典型的孤网运行。

3 孤网运行调速器系统特点

在大电网运行的发电机组，允许的频率偏差为±0.2 Hz，调度给定负荷，调速器通过功率给定调整导叶开度，并比较机组频率和电网频率进行PID调节，跟踪电网频率，使机组保持稳定频率输出给定功率。由于大电网频率及负荷稳定，调速器控制动作频率较低。

调速器控制原理见图1。

图1 调速器控制原理图

孤网运行的最大特点是没有调度分配负荷，大布巴哈水电站孤网运行时单独向COMILOG锰矿厂供电，因而负荷大小及功率因数全部由锰矿厂的生产设备投入情况决定。调速器不能通过负荷控制，也不能跟踪电网频率（电网频率即是本机组频率或是本电站其他机组频率），只能通过跟踪给定频率进行导叶控制。要求调速器系统具有符合要求的静态特性、良好的稳定性、迅速的动态响应特性，以保证在用户负荷变化的情况下自动保持电网频率的稳定。

其中：Fj机组频率，Fg为频率给定值。

通过对频率差值进行PID运算后，得到一个与该差值所对应的开度输出信号，经过开度限制环节输出到液压随动系统来控制导叶的开度，导叶的开度经AD转换后与PID调节器的输出信号进行综合比较，放大输出，直到调整输出信号和导叶开度所对应的信号之差为零。

4 孤网运行调速器系统参数

大布巴哈电站孤网运行，单独对锰矿厂供电，机组调速器的运行参数设置需根据锰矿厂的用电特点进行调整，锰矿厂设备投退频繁，用电负荷经常短时间内出现多次较大波动（超过单台机组容量的25%），对调速器系统的动态响应特性有较高的要求，每次用户设备投退造成负荷波动时都要求调速器迅速稳定电网频率。经过多次试验及运行过程观察，对调速器系统参数进行了整定。

4.1 负载频率PID调节永态转差系数Bp

调速器静特性，是在平衡状态下，调速器转速n和接力器行程Y之间的关系，即Y=f（n），其静特性的斜率就是永态转差系数Bp。国家标准要求静特性曲线应近似为直线，其最大非线性度不超过5%，当静特性近似为直线时，Bp的数学表达式为：

式中：

nmax——机组在空载时的转速；

nmin——机组在额定出力时的转速；

ne——机组额定转速。

机组调速器Bp=6.3%时静特性曲线见图2。

图2 Bp=6.3%调速器静特性曲线图

将式（1）转换为频率表达：

式中：

fmax——机组在空载时的频率；

fmin——机组在额定出力时的频率；

fe——机组额定频率。

将图2数据代入式（2）得出：

由图可知：ΔY=100%。

因而Bp=6.3%时频率与导叶开度的关系为：3.15 Hz的频率变化对应了100%的导叶开度变化。

在大电网运行的水轮发电机组Bp一般设置为6%左右，大布巴哈水电站调速器Bp调整范围为：0～10%。为满足动态响应迅速的要求取较小值1%，即0.5 Hz的频率变化对应100%的导叶开度变化，在出现负荷波动时迅速稳定电网频率。

4.2 机组开关机时间

关闭机组进水蝶阀，采用调速器仿真仪测试开（导叶开度由 0～100%）关（导叶开度由 100%～0）机时间。

开关机试验曲线见图3。

图3 开关机试验曲线

图3 中：

开机时间：94.1-84.05=10.05 s；

关机时间：109.35-99.10=10.25 s；

第一段关闭时间：101.75-99.10=2.65 s；

第二段关闭时间：109.35-101.75=7.6 s；

开方向分段点：75.08%；

关方向分段点：48.30%。

现场通过调整节流阀流量，多次试验，将4台机组开关机时间均调整为10～12 s之间。

通过按紧急停机按钮停机时，导叶关闭不通过分段关闭阀，由100%直接关到0%，现场4台机组均调整为9～10 s之间。

4.3 PID调节参数设置

PID控制器根据系统的偏差利用比例、积分、微分计算出控制量对导叶开度进行控制，其中偏差是给定频率值减去系统输出频率反馈值，PID控制器是线性控制器，组成如图1，PID控制器的控制规律如式（3）。

式中：

e（t）——t时刻的输入偏差值 ΔF（t）；

KP——比例系数；

TI——积分时间常数；

TD——微分时间常数。

（1）比例系数KP作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。当给定频率与系统输出频率反馈值之间出现偏差时，比例控制就会发出Yp信号，增大或减小导叶开度，使偏差向减小方向调整，比例系数KP越大，则它的作用也越强，比例控制虽然反应快，但是当偏差很小时，它的调节作用就比较慢，KP取值过小，会降低对偏差的灵敏度及调节精度，使系统响应速度慢，不符合大布巴哈电站运行要求。但KP取值过大，系统虽然调节精度高，反应速度快，但是会产生超调，动态性能变坏，系统容易不稳定。

大布巴哈电站调速器KP的设定范围为：0.5～20。经过多次试验调试，设定 KP=4.8～5.2，用于带变动负荷调频的机组设为5.2，迅速根据负荷变动调整机组出力。用于带稳定负荷的机组设为4.8，负荷波动时反应滞后于调频机组。

（2）积分系数KI作用是减小并消除系统的稳态误差。积分的控制作用是可以记忆给定与输出的偏差，并随着时同的累积，积分作用随之加强，减小了小偏差的存在，能够消除系统的稳态偏差，在调节过程中，积分系数KI虽然能够消除稳态偏差，但是也不能过大，否则在单极性偏差长时间存在情况下将出现积分饱和现象，容易使系统出现较大的超调量，同时也不能过小，否则不能消除稳态误差，还影响调节准确度。

大布巴哈电站调速器KI的设定范围为：0.05～10 s-1。经过多次试验调试，设定 KI=0.5～0.6 s-1。

（3）微分系数KD作用是改善系统的动态性能。微分控制信号有预测和超前的特点，它能够很快的感觉到偏差的变化，从一定程度上代表了偏差变化的速度，在系统脱离平衡位置前，它就会给出控制。它能够减小超调量，增加稳定性，使系统调节时间减小，但是它的敏感性使它抗干扰能力差，同时微分增益过大时，在给定突变情况下会出现微分饱和。

大布巴哈电站调速器KD的设定范围为：0～10 s。经过多次试验调试，设定KD=0～0.05 s。

4.4 频率调节死区（人工失灵区域）

频率调节死区是指人工给定一个频率偏差E，当给定频率与系统输出频率反馈值之差的绝对值大于E时，调速器才开始动作进行频率调节。当电网经常出现小负荷波动时给定较大的E值可以减少调速器控制阀动作的频率。

大布巴哈电站的频率调节死区范围为：0～±1.5%nr即±0.75 Hz。

（1）单台机组运行时为使电网频率保持在50±0.2 Hz将频率调节死区设置为0.2 Hz。

（2）两台机组并列运行时，由于电网频率就是电站机组频率，为避免负荷波动时两台机组同时进行频率调节，负荷在两台机组间来回转移，造成频率震荡。所以两台机组必须设置不同的频率调节死区，调频机组设置为0.2 Hz，带稳定负荷机组设置为0.5 Hz，当电网出现小负荷波动时主要由调频机组稳定频率。

（3）同理，在其他并列运行情况下，如3台或4台机组并列运行，同样将频率调节死区设置为不同值，以区分各机组进入频率调节的先后顺序。

5 小网运行状态调速器系统的特殊设置

通过弗朗斯维尔变电站与大布巴哈电站电网连接的小布巴哈电站，在其容量不满足弗朗斯维尔民用电负荷时会通过弗朗斯维尔变电站联络断路器合闸与大布巴哈电站并网运行。由于小布巴哈电站建于20世纪70年代，设备陈旧，其调速器系统的动态响应特性与大布巴哈电站有较大差距，当电网负荷降低时，小布巴哈电站机组频率出现抬高，并较长时间不能回归到额定值，造成电网频率抬高（峰值达51 Hz）。大布巴哈机组为将电网频率调整到给定频率（50 Hz）不断降低机组出力，最终造成机组逆功率，逆功率保护动作，事故停机。大布巴哈电站机组在小网运行时多次出现逆功率事故停机，事故记录曲线见图4。

图4 机组逆功率事故停机

为避免与小布巴哈并列运行时出现机组逆功率事故停机，我方技术人员到小布巴哈电厂进行了多次考察，发现小布巴哈电厂运行频率经常保持在50.2 Hz左右，而且频率升高后调速器调节缓慢，经常在较高频率下持续运行2 min以上。

针对以上情况，大布巴哈电站通过研究讨论制定了以下措施：

（1）并列运行时手动调整频率给定（Fg）设定为50.2 Hz；

（2）并列运行时人为降低大布巴哈电站机组调速器的调节灵敏度，将频率调节死区设置为0.4 Hz，将永态转差系数Bp设置为6%；

（3）并列运行时运行人员加强监控，一旦小布巴哈连接的弗朗斯维尔线路出现较大逆功率，为避免机组事故停机，提前手动进行解列操作，并及时与小布巴哈电厂沟通解列原因。

以上措施执行后，大布巴哈机组并列运行时出现逆功率事故停机的几率大大减小，保证孤网模式正常运行的概率也提高了。

6 结语

孤网运行电站的负荷全部由用户决定，电网频率调节工作全部由电站水轮机调速器承担。因而对电站机组调速器的动态响应特性及电站并列运行各台机组调速器的配合有较高的要求。鉴于COMILOG锰矿厂负荷突变大的特点，进一步选择调速器最优调节规律及PID调节参数，保证孤网模式正常运行，兼顾考虑调节过程与保护配置关系，能确保机组不停机。需要运行调试人员在试验及运行过程中不断观察调整、分析改进，才能减少事故停机出现的几率，提高供电质量及电网运行的稳定性。