一种甩负荷判断装置在调速器控制中的应用

2020-08-28尚明宏董欣未赵先元

水电站机电技术 2020年8期

尚明宏，董欣未，赵先元

（中国水利电力对外有限公司，北京 100120）

1 概述

南椰2 水电站（Nam Ngiep 2）位于老挝川圹省查尔平原的东南部，为中国在老挝的一个BOOT 项目，电站装机容量3×60 MW，多年平均发电量为7.2亿kW·h。3 台水轮发电机组与3 台主变压器采用单独单元接线方式，同时在发电机出口和主变压器出口均装设断路器（图1）。230 kV 母线通过两回线路送往椰棉变电站。

图1 南椰2 电站主接线图

由于老挝电网薄弱，在雨季期间甩负荷情况频繁出现。在2017 年7 月，就出现了10 起甩负荷工况，均由电网故障引起。其中只有1 起甩负荷时主变出口断路器跳闸，机组转速控制在65 Hz 以下并成功转到空载状态运行；余下9 起均为电网变电站送出线路的断路器跳闸，南椰2 水电站机组转速达到机械过速值（70 Hz），导致机组紧急停机、厂用电源丢失、进水球阀关闭，影响水电站的安全运行。

2 原因分析及对策

通过分析南椰2 电站3 台机组投运时调速器的空扰波形和出口甩负荷波形（图2 和图3），可以确定调速器的PID 控制参数整定适当，在发电机出口3 台机同甩100%负荷时，机组最高频率为65 Hz左右，满足规范和项目实际要求。调速器PID 参数见表1。

图2 调速器空载扰动波形

图3 发电机出口甩100%负荷波形图

表1 调速器PID 控制参数

分析发电机出口甩负荷和电网甩负荷时调速器控制上的差异，主要区别是在发电机出口甩负荷时，调速器通过发电机出口断路器的接点信号检测到出口跳闸，直接在程序流程中应用空载开度限制，将导叶开度迅速关闭到空载开限以下[1-3]，并转频率模式。而在电网甩负荷瞬间，由于调速器检测不到机组脱网信号，在频率高于一定值后（国内电网频率波动范围较小，一般设置为50.5 Hz），调速器将控制方式由开度模式转换到频率模式，对机组给定频率和实际频率的频差，应用PID 控制算法进行调节。上述控制方式导致调速器关导叶速度较慢，机组转速迅速上升，达到过速保护整定值而紧急停机。

为了最大范围地准确判断甩负荷工况，电站曾将发电机出口断路器、主变高压侧断路器和线路出口断路器辅助接点串、并联后，开入调速器作为甩负荷的判据（图4）。该方法最大限度地考虑了电站内部相关断路器跳闸的甩负荷工况，但仍无法判断频发的电网甩负荷工况。

图4 1 号机调速器出口断路器信号优化

为了保证电网甩负荷发生时机组安全运行和近区供电的可靠性，采取一种智能装置快速判断出电网甩负荷工况，并提供给调速器，成为解决电网甩负荷导致机组机械过速问题的一种有效途径[4]。

3 甩负荷判断装置的实现

通过检查以前电网甩负荷时的故障录波图可以发现，在电网甩负荷出现后一个周期（20 ms）内，发电机定子电流幅值有一个向下的突变量（图5），随后发电机电压的频率值上升。

图5 电网甩负荷时定子电压、电流波形图

所以，在电网甩负荷判断装置中，需要对定子电压的幅值、相位、频率值和定子电流的幅值、相位进行采样计算。同时该装置具有功率变送器功能。

3.1 装置硬件部分实现[5]

电网甩负荷装置硬件系统原理框图设计见图6。

图6 硬件系统原理框图

在南椰2 电站，发电机出口PT 二次侧电压为110 V，CT 二次侧电流为1 A。在电网甩负荷装置内设计有三相电压和三相电流对应的6 个微型高精度互感器。电压互感器和电流互感器输出的电信号均进入后端的运算放大器，运算放大器输出的电压信号进入AD 采样芯片，进行电压电流幅值、频率和相位采样计算。

用于功率变送器模拟量输出的核心芯片选用DAC8760，该芯片精度高，满足功率变送器输出4～20 mA 需要。

3.2 装置软件采样计算部分实现[5]

电网甩负荷判断装置软件主要包括采样计算和逻辑判断2 部分，采样计算是逻辑判断的基础。

程序中主要包括三相定子电流、三相定子电压和电压频率的采样，还有有功功率、无功功率计算等。

实验室环境检测领域包括行业独立的环境检测公司（或监测站）和相近行业的监测站，全国与本项目有关的检测公司（或监测站）有7 430余家[1]．检测行业的需求源于“认知”，是社会发展催生的新兴服务业．2014年，国家提出在环境保护领域开展第三方监测后，全国各地检测、监测公司迅速发展，之后的2年内全国成立了约1 500家第三方检测公司．

本装置对定子电压、电流信号采用变频采样方式。先通过插值算法计算过零点时刻，然后通过过零点时刻计算信号周期，根据计算的信号周期改变采样频率，保证在每周期内对交流信号进行24 点采样。

定子电压和定子电流幅值计算都采用均方根值算法，对1 个信号周期内连续采样得到的N个电压信号和电流信号，按如下公式计算其有效值U和I：

通过S=U·I计算出视在功率；通过同相电压和电流过零点的时间差计算得到相角。

tV是电压信号最近的过零点时刻，ti是同相电流信号最近的过零点时刻，φ 为同相电压和电流的相角差。

通过计算的视在功率和电压、电流的相角差，可以进一步计算得到有功功率和无功功率。

4 电网甩负荷判断装置功能测试

在电网甩负荷装置开发完成后，对该装置的功率变送器功能、电网甩负荷判断功能进行了测试。

4.1 功率变送器功能

原有功功率变送器标准输入线电压为100 V，标准输入电流为1 A，额定输入功率为173.2 W，输出电流为4～20 mA。

通过和原功率变送器对比测试，该功率变送器精度优于原功率变送器精度（表2）。为保证通用性，该电网甩负荷装置的功率变送器有0～20 mA、4～20 mA、0～5 V、1～5 V 等输出方式。

4.2 电网甩负荷判断功能

表2 有功功率变送器输出功能测试

电网甩负荷判断条件1：

程序流程见图7（左），其中Isud 为定子电流突变量，Ts为定子电流突变和机组频率升高到设定值的延时时间（设置为8 s），FreqRej1 为机组频率上升的定值1（设置为52 Hz）。

电网甩负荷判断条件2：

程序流程见图7（右），其中Ih 为定子电流（设置Ih=0.1Ign），FreqRej2 为机组频率上升的定值2（设置为54 Hz）。

图7 电网甩负荷判断流程图

在机组频率低于50.5 Hz 后，“电网甩负荷”状态开出信号复归。

为保证装置的通用性和后期近区负荷变化后更改方便，以上所有设置值均可在独立开发的界面软件中修改和固化。同时界面软件中还开发了按照机组实际电压和电流校准额定值的功能。

按照以上逻辑和条件，用继电保护仪对装置进行了测试，甩负荷判断装置均正确判断和输出电网甩负荷信号。

5 电网甩负荷装置和调速器的协同控制

电网甩负荷装置开出的信号，通过继电器接点开入调速器控制器。信号接入调节器控制器有两种方式：直接串联在图4 中开入调速器控制器或独立占用一个DI 通道开入控制器。

为了尽可能避免电网甩负荷装置因硬件问题影响到原断路器接点开入，保证原断路器信号可靠性，开入调速器控制器的电网甩负荷信号采用了以下2点：①电网甩负荷装置的开出接点采用继电器的常闭接点；②电网甩负荷装置的开出接点独立开入调速器控制器的一个DI 通道。

因为电网甩负荷接点独立开入调速器控制器DI 通道，需要更改调速器程序中的软件判断逻辑。调速器软件逻辑更改见图8。

图8 调速器控制程序修改

图中的%i0.1.2 为控制程序中断路器信号（见图4）开入点，%i0.1.8 为电网甩负荷判断装置信号的开入点。两信号进行逻辑与后作为并网运行的状态（图9）。

图9 控制程序修改逻辑

当在机组并网状态，两开入信号均为“1”，程序判断“GCB 合”。出现电网甩负荷工况时，通过定子电流和机组频率变化，装置开出电网甩负荷信号，继电器常闭接点断开，%i.0.8 由“1”变为“0”，调速器程序中“GCB 合状态”由“1”变为“0”。调速器控制程序迅速将导叶开度控制在空载开限。在关闭过程中，如果机组频率降到50.5 Hz 以下时，%i.0.8由“0”变为“1”，调速器控制回到并网状态（%i0.1.2实际开入），根据开度给定或机组频率进行调节。保证电网甩负荷瞬间机组快速地过渡到孤网状态，避免了机组因机械过速导致紧急停机。

电网甩负荷判断装置在安装到调速器电气控制柜后，进行了各种工况模拟测试，调速器控制正常。随后进行的电网真实甩负荷试验中，录到机组频率、导叶开度和“电网甩负荷”开出波形如图10 所示。

图10 甩75%负荷波形图

图10 中，在远方甩负荷后约500 ms 时，机组频率达到52 Hz，电网甩负荷判断装置开出信号，程序中“GCB 合”由“1”变为“0”，同时调速器开始以最快速度关闭机组导叶。在此过程中，调速器最高频率达到61.69 Hz。50 s 时机组频率逐渐下降到50.65 Hz 并在频率模式运行。由于录波时间有限，并没有录到机组频率下降到50.5 Hz 以下后，程序中“GCB 合”由“0”变为“1”后的状态。但检查确认了电网甩负荷装置开出信号复位，同时机组正常转入孤网状态运行。