合面狮电站孤网运行试验研究

邬廷军，冯 林

（1.东方电气自动控制工程有限公司，四川 德阳 618000；2.合面狮水力发电厂，广西 贺州 542899）

1 引言

合面狮电站位于广西东部贺江中游，为广西桂东电力股份有限公司的一个区域性电网的骨干电站。电站共装机4台20 MW轴流转桨式机组，其中，电站3号、4号机组调速器为我公司改造设备。由于电站的实际需要，经常存在机组输出电网的切换,在输出电网切换过程中，电站机组需要在孤网工况维持足够长时间的稳定运行。为此，机组孤网运行试验是此次调速器改造合同必须进行的重点试验项目。改造前，电站机组调速器在自动孤网工况一直无法稳定运行。改造后，在首次单机孤网运行试验过程中出现机组频率发散振荡，其频率波动达到45～55 Hz，最终导致试验失败。通过对被控对象的仔细分析，找到了导致机组频率发散振荡的原因，提出了相应解决方案，并最终通过孤网运行试验验证了方案的可行性，解决了双调机组调速器带孤立负荷运行的稳定性问题。

2 轴流转桨式机组桨叶控制对频率稳定运行的影响

轴流转桨式水轮发电机组在负荷调节过程中需要同时对导叶与轮叶位置进行调整，在满足电网负荷要求的前提下使机组在当前运行水头下的效率最高而振动最小，机组功率输出达到最大值。为此，导叶与轮叶位置之间应满足水轮机在不同水头下所要求的协联关系。在某一水头下，桨叶位置固定时机组功率输出与导叶开度之间的关系如图1所示，图中标示点为最优运行点。在机组最优运行点，随做导叶开度的增加，由于机组效率的降低机组功率输出不是增加而是随之减小。

图1 桨叶位置固定时机组功率与导叶开度关系曲线

鉴于轴流转桨式水轮机特性，水轮机桨叶与导叶位置调整速度间存在显著差异，通常桨叶接力器全开/全关整定时间是导叶的5～6倍，电站3号、4号机导叶与桨叶开关机时间实际整定值见表1。当机组带孤立负荷运行时，当扰动导致机组频率降低而需增大机组导叶开度时，由于调节速度的巨大差异就会导致导叶与轮叶位置失去协联关系，此时，调速器继续增大导叶开度不仅不会增大机组出力，反而会由于效率的降低使机组出力下降，机组频率也随之降低，致使机组导叶继续增加，这时调速器对机组转速的控制实际上变为了一个正反馈过程，这对控制系统的稳定性而言是必须要避免的，否则，调速器对水轮机导叶的控制很容易失去稳定而振荡；反之，当由于扰动导致机组频率升高而减小机组导叶开度时，机组功率输出便会随导叶开度的减小而降低，对机组频率的控制则始终为一负反馈过程。当机组并入大网运行时，由于电网的作用，机组功率输出的变化几乎不会引起机组频率的波动。

表1 3号、4号机组导叶与轮叶整定时间

通过以上分析可以看出，轴流转桨式水轮发电机组带孤立负荷运行时，必须考虑轮叶控制对机组转速稳定性的影响，仅仅通过调整调速器控制系统PID运行参数方式难以满足机组稳定运行要求，需要从控制策略上考虑消除增大导叶开度时出现的正反馈过程。

3 调速器控制策略修改

基于上述分析，确认了调速器首次孤网运行试验失败的原因。为确保轴流转桨式水轮发电机组带孤网负荷运行的稳定性要求，调速器控制系统从控制策略上进行了相应修改与完善。当机组处于孤网运行时增加了导叶在开启方向的速度限制，且导叶开启速度能够根据轮叶位置变化速度自动调整，可以确保机组处于孤网运行时导叶与轮叶在开启方向始终保持协联关系，使机组处于最优工况运行，从而消除了机组在导叶开启方向可能产生的正反馈作用，调速器从控制策略上避免了机组转速控制的不稳定因素，为轴流转桨式水轮发电机组孤网稳定运行打下了基础。

文献[2]中提到了一种对轴流转桨式水轮发电机组在孤网运行时桨叶采用分段分档运行的控制策略,以满足机组频率控制稳定性的要求，对轴流转桨式机组调速器而言不是一种理想的适用性较好的解决方案。

4 调速器控制参数的整定

影响轴流转桨式水轮发电机组孤网稳定运行的因素除了调速器控制系统的控制策略外，调速器控制系统PID控制参数的整定对机组孤网运行的稳定性与调节品质同样至关重要，文献[3]对此进行了详细的分析研究。

鉴于被控对象的时变与非线性特性，且被控对象为一非最小相位系统，因此，通常很难通过被控对象建模仿真计算的方式获得理想的调节参数。电站孤网运行试验时，也可能无法进行负荷扰动试验对调节参数进行整定和优化。因此，在电站机组孤网运行参数整定方面，通常简单可行的方法是根据机组空载运行参数确定孤网运行调节参数的初始设定值，再通过机组带厂用电情况下的频率扰动试验进行验证与调整，最后通过实际孤网带负荷运行试验进行微调。

此外，当实际孤网试验条件不具备时也可依据IEC 60308、GB/T 9652.2标准推荐的方法，采用孤网仿真试验作为中间试验方法，验证、优化调速器PID调节参数。

参考机组空载运行PID调节参数，电站3号、4号机组孤网运行时调速器PID参数最终整定结果见表2所示。

表2 3号、4号机组单机孤网运行参数整定结果

5 现场试验结果

在电网允许的情况下，经过充分的准备工作，再次分别进行了4号机组单机孤网运行与3号、4号机组双机孤网运行测试试验。首先进行了4号机组单机孤网带12 MW负荷运行测试试验，试验方法为机组在大网带稳定负荷运行时通过切换线路开关方式直接转换为带孤立负荷运行，以检验机组能否维持足够长时间的稳定运行。在机组输出电网切换后，调速器通过检测机组频率波动自动切换到孤网运行模式，调速器控制策略及PID调节参数自动进行相应切换。试验持续时间约15 min，试验结果频率波动范围为：-0.3～0.3 Hz，较好地达到了预期的试验效果，验证了调速器控制策略修改与PID控制参数整定的有效性，试验录波曲线见图2所示。通过分析，适当减小了调速器孤网调节的人工频率死区，随后进行了3号、4号机组双机带孤网运行试验。由于电网负荷约为18 MW，为避开机组运行振动区，试验时根据电网负荷分配3号机带约2. 5 MW、4号机带约15.5 MW运行，试验方法同上，试验持续时间同样约15 min，试验结果频率波动范围为：-0.2～0.2 Hz，试验取得圆满成功，满足了电站机组孤网运行的稳定性要求，试验录波曲线见图3所示。

图2 4号机单机孤网试验曲线

图3 4号机双机孤网试验曲线

由于电网原因，现场孤网试验时未进行负荷扰动试验。然而，从试验录波曲线上可以看出，在单机带孤网负荷运行试验中途和双机带孤网负荷运行试验的开始时段均存在一定大小的负荷突变，可以间接验证负荷扰动时调速器控制系统的稳定性。

通过试验结果分析，可以确认调速器通过对控制策略的修改和调节参数的优化后完全满足电站机组孤网运行时的频率稳定性控制要求，试验结果得到了用户的认可，较好地实现了此次电站调速器改造工作目标。

6 结语

由于电站机组孤网运行试验相对较少，特别是对于轴流转桨式等双调节机组而言，可供借鉴的经验更少。本文结合合面狮电站轴流转桨式机组孤网运行试验难得的机会，从调速器控制策略方面分析了轴流转桨式机组孤网运行时频率发散振荡导致试验失败的原因，提出了相应的控制策略修改，以及控制参数整定的可行方法，并通过再次试验验证了调速器控制策略修改及控制参数整定的有效性，试验最终取得成功，对轴流转桨式等双调节机组调速器在孤网控制策略的设计与孤网调节参数的整定方面具有重要的借鉴和指导意义。