具有水电站黑启动功能数字式调速器设计与实现

张治宇，李 娜

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

木扎提河三级水电站工程总装机容量为160 MW，安装2台单机容量为70 MW的混流式水轮发电机组调速系统设备和2台单机容量为10 MW的混流式水轮发电机组调速系统设备。年发电5.424亿kW·h，承担着新疆阿克苏地区重要供电任务，对地方经济发展和社会稳定起着重要作用。

水电站机组安全稳定的运行是影响电网运行安全的重要因数，当出现特殊情况时，当地电网大面停电，需要电厂自救，快速恢复厂用系统供电，配合电网恢复电网供电。黑启动成为电厂必备功能，西北电网明确要求木扎提水电厂必须具备实现黑启动功能，木扎提水电站同时要求调速器必须实现黑启动功能。

调速器作为水电厂厂内一个重要的发电设备，完成机组开启关闭控制、机组功率调节、频率调节，对保证水电厂的黑启动成功有着重要的意义。

1 具有黑启动功能的调速器技术要求

1.1 调速器黑启动的基本概念

当水电厂厂用交流电消失时，利用水电厂厂内直流蓄电池存储的电能量、储能油罐储存的液压能量，开启机组，恢复厂用电。

1.2 对调速器基本技术要求

（1）对于混流式水轮机组，在正常工作油压下限且油泵不运行时，油压降至不低于最低操作油压条件下，压力油罐可用的油体积至少能保证提供不小于导叶接力器开-关-开3个行程。

（2）调速系统控制电源应采用交直流供电配置。

（3）应具备孤网运行方式和能力。

（4）补气装置应能手动操作，或在直流供电情况下能自动补气。

1.3 调速器满足黑启动要求的详述

选定一台单机容量为10 MW的混流式水轮发电机组调速系统设备来参与黑启动。这台机组的调速器选用的是数字式调速器，型号YCVT-30000-16-SKA，并对满足黑启动和孤网选型及参数进行进一步阐述。

1.3.1 数字式调速器的组成

YCVT-30000-16-SKA数字式调速器由机械液压柜和电气控制柜组成

（1）机械液压柜由集油箱、油泵电机组、储能油罐、控制阀组、压力显示及控制装置、管道组成。

（2）电气控制柜由控制器及信号通道构成，其主要配置包括：PCC数字控制器系统、频率隔离整形模块、交直流双电源系统、驱动放大模板、有功变送器、人机界面HMI，开关/按钮/指示灯等附件。

1.3.2 调速器的储能油罐

调速器储能油罐选用皮囊式蓄能器提供调速器的油源，皮囊式蓄能器包括一个承压壳体、弹性胶囊、充气阀和进出油阀。当皮囊式蓄能器工作时，从充气阀充入氮气，压力到预冲压力，当充入油液后皮囊收缩气体受到压缩，压力升高到工作压力停止充压完成储能。当工作时压力降低，则压缩气体膨胀皮囊扩张，排出油液，供给调速器导叶控制阀组和接力器工作压力和流量。使用皮囊式蓄能器胶囊惯性小，反应灵敏，快速地提供调速器的能量并能消除压力脉动； 皮囊将油气隔开，油气不会混合，维护容易、附属设备少、安装容易、充气方便。皮囊式蓄能器预充氮气后能使用一年以上，最大的好处是免除了自动补气装置。自然的满足了1.2中第4条的要求。

1.4 合理配备蓄能器个数和体积，保证黑启动的成功

1.4.1 调速器用油量

调速器用油量包括接力器的用油、锁定电磁阀和过速控制器的液控阀的用油和调速器导叶阀组的内泄漏。

（1）确定调速器控制的接力器的用油量 木扎提电厂接力器的活塞直径Φ90 mm；接力器的活塞杆直径Φ50 mm；接力器的行程185 mm；接力器的数量2只。

（2）计算蓄能器的容积必要的参数量和数值：额定工作油压上限P0max（16 MPa）、额定工作油压下限P0min（14.4 MPa）、事故低油压PT（11.5 MPa）、最低操作油压PR（10 MPa）、蓄能器的预充气压力Pair（8 MPa）、接力器开启腔容积VSo（2 L）、接力器关闭腔容积VSc（2 L）、事故停机需油量Vj（2 L）。

1.4.2 蓄能器容量计算

蓄能器容积VO按下式进行计算：式中0.715为蓄能器多变指数

1.4.3 辅助油源需要的流量

锁定电磁阀是开机前拔出接力器锁定装置的电磁阀，开机前需要动作一次所需的油量大约2 L；当机组过速时，机械过速装置的液控阀动作一次所需的油量大约1 L。

1.4.4 数字式调速器内泄漏

由于调速器系统中存在内泄漏，内泄漏会消耗蓄能器的油量，调速导叶控制阀组采用了数字阀减小内泄漏量，延长了调速器的启泵间隔时间，降低能耗。

计算内泄漏量：导叶控制阀组产生内泄漏的阀分布在导叶控制阀组上。首先了解调速器导叶控制阀组的结构。

调速器导叶控制阀组由3个数字阀、1个导叶压紧阀、1个手动阀、1个紧急停机阀，1个事故液动阀、1个事故电磁阀1个分段阀电磁阀共9个阀组成。这些阀都可能产生内泄漏。依据SL 755-2017中小型水轮机调速器技术规程中阀内泄漏量的规定，NG6通径的阀内泄漏不大于100 mL/min，得出调速器导叶控制阀组最大内泄漏量为5.4 L/h。

1.4.5 蓄能器的容量

在黑启动时，由于完全依靠蓄能器储存的油来开关接力器，考虑到内泄漏，适当加大蓄能器的容积，延长停机到再次开机时间，选定蓄能器容积80 L，正常工作油压下限14.4 MPa到最低操作油压10 MPa，提供的油体积V=VO（Pair/PR)0.715-VO(Pair/Pomin）0.715=15.67 L。

据上得出：15.67 L/2 L=7.8大于3个接力器行程，满足黑启动1.2中的第一条要求。

1.5 现有蓄能器容量能保证的黑启动等待时间

在黑启动的状态下，由于厂内其他设备在做准备工作，调速器在停机等待状态下，能为其他设备提供多长的开机准备时间是一个关键问题。设定调速器在停机等待时工作油压在正常工作油压下限14.4 MPa，油泵不能启动，由于调速器系统内泄漏的存在，调速器蓄能器的油压慢慢下降，多长时间到达能开启接力器的最低操作油压10 MPa?从1.4.5中知正常工作油压下限14.4 MPa到最低操作油压10 MPa提供的油体积15.65 L，调速器导叶控制阀组内泄漏量5.4 L/h，15.65 L/5.4=2.9 h。理论上为电厂开机可以等待2.9 h。木扎提电厂调速器实测开机等待时间大于4 h。

1.6 蓄能器油压失压时的建压

当水电厂准备黑启动工作时间过长，调速器蓄能器的压力下降低于最低操作油压10 MPa或者完全失去压力时，调速器准备了纯人工方式即要用手动泵给蓄能器充压。

油源由吸油过滤器、油泵、电机、精过滤器、安全阀、单向阀和手动泵组成，正常供油是电动机旋转带动油泵从吸油过滤器吸油，经精过滤器、单向阀供入蓄能器中。一般是双电机双泵一主一备的供油方式。

在黑启动过程中，由于厂用交流电消失，交流电机不能启动。当蓄能器的工作压力从额定工作油压到了事故低油压，可以通过手人工操作手动泵手柄方式从吸油过滤器吸油经单向阀打入蓄能器中达到额定工作压力的下限。手动泵技术参数：额定工作油压：16 MPa，手动排量：200 mL/次，以5次/min的操作频率，大约需要30 min蓄能器的油压从0到额定工作油压下限14.4 MPa。

1.7 满足黑启动的调速系统控制电源

（1）厂用交流电源：220 V±10%，50 Hz，≤1 000 VA；厂用直流电源：220 V±10%，≤1 000 W

（2）调速器使用的开关电源：开关电源LRS-350-24，输入电压：AC 85～264 V，输入电压：DC 24 V

（3）调速器供电原理如图1所示。

图1 调速器供电的原理

由图1看出，厂用交流电和厂用直流电同时供给调速器开关电源。当厂用交流电消失后，调速器由厂用直流电单独供电，调速器电器控制柜能正常使用。

满足调速器黑启动1.2中的第二条要求。

1.8 调速系统在黑启动时的运行方式

在黑启动时，调速器是以孤网方式运行。

调速器在孤网运行时，由于电网容量小、负荷变动的相对值较大，水击作用的影响很大，这种工况下的水轮机调节系统稳定性很差。在多个电厂的实际运行过程中表明，孤网运行工况要比空载更难以稳定。目前一些调速器厂家一般只把空载作为最不利工况，按空载整定一组调节参数以外，再按大网工况整定另一组调节参数，以断路器信号触点来控制这两种工况参数的切换，往往不考虑孤网运行工况，如果遇到特殊情况，比如电站与大电网突然解列，带局部地区负荷，机组断路器并未跳开，而起作用的仍是大网一次调频运行参数，此时调节系统就会振荡发散、调速器大量耗油，油泵频繁启动都无济于事，直至油罐耗空，机组失控，促使地区系统进一步瓦解，扩大事故。

数字调速器能自行判断孤网运行状态。

由于通过机组断路器触点只能判断机组是处于空载还是发电，外部不可能有其它触点告诉调速器是大网发电工况还是孤网发电工况，数字式调速器设计合理的判据自行可靠判断机组处于大网运行还是孤网运行。

通过数字式调速器多年技术研发，对孤网运行的稳定性进行了深入的研究。为保证系统稳定，对孤网工况的调节算法、调节参数作特别的设计，设计合理的孤网运行参数，数字式调速器采用变结构、变参数PID控制策略，PCC微机调节器能自动选择适合空载运行、大电网运行以及区域局部电网运行的优化调节和控制参数，可以保证调速器在每一工况下都具有良好的调节特性。

数字式调速器单机带负荷（孤网）有着优良的表现，在发电机出口断路器不断开，带厂用电运行时，机组能很快进入稳定运行。电厂孤网稳定运行时突加30%额定负荷和突减30%额定负荷试验。

试验结果表明，数字式调速器的稳态频率均不超过50±0.5 Hz，从负荷开始突变到稳态频率的最大调节时间不超过35 s。满足了黑启动时电网快速稳定的要求。

2 数字调速器黑启动的流程

确认厂用400 V供电正常，保证机组调速器控制的发电机组能正常运行，厂内其他设备如：励磁系统、直流系统、监控系统、保护系统、公用系统、一次电气设备等在正常工作状态。

电器控制柜直流电源220 V正常，确认调速器油压在正常工作范围内，接力器锁定拔出，调速器导叶压紧阀解除，转入开机等待状态。

开机有两种方式,方式1远方操作：接受监控系统开机指令转入空载状态到额定转速。方式2调速器现地操作:用调速器的电手动或调速器导叶阀组的手动阀将接力器开启，同时观察调速器转速表到空载转速。

厂用电倒闸操作，油开关合，调速器带厂用电负荷，进入孤网调节，直到配合电网恢复电网供电。

3 结语

调速器的正常运行保证了机组和电网的安全可靠运行，保障了水电厂黑启动的成功。通过对YCVT-30000-16-SKA型数字式调速器的机械液压和电器控制柜元器件的选型及孤网参数选择的详细阐述，并对其中最重要的储能元件-蓄能器容量的验算，保证了数字调速器实现黑启动和快速稳定的调节，成功实现了木扎提河三级水电站A类黑启动。