巨型水轮发电机组有功波动分析及优化建议

冉鄂渝，徐长明，严玉明

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

水轮机调速器的作用是保证水轮发电机的频率稳定、维持电力系统负荷平衡，并根据操作控制命令完成各种自动化操作，是水电站的重要基础控制设备。它的安全可靠程度对水轮发电机有着举足轻重的影响。然而在实际的运行过程中，水电站调速器非常容易出现有功波动的现象。本文对水电站调速器有功功率波动的问题进行了分析，并针对问题提出了优化建议。

1 有功调节概述

目前，左岸电站有功调整方式有两种，即开度模式和功率模式。开度模式是在监控系统上形成功率调节闭环，即监控系统设定有功功率给定值后，调速器接收监控系统开出的脉冲，进行导叶调节，由监控系统根据功率反馈值进行有功闭环调节。功率模式是在调速器控制系统上形成功率调节闭环，即调速器收到监控系统下发有功功率给定值后，以调速器自身采集到的有功功率反馈形成功率调节闭环。

有功调节工作原理：

（1）开度模式下，监控实时对功率反馈与有功给定值进行比较，当偏差超过功率死区时，监控系统将其偏差值进行计算输出调节脉冲宽度，通过增减继电器以脉冲量的形式下发给调速器系统。如图1 所示，以液压执行机构为步进电机为例，调速器将增减脉宽时间换算为导叶开度变化量△y 与Ypid 叠加计算出开度给定值。调速器实时对开度反馈值与开度给定值进行比较计算出开度偏差（大环），根据其偏差控制步进电机正反转，步进电机正反转带动引导阀上下移动，引导阀带动主配上下移动，主配电气反馈也会与主配给定形成主配的闭环调节（小环），最终控制接力器开启、关闭，以达到有功调节的目的[1]。

（2）功率模式下（如图2），调速器系统收到监控系统下发的有功给定，有功给定与有功反馈的差值再叠加△f/EP 计算出开度给定值。同理，最终控制接力器开启、关闭，以达到有功调节的目的。

2 引起机组有功波动的原因

有功出力的计算公式如下：

式中：Pn为有功出力，单位MW；Q为过水流量，单位m³/s；H为水头，单位m。

由上述计算公式[2]可得，直接影响机组有功出力的因素有过水流量Q、水头H。而过水流量Q的大小取决于导叶开度Y 的大小，故引起机组有功波动的原因主要包括：（1）水头H波动；（2）导叶开度Y波动；（3）其他原因。

2.1 水头H 波动

水头H的变化会直接影响机组的有功调节性能。在较高的水头条件下，有功调节的速度变快，容易造成超调；相反，在较低水头下，有功调节速度变慢，容易造成超时。

（1）水头H=上游水位-下游尾水管水位，由于三峡电站的水库的容量较大，上游水位变化速率较小，故上游水位不会出现大幅度变化的情况；

（2）当水头H较大时，由于最初的安装工艺不足，尾水管处可能出现水力振动，从而造成有功波动，该原因与调速器自动调节无关；

（3）水头传感器测量波动，也会造成水头H波动，进而造成有功波动。

2.2 导叶开度Y 波动

由上文可知，导叶开度Y波动可直接引起功率波动，而引起导叶开度Y波动的原因有很多，主要包括以下几个方面：

（1）主接传感器测量故障；

（2）主配传感器测量故障；

（3）功率传感器测量故障；

（4）主配机械零点漂移；

（5）监控系统下发增减命令的继电器发生粘连；

（6）有功给定应答机制逻辑不合理。

2.2.1 主接传感器测量故障

主接传感器的测量准确性直接影响导叶的闭环调节。其中，主接传感器测量环节异常情况如下：

（1）若主接传感器测量值偏大，则会导致实际导叶开不到位，进而导致有功调节不到位。

（2）若主接传感器测量值偏小，则会导致实际导叶开度大于导叶开度给定，若此时功率反馈与功率给定值的差值大于功率调节死区，功率闭环调节会将导叶开度拉回，调速器频繁重复上述过程，造成功率频繁调节。

（3）若主接传感器测量值自身存在波动，则会导致导叶开度闭环调节进行误调节，使导叶开度产生波动，进而影响有功波动。

（4）若主接传感器测量值保持在某个值不变化，则程序内部判断导叶开度始终未调整到位，便会使导叶单方向调节，虽然功率闭环会将导叶开度拉回，但是一旦导叶变化速度过快，功率闭环拉不回，则会导致机组有功过负荷、机组过速等事故发生。

2.2.2 主配传感器测量故障

主配的主要功能是控制导叶的开启与关闭，当主配阀芯处于套筒上部时，可通过相应的油路控制导叶开启，反之主配阀芯处于套筒下部时，可通过相应的油路控制导叶关闭。主配传感器测量波动情况如下：

（1）若主配传感器测量值偏大，即主配处于偏关位置，则会导致导叶有向关方向的趋势，一旦开度给定与开度反馈的差值大于开度调节死区，则开度闭环调节又会将导叶往开方向调节，如此反复调节造成导叶开度波动，有功功率便随着导叶开度的波动而波动。

（2）同理，若主配传感器测量值偏小，即主配处于偏开位置，则会导致导叶有向开方向的趋势，一旦开度给定与开度反馈的差值大于开度调节死区，则开度闭环调节又会将导叶往关方向调节，如此反复调节造成导叶开度波动，有功功率也会随着导叶开度的波动而波动。

（3）若主配传感器测量值自身存在波动，则会导致主配闭环进行误调节，使开度产生波动，进而使有功波动。

（4）若主配传感器测量值保持在某个值不变化，则程序内部判断主配阀芯始终未调整到位，便会使主配单方向调节，导致导叶开度单方向调节，虽然功率闭环会将导叶开度回调，但是导叶开启速度过快，则会导致机组有功过负荷、机组过速等事故发生。

2.2.3 功率传感器测量故障

功率传感器的主要功能是实时采集功率信号送至调速器用于有功闭环调节，功率传感器测量波动势必会影响机组有功波动。其波动情况下：

（1）若功率传感器测量值偏大，则会导致无法将有功调整至给定值。

（2）若功率传感器测量值偏小，则会导致程序判断有功调整到位后，实际有功超调或者越限。

（3）若功率传感器测量值自身存在波动，则会导致功率闭环进行误调节，使有功产生波动。

（4）若功率传感器测量值保持在某个值不变化，则程序内部判断有功功率始终未调整到位，便会单方向调节导叶，情节严重会导致机组有功过负荷、机组过速等事故发生。

2.2.4 主配机械零点漂移

主配机械零点漂移导致有功波动与上文介绍的主配传感器故障的（1）（2）一致，在这里不再赘述。

2.2.5 增减命令继电器粘连

增减命令继电器用于接收监控系统下发的有功增减命令（脉冲信号），继电器收到脉冲信号后线圈励磁，将增减信号送至调速器，以控制导叶的开启与关闭，从而达到有功调节的目的。若继电器发生粘连的情况，则调速器一直会收到增（减）信号，控制导叶一直开，使有功功率一直增大。

左岸调速器系统的程序做了防继电器粘连功能，程序设计最多只接收3S 的脉冲，若超过3S，则需重新下发脉冲。该功能可解决因增减继电器粘连造成有功波动的问题。

2.2.6 有功给定应答机制逻辑不合理

监控系统设置了有功给定应答机制，其逻辑为：监控系统下发有功给定至调速器，调速器需将自身接收到的有功给定反馈给监控系统，并确认调速器收到监控系统下发的有功给定值是否正确，若其差值超过设置的阈值，则会报有功应答故障。

调速器配合监控系统应答机制所做的策略为：将监控系统下发的有功给定先进行滤波，然后再将滤波后的值返送至监控系统。此策略存在一个问题，譬如，监控系统下发有功给定从200 MW 至500 MW，调速器经过滤波后再返送至监控系统的值可能为400 MW，而非500 MW，则监控系统便会报有功应答故障。如图3 所示。因此需将调速器返送至监控的有给定值取消滤波处理。如图4 所示。

图3 有功应答机制示意图（修改前）

图4 有功应答机制示意图（修改后）

3 有功波动案例分析

（1）现象描述

2019 年10 月12 日10 时33′50′左右，运行人员将06F 机组调速器切B 套运行时，出现机组功率波动现象，功率最大值达到766.67 MW,如图5 所示，10 时34′35′′左右运行人员将调速器切至A 套运行，机组功率稳定在670 MW 左右，未再出现功率波动情况。

图5 06F 机组有功功率波动趋势图

（2）原因分析

如图6 所示，通过现场检查发现调速器B 套主配中位传感器采样值存在异常情况，此时主配阀芯位置应处于中位，应接近零点设置（16950），而采样值为20019，可初步判断引起本次有功波动的原因为主配传感器故障或主配机械零点漂移，为进一步确认有功波动原因，将主配传感器拆下来进行校验，校验结果显示：量程为4～20 mA 的主配传感器采样电流超过12 mA 后，传感器输出电流值保持在12 mA，不再往上线性变化。

图6 6F 机组调速器B 套数据一览

由此，可断定引起本次有功波动的原因为主配传感器故障。

（3）优化建议

由前文可知，引起本次有功波动的原因为主配传感器故障，而该故障信号未作故障处理，运维人员便很难发现其故障并对其进行维护。故应新增该故障信号的报警逻辑。建议报警逻辑如下：调速器B套备用时，将主配采样值与零点设置值（16950）进行比较，若其差值超过设定的阈值，则报主配传感器故障。另外，可再增加一套主配传感器，增加容错率。

4 结语

水轮发电机组的有功波动对水电站以及电网安全运行影响较大，应采取有效的预控措施尽量避免该类故障的发生，因此对有功波动的原因梳理显得至关重要，只有明确了有功波动的具体原因，才能采取有效的措施解决有功波动问题。

本文就某电站机组有功调节原理以及引起机组有功波动的原因进行详细的阐述，可将其波动原因归结为两个方面：（1）水头波动引起有功波动，水头h的变化会直接影响机组的有功调节性能；（2）开度波动引起有功波动，引起开度波动的原因有：①主接传感器故障；②主配传感器故障；③功率传感器故障；④主配机械零点漂移；⑤增减命令继电器粘连；⑥监控系统有功给定应答机制不合理。最后以某电站出现的有功波动案例为基础，进行原因分析与优化建议。