三峡左岸水轮机组调速及励磁系统国产化改造

2022-08-02王本红张元栋李青茂刘光权

水电站机电技术 2022年7期

王本红，张元栋，李青茂，刘光权

（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

三峡左岸电站安装有700 MW 水轮发电机组14 台，2003 年，三峡左岸电站投运之初，机组调速系统选用了法国ALSTOM 公司研制生产的NEYRPIC系列产品。励磁系统选用德国SIEMENS 公司研制生产的SIMADYN-D 型励磁调节器。至2016 年，这些设备已连续运行十几年，随着运行年限的不断延长，这些设备逐渐暴露出以下问题：

（1）国家和电网对机组涉网功能提出了新要求、新标准，原设备涉网功能不能满足现行国家和电网要求，如调速系统的一次调频功能、励磁系统的PSS功能等。

（2）设备度过运行稳定期后故障率逐年升高，存在影响机组安全运行的风险。

（3）进口核心备件已停止生产，库存备件数量逐渐减少，威胁设备持续稳定运行，其它进口备件价格昂贵。

为解决上述问题，三峡左岸电站于2016 开始着手研究设备技术改造路线及改造中涉及的具体技术问题。经大量分析、研究，最终选择了一条经济、可行、可靠的技术路线，即用国产设备代替进口设备中技术落后、功能不全的控制部分，对设备进行部分改造。针对调速系统，电气部分整体改造，机械部分局部优化保留其机械部分；针对励磁系统保留功率整流柜、灭磁开关柜，这样既减少了改造投资，又能大幅提高控制设备性能。但相对设备整体更换，此种方式造成了大量的系统兼容、接口配合、控制功能需单独开发等一系列技术难题。

三峡水力发电厂组建国产化改造项目团队，通过与相关院校及公司联合科研与攻关，最终解决了上述技术难题。从2017 年开始，对三峡左岸电站14 台机组调速及励磁系统进行改造，改造历时两年多，于2019 年结束。改造后调速及励磁系统设备完全满足国家和电网对机组涉网性能的要求，其控制精度、稳定性、控制灵活性都得到了大幅提高，达到改造设计要求和目标。

1 机组调速系统国产化改造主要创新点

对适应式变参数控制与优化运行等关键技术在此次大型水电机组调速系统国产化改造中的应用进行研究，通过精细化建模、工况辨识和控制参数优化等，使国产化后的水轮机控制系统成功实现“全时段、全工况”适应式变参数控制策略。

改造后调速系统调节性能显著提高，如压油泵加载时间间隔由原来的15～20 min延长至70～200 min（与工况相关），有效降低了能耗，减轻了压油泵机械磨损，延长了设备寿命。

表1 调速系统国产化改造前后主要性能指标对比

1.1 创新调速系统功率控制模式

调速器功率调节模式下主要通过LCU 给定功率，调速器通过实际功率与给定功率之间的偏差形成闭环调节，同时也可接收远方增减信号。有别于原进口系统依赖水头参数的功率-开度转换控制方式，该功率调节模式完全采用国产化模型，完全不受水头变化影响，在运行过程表现出调节速度快、调节精度高及调节稳定等优点。

1.2 全面实现一次调频功能

改造后全面实现了调速系统一次调频功能。经中国电科院测试，性能指标均达到或优于国家和行业标准。

图1 调速器改造后一次调频试验曲线

1.3 双重控制硬件结构

改造采用比例阀+步进电机非对称冗余控制结构，控制元件为比例伺服阀和步进电机，实现两种不同控制策略的优势互补。调速器同时具备了流量控制和位移＋速度控制两种方式的优点：以比例伺服阀通道为主通道时，可以获得相对更好的系统整体性能；借助伺服电机电液转换装置，可减少对油质的依赖，提高系统抗油污的能力，使系统有更高的可靠性；而且方便实现纯手动功能，中间切换环节少，简化液压系统辅助油路，结构更加简单可靠。

1.4 开发自主知识产权机械控制结构

设计开发了具有独立自主知识产权、适应多种结构形式的水轮机调速器主配压阀阀芯，优化了原主配压阀阀芯和阀套结构形式，提升了主配压阀动态调节性能，同时带动国内调速器机械方面精密加工制造和配套能力发展。

1.5 增加纯机械手动操作功能

当控制器全部故障离线时，调速器可以稳定当前导叶开度和机组负荷，防止发生机组负荷大幅波动。

1.6 配置事故配压阀

为机组事故时可靠停机提供多重保障。当机组出现过速或工作油压降至事故低油压时，事故配压阀动作，切断调速器的控制油压，从而直接控制接力器进行事故紧急停机，有效保障水轮发电机组运行安全。

1.7 增加主配失灵判断

实现主配拒动时115%转速的一级电气过速保护功能。避免只能靠电气二级过速甚至更高一级的机械过速动作快速门停机，防止机组严重过速，影响机组寿命和安全。

1.8 实现智能诊断

原调速系统对关键电器元件故障缺乏判断和保护，现通过自主技术实现关键器件的故障智能化自诊断功能。如原来执行机构，两套电液转换器故障不报警，且直接停机，造成经济损失。

2 机组励磁系统国产化改造创新点

通过研发与进口西门子功率整流柜脉冲回路的匹配方案，首次实现了国产励磁调节器与进口西门子功率整流柜的完美配合，解决了励磁系统部分功能不满足新行业标准的要求的问题，主要备品备件不再依赖于进口，励磁系统整体性能和可靠性得到大幅提升。同时开发了试验方式功能、手/自动录波功能，并解决了并网时无功冲击的问题，优化了TV 断线判据策略，提升了用户体验感，延长了原功率整流柜的使用年限，减少了改造成本，实现了励磁系统整体性能和可靠性的最优化。

2.1 开发了脉冲接口与分配电路

设计开发了励磁调节器脉冲接口电路、脉冲分配板，既提高了脉冲驱动能力和稳定性，又实现了脉冲接口的统一，使国产励磁调节器与进口西门子功率整流柜脉冲变回路完美结合，实现了仅进行励磁系统控制部分的改造而提高全套励磁设备性能的目标，主要备品备件也不再依赖于进口，励磁系统整体性能和可靠性得到最优化。

2.2 设计开发了励磁调节器脉冲触发程序

脉冲的频率、个数和脉宽等参数与原西门子励磁调节器保持一致，设计了脉冲检测电路，并由FPGA 硬件实现，同时具备实时诊断、报警功能。双套无扰动切换，不会因为脉冲故障而导致失磁跳机情况的发生。

2.3 优化完善了PSS 功能

左岸电站部分机组原西门子励磁调节器安装外置硬件PSS2B 装置，外置PSS 装置硬件老化，附加的外部PSS 信号回路给励磁系统安全运行带来隐患；部分机组原西门子励磁调节器内置PSS2B 软件，内置PSS 引入的ω信号取自机端电压频率，在动态过程中转速和机端电压频率的差值足以影响PSS 的补偿效果，对系统阻尼有恶化作用，不符合现行行业技术要求。改造后的励磁调节器全部内置PSS2B/4B两种模型，PSS2B 模型ω信号取自发电机q 轴虚拟电气分量Eq 的频率，试验证明其对0.1～2 Hz 的低频振荡具有良好的阻尼作用，满足电网要求。预装的PSS4B 模型能更好地对各种频段低频振荡起到抑制作用，同时PSS4B 对电力系统联系阻抗的强弱具有较好的适应性，为今后电网运行的更高要求做好了准备。

图2 脉冲产生流程图

图3 脉冲宽度和脉冲群生成流程图

图4 PSS4B 模型传递函数

图5 改造后PSS 试验曲线

2.4 试验定制功能

在水轮机组试验中经常进行零起升压、升流试验和励磁大电流、小电流等试验，目前行业中，多需要修改励磁调节器参数和相关程序，过程繁琐、效率低，存在着一定安全隐患。改造后的励磁调节器首次增加了“试验方式”功能，试验方式投入后，即可方便进行各种励磁开环试验，不受外部开关状态等的限制。

2.5 开发了手/自动录波功能

改造后的励磁调节器新增录波功能，可手/自动录波（150 个开关量及50 个模拟量），调节器内置大容量存储器，可脱离工控机独立存储100 组波形，在开机、停机、限制、试验、故障等工况下，在开关量变化及模拟量跳变时可手/自动录波。通过专用波形查看工具，可通过分析波形的变化为试验结果与故障分析提供依据。

2.6 实现了母线电压跟踪功能

原励磁调节器无母线电压跟踪功能，母线电压随着季节的不同有一定范围的变化，机组并网时，机端电压和母线电压之间有一定的差值，可能造成较大的无功冲击，最大值曾达220 Mvar，无功冲击对发电机定子绕组、变压器绕组均产生影响，威胁发变组的安全运行。改造后的励磁调节器具有母线电压跟踪功能，并网前，励磁调节器给定值跟踪母线电压，机端电压和母线电压之间无差值，机组同期并网过程中没有无功冲击。