浅论水轮机调速器机网协调能力的技术

浅论水轮机调速器机网协调能力的技术

蒋浩维

广西广投能源有限公司桥巩水电站分公司

【摘要】：近些年来我国电网结构发生了比较大的变化，对于电网运行的安全性和稳定性都造成了影响。本文主要针对水轮机调速控制方面的内容，提出水轮机调速器机网协调技术内容，主要包括：水锤效应抑制及改善、调速器GPSS控制等等，同时对其进行现场试验和测试，能够确保整个电力系统的安全性和稳定性。

【关键词】：水轮机调速器；机网协调；水锤效应

0 引言  

随着社会经济发展需要，近些年我国的装机规模不断增加，电网建设速度越来越快，电网结构也产生了较大改变，必然也会引发一系列问题，例如异步联网所引发的孤岛运行、水电站“水锤效应”所造成的负阻尼等都会对电网的稳定性以及安全性造成影响，这些情况都需要充分考虑到调速器的特殊控制要求。现阶段水轮机调速器的控制策略已经无法满足不断发展变化的电网需要，容易引发电网安全稳定方面的问题，需要从增强水轮机调速器机网协调能力方面提出相应的对策。

1 调速器控制模式及参数优化

（1）调速器控制模式

从现阶段来看，水轮机组调速器主要包括“频率模式”、“功率模式”、“开度模式”等3中控制方式，这些控制模式更适合用在大型同步电网当中。但是近些年异步联网、直流孤岛、区域小网模式都造成了电网结构的改变，所以上述几种调节模式已经无法满足电网的控制，所以需要对其优化。本文主要采取的是较为灵活的多模式切换控制方式，就是增设一个适应电网异步联网形态的小网模式，同时开启孤网模式，能够实现大网、小网、孤网不同模式的灵活转换。

（2）调速系统参数优化

水轮机调速器不同调速模式下调节参数会有所差异，需要对其实施更加准确的识别以及参数切换。对于水轮机组联网、小网、孤网等不同工况来说，需要充分考虑到调差率、PID调节参数等方面的配合以及优化。

第一，对于联网工况来说，要充分考量到开度模式、功率模式，需要遵照系统要求设置人工频率死区、调差率、功率限幅等等，可以利用现场试验对PID调节参数进行整定，确保调速器反应时间、调节时间、稳定时间符合并网导则要求。对于功率模式来说，也要实施负荷扰动试验，一般情况下功率调节死区设置为0.5%——1%。

第二，对于小网模式来说，最好要通过现场试验来进行优化。但是因为牵涉内容较多，包括机组、电网、控制设备等等，所以现场很难有效实施。另外，也可利用仿真建模进行分析，但是因为建模要建立在准确现场数据基础上，所以很难确定准确参数。现阶段最为简便的方式就是按照现场经验进行确定，可以参照工程的经验（比例以及积分等）进行初期确定，此参数的比空载大、比负载参数小，一般孤网模式下，死区比联网模式要大 0.1~0.2 Hz，调差系数一般设置为 1 %。为了防止机组进相，转入孤岛模式后还应设置最小开度限制，该经验参数还需要经过现场运行考验。

第三，对于孤网模式来说，一般按空载工况考虑，可以考虑采用空载频率扰

动试验确定的PID调节参数，人工频率死区和调差系数可以设置为零，开度限制可以考虑为空载开度的2倍左右。

2 水轮机调速器机网协调能力技术分析

（1）对于水锤效应的控制

所谓的水锤效应主要就是指在进行水轮机调节时，受到水流惯性影响所造成的引水系统压力改变，从而造成发电机有功功率的反向调节。对于水轮机组带大负荷情况下，既要降低甚至避免产生功率反向调节的问题，也要确保带负荷的速动性。针对此要求，可以将导叶关闭速率作为出发点来优化调速系统的控制策略。在实际操作中，导叶的关闭可以采取“慢—快—慢”的控制方式，这样在水轮机组负荷调整时能够降低水锤效应所引发的功率反调幅值，同时也可以满足带负荷的速动性要求。

相对于传统的机组运行控制方式来说，基于减小“水锤效应”的分段变速率调速控制技术具有更强的柔性特点，可以对不同阶段实施针对性控制，如图1所示。利用变速率的控制方式能够大大降低机组开启和关闭导叶时所引发的“水锤效应”。在实际操作中，具体的方式为：在导叶处在稳定状态时，如果导叶设定

图1 导叶柔性控制情况

和反馈之间的偏差迅速增大，那么就要采取柔性控制来减缓导叶变化速率，延时一定时间后导叶正常启闭。

（2）调速器GPSS控制

通过相应研究可知，对于同步发电机组来说，装设GPSS是提升电力系统稳定性最为重要的措施，其操作相对简单，效果较好。从现阶段来看，为了确保电力系统的稳定性，常常会在发电机励磁控制设置电力系统稳定器PSS，此种控制方式在保留以发电机机端电压作为输入控制器的基础上，同时也增设了发电机转速、频率、功率偏差的附加控制方式。采取同样的方式，也可以在同步发电机的调速系统侧装设PSS（简称为GPSS），虽然其能够改变水轮机组原动机输入功率，但是并不会对电磁功率产生影响，其具有多机解耦特性，能够避免了安装地点选择以及参数协调问题，能够有效提升机组稳定性。

对于水轮机来说，在调节时主要采取的是PID调节方式，可以将液压系统简化为一节惯性环节，在此基础上能够得到调速器GPSS控制模型，如图2所示。GPSS控制方式和励磁系统相似，主要包括放大部分、超前—滞后部分、隔直部分等等，可以通过如下公式进行表示：

图2 调速器GPSS控制框图

其中K表示GPSS增益；T₁—T₄表示超前、滞后的时间常数，单位为秒；T_w表示隔直环节时间常数，单位为秒。

通过相应参考文献能够得知，通过在水轮发电机组中增设GPSS附加控制能够非常显著的提升水轮机发电系统的稳定性。将其和其他先进控制技术进行有效结合，不管是对于整个电网运行工况、对于扰动强度大小还是对于模型精确度都具有非常强的鲁棒性。

3 现场实际试验分析

2017年某区域电网组织了相应的水轮机组调速系统评审工作，在此过程中明确了水电调试系统参数调整相应内容，同时也确定了纳入调整范围的机组调速系统增设小网模式。直流联网后正常运行在小网模式下，大扰动下可自动切换至孤网模式运行。针对上述内容设定如下几方面要求：

第一，对于异步后调速系统来说，其可以在开度调节的小网模式下正常运行。调速可以采取大网、小网、孤网等调节模式，不同模式的调节框图大体一致，可以进行有效切换；

第二，不同模式之间的切换有所区别，其中大网、小网模式能够直接切换到孤网模式，但是在相应条件下才可以使孤网模式转换为大网和小网模式；

第三，对于调速系统来说，在孤网模式下能够对机组出力正常调节，要确保监控系统和调速系统正常频率调节协调；

第四，水电机组调速系统一次调频不宜采用在调频死区附近增大一次调节速度或调节幅度的功能（即“增强型”一次调频），已投入增强型一次调频的应退出运行。

2018年在上述条件下实施了100台以上的大型水轮发电机组调速器模式的切换和参数优化试验，利用现场不同试验（包括静态测试、动态测试、切换试验等）对于各种控制模式切换和参数实施了统一，能够保证水轮机组可以稳定运行，参数配置比较合理，确保于电网的安全稳定运行

4 结束语

本文在阐述调速器控制模式及参数优化相关内容的基础上，针对水轮机调速控制方面的内容，提出水轮机调速器机网协调技术内容，主要包括：水锤效应抑制及改善、调速器GPSS控制等等，同时对其进行现场试验和测试，能够确保整个电力系统的安全性和稳定性。

【参考文献】

[1]黄祖仁. 水轮机调速器机网协调能力的优化技术研究[J]. 内燃机与配件, 2019(07):15-17

[2]蔡卫江. 提升水轮机调速器机网协调能力的技术研究[J]. 水电站机电技术, 2019(03):18-19

[3]韩炜. 基于机网协调的汽轮机优化控制策略研究[D]. 浙江大学硕士论文, 2019

[4]刘娜; 奚志江; 钱华东; 南浩. 基于多元数据融合的机网协调控制系统[J]. 仪器仪表用户, 2017(04):18-19