董開(kāi)松，李鵬吉，王 軍，侯紀(jì)坤，孔繁臣

（1.甘肅電力科學(xué)研究院，蘭州 730050;2.白山發(fā)電廠，吉林樺甸 132400;3.惠州蓄能水電廠，廣東 惠州 516100;4.西安理工大學(xué)，西安 710048）

水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器參數(shù)及其選定

董開(kāi)松1，李鵬吉2，王 軍3，侯紀(jì)坤4，孔繁臣2

（1.甘肅電力科學(xué)研究院，蘭州 730050;2.白山發(fā)電廠，吉林樺甸 132400;3.惠州蓄能水電廠，廣東 惠州 516100;4.西安理工大學(xué)，西安 710048）

0 引言

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)[1-3]是通過(guò)不斷的調(diào)整水力發(fā)電機(jī)組的有功功率的輸出，并維持機(jī)組轉(zhuǎn)速（頻率）在規(guī)定的范圍內(nèi)，來(lái)滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)正常發(fā)電和電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的需要。按照我國(guó)電力部門(mén)規(guī)定，電網(wǎng)的額定頻率為50Hz，大電網(wǎng)允許的頻率偏差為±0.2Hz。

調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)包括調(diào)節(jié)對(duì)象參數(shù)和調(diào)速器參數(shù)，已建水電站的參數(shù)是不能改變的，而調(diào)速器的參數(shù)是可以調(diào)整的，如果調(diào)速器參數(shù)選定不合理，會(huì)造成機(jī)組穩(wěn)定性差，并網(wǎng)困難，供電質(zhì)量差等問(wèn)題。調(diào)速器控制著水力發(fā)電機(jī)組的正常開(kāi)停機(jī)、空載、并網(wǎng)、增減負(fù)荷等每一個(gè)環(huán)節(jié)，并使機(jī)組穩(wěn)定可靠的維持電力系統(tǒng)的功率平衡、頻率穩(wěn)定。

白山發(fā)電廠位于吉林省樺甸市境內(nèi)，第二松花江上游，裝有5臺(tái)單機(jī)容量300MW的懸式混流水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1500MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量20億kW·h。白山電站以發(fā)電為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合利用效益，承擔(dān)東北電網(wǎng)主要調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。其調(diào)速器為KZT-150型塊式直連型機(jī)械液壓調(diào)速器，主配壓閥直徑為150mm，具有自動(dòng)復(fù)中功能，并且取消了原調(diào)速器柜內(nèi)的管道，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境清潔的特點(diǎn)；自動(dòng)復(fù)中裝置具有自動(dòng)復(fù)中、信號(hào)放大、結(jié)合力大、操作力小等特點(diǎn)[4]。本文結(jié)合白山發(fā)電廠水力發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)調(diào)速器主要參數(shù)進(jìn)行整定。

1 調(diào)速器工作原理

白山發(fā)電廠所采用的調(diào)節(jié)器是采用0～10V電信號(hào)輸入電氣調(diào)節(jié)器或者微機(jī)調(diào)節(jié)器，然后經(jīng)過(guò)電液伺服閥使電信號(hào)轉(zhuǎn)化為壓力信號(hào)，三級(jí)放大后的操作力來(lái)操作導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，最后實(shí)現(xiàn)頻率和負(fù)荷調(diào)控。電液隨動(dòng)系統(tǒng)具有三級(jí)液壓放大，第一級(jí)是電液伺服閥，第二級(jí)是由引導(dǎo)閥和服輔助接力器組成的液壓放大系統(tǒng)，使配壓閥動(dòng)作正比例位移，主接力器油壓操作力做功，接力器進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整使微機(jī)信號(hào)與主接力器接卸反饋信號(hào)一致，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

在電手動(dòng)工作狀態(tài)下，電液隨動(dòng)系統(tǒng)可直接將輸入信號(hào)線性的轉(zhuǎn)換成主接力器位移，其原理框圖如圖1所示。

圖1 信號(hào)傳輸原理

2 參數(shù)及其選定

2.1 調(diào)速器主要參數(shù)

2.1.1 永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp

永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)是指調(diào)速系統(tǒng)特性曲線上某一規(guī)定運(yùn)行點(diǎn)處的斜率的負(fù)數(shù)，它反映了調(diào)速器的轉(zhuǎn)速與接力器行程變化的關(guān)系。對(duì)于調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它是表示機(jī)組空載額定轉(zhuǎn)速之比。bp對(duì)調(diào)節(jié)品質(zhì)有一定的影響，bp增大，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。在保證穩(wěn)定的前提下，為了提高調(diào)速器的快速動(dòng)作，應(yīng)盡量地減少bp值。實(shí)際上bp值并不是根據(jù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能來(lái)調(diào)整，而是根據(jù)機(jī)組在電力系統(tǒng)中的地位、承擔(dān)負(fù)荷的性質(zhì)以及機(jī)組之間負(fù)荷的分配等因素，由電力系統(tǒng)調(diào)度所來(lái)給定，一般為0～4%。對(duì)于大容量并參與系統(tǒng)調(diào)頻的機(jī)組，bp值相對(duì)選擇較小值；對(duì)于帶基本負(fù)荷或小容量機(jī)組，bp值一般選偏大值。

2.1.2 暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt

暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt值是改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一，軟反饋是減緩調(diào)速器在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的調(diào)節(jié)作用，以抑制過(guò)調(diào)節(jié)現(xiàn)象，保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性。bt值增加，穩(wěn)定區(qū)域相應(yīng)增加。但并不是說(shuō)bt值越大越好，當(dāng)bt值過(guò)大時(shí)，調(diào)節(jié)速度過(guò)慢、調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速偏差就會(huì)增大，反而會(huì)使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。

2.1.3 緩沖時(shí)間常數(shù)Td

緩沖時(shí)間常數(shù)Td值是保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要參數(shù)之一，Td表示暫態(tài)反饋存在的時(shí)間長(zhǎng)短。Td值增大，穩(wěn)定區(qū)域增大，反之則相反，Td越大，抑制調(diào)節(jié)的作用越顯著，它與bt相配合，控制著調(diào)速器的調(diào)節(jié)質(zhì)量，但Td太大使轉(zhuǎn)速偏差過(guò)大，調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，Td減小可提高調(diào)速器的速動(dòng)性。因此Td是影響調(diào)速器動(dòng)作速度、調(diào)節(jié)質(zhì)量以及穩(wěn)定性的重要參數(shù)。

2.2 參數(shù)選定方法

合理的調(diào)速器參數(shù)[4]是保證水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有良好穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)的前提條件之一。在現(xiàn)場(chǎng)工作中，對(duì)于調(diào)速器的參數(shù)整定通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)多組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，尤其是對(duì)PID調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)速器參數(shù)整定，在滿(mǎn)足安全、穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，選取最優(yōu)的參數(shù)組作為最后的運(yùn)行整定參數(shù)。

下面結(jié)合實(shí)際對(duì)調(diào)速器參數(shù)選定的空載、負(fù)載、甩負(fù)荷試驗(yàn)進(jìn)行分析。

2.2.1 空載擾動(dòng)試驗(yàn)

空載擾動(dòng)試驗(yàn)是通過(guò)試驗(yàn)的方法確定水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，使機(jī)組達(dá)到安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。其試驗(yàn)過(guò)程如下：

1）根據(jù)水電站實(shí)際情況，預(yù)先設(shè)定若干組試驗(yàn)參數(shù)。根據(jù)電液轉(zhuǎn)換器行程放大比K選取1∶1、1∶1.4、1∶2或1∶3中的一個(gè)K值進(jìn)行試驗(yàn)。

2）選擇PID三環(huán)節(jié)的試驗(yàn)參數(shù)。

其方法是利用斯坦因或克里夫琴科的建議公式（1）～（3）

對(duì)Tω（水流慣性時(shí)間常數(shù)）和Ta(機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)）換算成PID電調(diào)三環(huán)節(jié)參數(shù)（4）～（6）

試驗(yàn)過(guò)程中，K值取某一設(shè)定的參數(shù)，當(dāng)取bt和Tn的最小值是可得出Kp、TI、TD的一組數(shù)值。同理，當(dāng)取bt和Tn的最大值是可得出Kp、TI、TD的另一組數(shù)值。然后，再取最大值和最小值的中間值，組成3組數(shù)值，連同bp（永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)）分別取4%、6%、8%，因此，具有4個(gè)制約因素?cái)?shù)值組。根據(jù)以上4個(gè)數(shù)值組做空載擾動(dòng)試驗(yàn)，通常情況下，可以從中選出一組保證水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的參數(shù)組作為整定參數(shù)。

最后，實(shí)施實(shí)驗(yàn)階段的具體做法是將上述的每組數(shù)據(jù)分別作空擾試驗(yàn)，每進(jìn)行一次，都要將該組數(shù)值整定到調(diào)速器上相應(yīng)的刻度。使機(jī)組頻率穩(wěn)定于48Hz左右，利用頻率給定旋鈕迅速將頻率調(diào)至52Hz，待調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，再由52Hz返回48Hz。目測(cè)轉(zhuǎn)速表或用儀器自動(dòng)記錄升和降兩次，觀察其轉(zhuǎn)速變化的過(guò)渡過(guò)程，通過(guò)對(duì)過(guò)渡過(guò)程的分析尋找出最優(yōu)整定參數(shù)組。若用以上數(shù)組數(shù)值作空擾均達(dá)不到要求，就應(yīng)作定性分析，如更換K值后，重新試驗(yàn)。對(duì)找到的最優(yōu)參數(shù)組還應(yīng)在做一次試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，最后核實(shí)一下試驗(yàn)結(jié)果是否最優(yōu)，同時(shí)也檢驗(yàn)了試驗(yàn)的重復(fù)性，在認(rèn)為完全滿(mǎn)意后就以這組參數(shù)作整定值。

2.2.2 負(fù)載擾動(dòng)試驗(yàn)

負(fù)載擾動(dòng)試驗(yàn)是通過(guò)試驗(yàn)的方法確定負(fù)載工況時(shí)的水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)器的最優(yōu)參數(shù)。其試驗(yàn)過(guò)程如下。

1）根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)定若干組負(fù)載工礦的參數(shù)組。為保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，調(diào)速器要具有快速適應(yīng)性，當(dāng)在小電網(wǎng)系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，負(fù)載Kp、TI值與其空載工況時(shí)的Kp、TI值基本相同；當(dāng)在大電網(wǎng)系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，負(fù)載Kp值稍大一些，負(fù)載TI值接近于零。

2）在試驗(yàn)確定的空載最優(yōu)整定參數(shù)下水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)，功率增減10%～20%的額定負(fù)荷。然后，同于空載擾動(dòng)試驗(yàn)步驟，可找到最優(yōu)調(diào)節(jié)過(guò)程，從而確定負(fù)載最優(yōu)整定參數(shù)。當(dāng)然，這種最優(yōu)參數(shù)是在某種運(yùn)行方式下取得的，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)針對(duì)電站可能的運(yùn)行方式多做幾組試驗(yàn)，以取得不同運(yùn)行方式下的最優(yōu)整定參數(shù)(備用)。

2.2.3 甩負(fù)荷試驗(yàn)

甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)應(yīng)用試驗(yàn)的方法確定負(fù)載擾動(dòng)試驗(yàn)和空載擾動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中選定的整定參數(shù)是否與保證計(jì)算相符合，并檢驗(yàn)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。

具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

1）調(diào)整調(diào)速器開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間。方法是在無(wú)水工況下，通過(guò)緊急停機(jī)電磁閥，進(jìn)行一次甩負(fù)荷試驗(yàn)。

2）確認(rèn)整定參數(shù)的最優(yōu)性。方法是在2.2.1和2.2.2試驗(yàn)中所選取的征訂參數(shù)下，開(kāi)機(jī)并網(wǎng)帶負(fù)荷，然后跳開(kāi)水輪發(fā)電機(jī)組出口斷路器，根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程情況，確認(rèn)取得安全穩(wěn)定運(yùn)行的可靠結(jié)果，即為取得了最優(yōu)的整定參數(shù)。

2.3 水電廠運(yùn)行要求

根據(jù)水電廠現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行規(guī)程要求，通過(guò)空載擾動(dòng)試驗(yàn)獲得的空載最優(yōu)整定參數(shù)，要能夠保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定，在以后的運(yùn)行過(guò)程中不能再變動(dòng)；通過(guò)負(fù)載擾動(dòng)試驗(yàn)所獲得的負(fù)載最優(yōu)整定參數(shù)，在運(yùn)行時(shí)可根據(jù)機(jī)組單機(jī)帶負(fù)荷、并大電網(wǎng)或并小電網(wǎng)予以改變，以獲得最優(yōu)調(diào)節(jié)過(guò)程。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于已建成的水電站而言，調(diào)節(jié)對(duì)象參數(shù)是不能改變的，而調(diào)速器的某些參數(shù)是可以調(diào)整的。本文對(duì)KZT-150型塊式直連機(jī)械液壓調(diào)速器的永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp、暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt、緩沖時(shí)間常數(shù)Td進(jìn)行分析。通過(guò)空載擾動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)、甩負(fù)荷3項(xiàng)試驗(yàn)確定該調(diào)速器最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)。通過(guò)此方法對(duì)調(diào)速器主要參數(shù)的整定，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行狀況良好。

同時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)同電站的環(huán)境條件、機(jī)組布置方式和電力系統(tǒng)負(fù)荷等具體情況有關(guān)。因此，水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)規(guī)律，還有待在今后的實(shí)際工作中進(jìn)一步分析并完善。希望此方法對(duì)其他水電廠水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的運(yùn)行與管理具有一定的參考價(jià)值和實(shí)際意義。

[1]魏守平.現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

[2]沈祖詒.水輪機(jī)調(diào)節(jié)[M].3版.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[3]南海鵬.水輪發(fā)電機(jī)組PCC控制[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[4]孔繁臣.水輪機(jī)調(diào)速器參數(shù)選定及調(diào)試中常見(jiàn)故障分析[J].廣東水利水電，2007（8）:79-81.

Governor Parameters and Its Selection of Hydropower Units

DONG Kai-song1,LIPeng-ji2,WANG Jun3,HOU Ji-kun4,KONG Fan-chen2
(1.Gansu Electric Power Research Institute,Lanzhou 730050,Gansu Province,China；2.Baishan Hydropower Plant,Huadian 132400,Jilin Province，China；3.Huizhou Pumped Storage Water Power Station,Huizhou 516100,Guangdong Province,China；4.Xi’an University of Technology，Xi’an 710048,Shaanxi Province,China）

This paper analyzes permanent speed droop bp,temporary speed droop bt,and time constant Tdof damping device of KZT-150-type Block Direct Connect Mechanical Hydraulic Governor.Through no-load disturbing test,loaded test,and load rejection test to determine the optimum operating parameters of governor.This method has certain reference significance for parameters selection of other hydropower hydrogenerating unit governor.

hydropower unit；governor；parameter selection摘要：對(duì)KZT-150型塊式直連機(jī)械液壓調(diào)速器的永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp、暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt、緩沖時(shí)間常數(shù)Td進(jìn)行分析。通過(guò)空載擾動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)、甩負(fù)荷3項(xiàng)試驗(yàn)確定該調(diào)速器最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)。此方法對(duì)其他水電廠水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的參數(shù)選定具有一定的借鑒意義。

水力發(fā)電機(jī)組；調(diào)速器；參數(shù)選定

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50779056）資助。

1674-3814（2010）09-0062-03

TM312

B

2010-08-09。

董開(kāi)松（1967—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事水電機(jī)組及其附屬設(shè)備的安裝、調(diào)試和試驗(yàn)工作，風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電設(shè)備的檢測(cè)和研究工作；

李鵬吉（1980—），男，助理工程師，白山發(fā)電廠機(jī)械部專(zhuān)責(zé)工程師，從事水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)管理工作。

（編輯 李 沈）