李 杰，謝 暉，盧自富

（1.長江三峽能事達(dá)電氣股份有限公司，湖北 武漢 430072；2.中國水利電力對外公司，北京 100871）

軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組在孤網(wǎng)運行中的探索與創(chuàng)新

李 杰1，謝 暉2，盧自富1

（1.長江三峽能事達(dá)電氣股份有限公司，湖北 武漢 430072；2.中國水利電力對外公司，北京 100871）

經(jīng)過對水輪機(jī)調(diào)速器孤網(wǎng)參數(shù)的優(yōu)化和槳葉控制策略的創(chuàng)新，很好的解決了軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組在孤網(wǎng)運行時增減負(fù)荷慢、運行不穩(wěn)定、接負(fù)荷能力差等一系列問題，對孤網(wǎng)運行的適應(yīng)能力取得了極大的改善和提高。

軸流轉(zhuǎn)槳；調(diào)速器；孤網(wǎng)；槳葉

1 引言

凱樂塔水利樞紐工程位于幾內(nèi)亞共和國的西部，孔庫雷河下游，距離首都科納克里公路里程140km。凱樂塔水利樞紐工程以發(fā)電為主，正常蓄水庫容2 300萬m3，總裝機(jī)容量為234.6 MW，發(fā)電機(jī)采用東芝水電設(shè)計生產(chǎn)的軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，單機(jī)容量78.2 MW，是幾內(nèi)亞政府優(yōu)先、重點發(fā)展的能源項目，是幾內(nèi)亞境內(nèi)骨干電源電站。

凱樂塔電廠在首臺機(jī)組（3F）投運初期同樣遇到了上述問題。在首臺機(jī)組72 h運行期間，由于電網(wǎng)不同原因和不明原因的解列，造成凱樂塔電廠6次停機(jī)。在后期的單機(jī)運行中也發(fā)現(xiàn)，軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組在孤網(wǎng)運行條件下，由于槳葉和水流特性的影響，機(jī)組在20～40 MW振動區(qū)時極易出現(xiàn)負(fù)荷震蕩，從而導(dǎo)致整個電網(wǎng)震蕩的情況。鑒于幾內(nèi)亞電網(wǎng)此種惡劣情況及雙調(diào)機(jī)組孤網(wǎng)運行不穩(wěn)定的特性，電網(wǎng)方面束手無策，寄希望于通過調(diào)速器來穩(wěn)定網(wǎng)頻，減少電網(wǎng)解列次數(shù)。

2 軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組常規(guī)控制方式在孤網(wǎng)運行中遇到的問題

2.1 孤網(wǎng)運行條件下不能人為增減負(fù)荷

在孤網(wǎng)運行條件下，目前國內(nèi)調(diào)速器大多設(shè)計為運行在頻率模式，即在機(jī)組孤網(wǎng)運行工況時，調(diào)速器以頻率調(diào)節(jié)為主，頻率調(diào)節(jié)死區(qū)為零，這種運行狀態(tài)在短時間孤網(wǎng)運行時，滿足穩(wěn)定孤網(wǎng)頻率和快速調(diào)節(jié)負(fù)荷的要求。但作為長期運行機(jī)組，此種運行方式存在調(diào)速器油耗大、機(jī)組調(diào)節(jié)頻繁、對設(shè)備損耗較大等問題，且凱樂塔電廠在幾內(nèi)亞電網(wǎng)中并非單一運行機(jī)組，各機(jī)組間或電廠間存在負(fù)荷相互轉(zhuǎn)移的情況，頻率模式不能人為的增減負(fù)荷，只能根據(jù)電網(wǎng)頻率波動自動調(diào)整機(jī)組負(fù)荷大小，此種運行方式明顯不適合幾內(nèi)亞電網(wǎng)孤網(wǎng)運行的現(xiàn)狀。

2.2 槳葉調(diào)整對孤網(wǎng)運行的影響

在正常的負(fù)荷調(diào)整過程中，槳葉的轉(zhuǎn)角跟隨協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線的給定值，以此來提高水輪機(jī)效率。孤網(wǎng)運行中網(wǎng)頻的穩(wěn)定主要是靠導(dǎo)葉的快速調(diào)整來完成，但由于協(xié)聯(lián)關(guān)系的影響，槳葉此時也跟隨導(dǎo)葉的變化量參與調(diào)節(jié)，從而影響了機(jī)組出力，打亂了導(dǎo)葉的調(diào)整規(guī)律，對網(wǎng)頻的穩(wěn)定帶來了極大的負(fù)面影響。尤其是在電網(wǎng)出現(xiàn)大負(fù)荷波動或振動區(qū)水流特性不穩(wěn)定時，此時導(dǎo)葉的調(diào)整速度與幅度和槳葉調(diào)整的速度與幅度都較大，電網(wǎng)頻率波動、導(dǎo)葉開度變化，槳葉開度變化、機(jī)組水流特性、水頭變化等因素都對機(jī)組出力產(chǎn)生嚴(yán)重影響。由于影響機(jī)組出力的因素太多，致使導(dǎo)葉不能正確的判斷頻率變化速度和幅度，影響了導(dǎo)葉調(diào)整的規(guī)律，致使系統(tǒng)頻率長時間震蕩，不能快速穩(wěn)定。見圖1、圖2。

圖1 孤網(wǎng)條件下各條件對電網(wǎng)頻率的影響

圖2 槳葉手動和自動調(diào)節(jié)對電網(wǎng)穩(wěn)定的不同影響

2.3 電網(wǎng)大范圍負(fù)荷波動對調(diào)速器調(diào)節(jié)能力的考驗

幾內(nèi)亞電網(wǎng)屬于典型的孤網(wǎng)運行模式，由于電網(wǎng)設(shè)備老舊和惡劣天氣的影響，電網(wǎng)異常脆弱，隨時面臨著超過全網(wǎng)負(fù)荷10%以上的大范圍負(fù)荷波動，調(diào)速器必須具備承受大負(fù)荷沖擊和快速調(diào)整負(fù)荷的能力。根據(jù)國際電工委員會IEC60308《水輪機(jī)控制系統(tǒng)試驗》中提到孤立電網(wǎng)試驗中，施加的階躍擾動量經(jīng)典的最大值為其機(jī)組額定功率的10%，但能接受10%負(fù)荷擾動量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足幾內(nèi)亞電網(wǎng)的要求，例如Garafiri水電廠極易將其所帶的40～50MW負(fù)荷甩掉，甩負(fù)荷容量占全網(wǎng)總發(fā)電量的25%～35%，導(dǎo)致全網(wǎng)頻率雪崩式下滑，調(diào)速器能否快速穩(wěn)定頻率是面臨的最大考驗。

對此，Joseph [10]63-64是這樣解釋的：音響形象的所指是概念，概念的所指是事物。但通過對比，我們發(fā)現(xiàn)，Joseph所持的是詞語—概念—事物觀，跟索緒爾的符號觀在本質(zhì)上是不同的：前者假定存在語言世界和外部世界兩個世界，符號的最終指向是外部世界的事物，而索緒爾語言學(xué)只有一個語言的世界，能指和所指是語言符號內(nèi)部的兩個要素，沒有外部基礎(chǔ)[11]80-82。換句話說，Joseph的符號觀和索緒爾的符號觀完全是兩碼事，沒有可比性可言，因此用詞語—概念—事物觀來解釋上述現(xiàn)象肯定是說不通的。

2.4 槳葉限速后對于機(jī)組增減負(fù)荷的影響

為了提高調(diào)速器穩(wěn)定電網(wǎng)的能力，避免槳葉對導(dǎo)葉快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)的影響，我們對槳葉進(jìn)行了四檔速度變速控制的處理，這種處理方式雖然避免了槳葉波動對頻率調(diào)節(jié)的影響，但由于幾內(nèi)亞電網(wǎng)增減負(fù)荷采用變電站投切斷路器的方式，每一次增減負(fù)荷都是一次對電網(wǎng)的沖擊。調(diào)速器經(jīng)常進(jìn)入槳葉慢速調(diào)節(jié)方式（類似定槳運行），延緩了機(jī)組并網(wǎng)加負(fù)荷的速度，導(dǎo)致機(jī)組停留在振動區(qū)的時間過長，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。

3 軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組在孤網(wǎng)模式下的探索與創(chuàng)新

3.1 開度模式與孤網(wǎng)運行模式自動切換

為了克服孤網(wǎng)運行條件下不能人為增減負(fù)荷的缺陷和幾內(nèi)亞電網(wǎng)的特殊要求，目前凱樂塔電廠調(diào)速器采用開度模式和孤網(wǎng)模式自動切換的方式來滿足運行要求（見圖3）。在正常工況下，調(diào)速器運行在開度模式，頻率死區(qū)為±0.5 Hz，在50±0.5 Hz區(qū)間內(nèi)導(dǎo)葉不自動調(diào)整負(fù)荷，但可以通過監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)給調(diào)速器增減負(fù)荷的指令，調(diào)速器根據(jù)指令調(diào)整機(jī)組有功。當(dāng)電網(wǎng)頻率超過50±0.5 Hz時，調(diào)速器根據(jù)負(fù)載PID自動調(diào)整導(dǎo)葉開度，維持電網(wǎng)頻率在50±0.5 Hz區(qū)間。當(dāng)電網(wǎng)頻率超過50±1 Hz時，調(diào)速器自動切換至孤網(wǎng)運行模式，以孤網(wǎng)運行pid參數(shù)控制導(dǎo)葉運行。在電網(wǎng)頻率恢復(fù)至50±0.5 Hz區(qū)間內(nèi)，調(diào)速器自動切換為開度模式運行。這種處理方式既能滿足電網(wǎng)穩(wěn)定的要求，又能在保證網(wǎng)頻合理范圍內(nèi)人為增減機(jī)組有功，實現(xiàn)各機(jī)組之間或各電廠之前進(jìn)行有功功率的轉(zhuǎn)移。

圖3 模式切換流程圖

3.2 槳葉采用四檔速度自動選擇模式

鑒于槳葉調(diào)整對機(jī)組效率和穩(wěn)定性的影響之大，目前孤網(wǎng)運行槳葉控制策略簡要總結(jié)為：高速跟進(jìn)，低速定槳，中速跟隨，空載不限?，F(xiàn)場調(diào)速器控制流程改為把槳葉的開度調(diào)整分為四檔速度，分別為高速、中速、低速和空載高速。具體控制波形圖如圖4所示。

3.2.1 高速檔的設(shè)計原理（高速跟進(jìn)）

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在穩(wěn)定運行時，此時出現(xiàn)大范圍負(fù)荷波動（網(wǎng)頻低于49 Hz或者高于51 Hz），導(dǎo)葉將有大范圍開度變化，此時為了滿足機(jī)組快速負(fù)荷調(diào)整的目的，槳葉必須快速跟隨協(xié)聯(lián)給定值，此時，槳葉以設(shè)定的最高速度跟進(jìn)，但為了保持增加和減少負(fù)荷的均衡性，槳葉限速為開關(guān)方向相同速度。導(dǎo)葉和槳葉的快速調(diào)整是機(jī)組接受最大負(fù)荷擾動的關(guān)鍵，也是快速穩(wěn)定網(wǎng)頻的關(guān)鍵，它能夠在網(wǎng)頻大范圍波動的第一個半波迅速把網(wǎng)頻拉回，不至于網(wǎng)頻過低或過高導(dǎo)致機(jī)組解列停機(jī)。

圖4 凱樂塔2F負(fù)荷由11 MW突增至18 MW波形圖

3.2.2 低速檔設(shè)計原理（低速定槳）

設(shè)置低速定槳的目的有兩個：第一是減少槳葉在負(fù)荷調(diào)整過程中對導(dǎo)葉調(diào)整的干擾；第二是槳葉定槳在協(xié)聯(lián)開度較高的位置，增加承受電網(wǎng)波動的能力。在大范圍負(fù)荷波動時，機(jī)組可以通過導(dǎo)葉和槳葉的快速調(diào)整，迅速抑制網(wǎng)頻突變的第一個波頭，但抑制不是目的，穩(wěn)定才是關(guān)鍵。穩(wěn)定網(wǎng)頻的關(guān)鍵點是采取槳葉自動轉(zhuǎn)為低速調(diào)整的方式，近似于定槳運行。槳葉在改為低速運行時分為兩種不同的工況，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷突然降低時（例如Garafiri水電廠突然甩負(fù)荷），在頻率下降的第一個半波回到接近50Hz時，開始投入槳葉低速運行，此時位置處在協(xié)聯(lián)位置偏上，可以有效地增加接負(fù)荷的能力。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷突然減少時（電網(wǎng)某段線路突然跳閘），此時頻率上升的第一個半波槳葉以中速調(diào)整，不做處理，當(dāng)頻率回升到50 Hz附近時，槳葉再采用低速運行方式。

3.2.3 中速檔設(shè)計原理（中速跟隨）

在正常運行時，為了滿足正常的增減負(fù)荷和小范圍的負(fù)荷波動的要求，槳葉不能一直處于高速模式，高速模式運行不穩(wěn)定，也不能一直處于低速模式，低速模式槳葉調(diào)整速度慢，負(fù)荷增減速度也慢。我們設(shè)計了中速檔位，中速檔既能滿足穩(wěn)定性的要求，又能滿足小范圍負(fù)荷波動的要求，同時在進(jìn)入中速檔以后，槳葉開度會慢慢跟隨槳葉協(xié)聯(lián)給定值，避免因大負(fù)荷波動后造成的槳葉和槳葉協(xié)聯(lián)給定值不同步的現(xiàn)象，避免機(jī)組工作在非協(xié)聯(lián)區(qū)間。

3.2.4 空載高速檔設(shè)計原理（空載不限）

在空載位置，槳葉根據(jù)設(shè)計院設(shè)計的最大開關(guān)機(jī)速度進(jìn)行運行，速度不受限制，可以有效滿足機(jī)組甩負(fù)荷和機(jī)組正常開停機(jī)的需要。

3.3 優(yōu)化負(fù)載和孤網(wǎng)pid參數(shù)

調(diào)速器在孤網(wǎng)模式的bp參數(shù)和pid參數(shù)及其重要，它決定了調(diào)速器導(dǎo)葉開關(guān)的幅度、速度和孤網(wǎng)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)時間。國內(nèi)調(diào)速器性能試驗只包含空載擾動實驗，不包含孤網(wǎng)運行下的負(fù)載擾動實驗。鑒于幾內(nèi)亞電網(wǎng)的現(xiàn)狀及特殊要求，我們申請在凱樂塔電廠單機(jī)帶孤網(wǎng)的條件下做負(fù)載擾動實驗（見圖5），要求電網(wǎng)中只有凱樂塔電廠一臺機(jī)組發(fā)電，總負(fù)荷在50～60 MW之間，頻率擾動范圍在49～51 Hz，波動范圍在48～52 Hz，通過對調(diào)整速度及穩(wěn)定時間進(jìn)行pid最優(yōu)選擇。最終確定調(diào)速器的最佳參數(shù)為bp=6%，kp=1.8，ki=0.14，kd=1.4。

3.4 加負(fù)荷采用分段定槳方式

為了使機(jī)組能夠承受最大負(fù)荷擾動，我們采用了四檔速度自動選擇模式。但機(jī)組在孤網(wǎng)的條件下啟動，負(fù)荷增加的初始階段容易使槳葉進(jìn)入低速模式，這樣每次從零負(fù)荷增加到超越振動區(qū)負(fù)荷的時間比較長，對機(jī)組運行不利。因此，我們采用在機(jī)組導(dǎo)葉低于40%開度時，退出槳葉四檔速度判斷，而是根據(jù)槳葉協(xié)聯(lián)曲線采用分段定槳的方式，即在導(dǎo)葉分別開至15%、20%、30%，40%時，槳葉給定開度為10%、20%、30%、40%。此種方式既解決了前期加負(fù)荷過慢的問題，又能基本滿足協(xié)聯(lián)曲線的要求。當(dāng)超過40%導(dǎo)葉開度后，投入槳葉四檔速度自動選擇模式，也可以滿足大范圍負(fù)荷波動的要求。

4 控制策略后的試驗效果

4.1 機(jī)組增減負(fù)荷速度加快，網(wǎng)頻穩(wěn)定能力提高

孤網(wǎng)運行控制策略修改前，機(jī)組從開機(jī)起網(wǎng)頻一直處于波動狀態(tài)，機(jī)組不能有效的控制網(wǎng)頻波動，尤其在振動區(qū)，網(wǎng)頻波動幅值更大，最終導(dǎo)致機(jī)組解列停機(jī)，如圖6所示。

圖5 負(fù)載擾動波形圖

圖6 增加負(fù)荷時機(jī)組不穩(wěn)定導(dǎo)致甩負(fù)荷

孤網(wǎng)運行控制策略修改后，機(jī)組加負(fù)荷平穩(wěn)，網(wǎng)頻穩(wěn)定能力增強(qiáng)，且加負(fù)荷速度快，能夠迅速通過振動區(qū)，整體效果提升顯著，如圖7所示。

圖7 控制策略修改后增加負(fù)荷情況

4.2 接負(fù)荷能力有了質(zhì)的飛躍

孤網(wǎng)運行控制策略修改前，機(jī)組在振動區(qū)根本不具備接負(fù)荷的能力，一旦有5 MW以上的負(fù)荷波動就可能引起機(jī)組和電網(wǎng)的頻率震蕩。孤網(wǎng)控制策略采用四檔限速控制以后，接負(fù)荷能力有了質(zhì)的提高，在實驗條件下，單機(jī)接負(fù)荷能力最大測試到15 MW（占單機(jī)容量的19.2%，如圖8），雙機(jī)接負(fù)荷能力運行中最大測試到38.3 MW（占雙機(jī)總?cè)萘康?4.5%，如圖9）。在現(xiàn)場實際運行中，出現(xiàn)負(fù)荷波動的范圍更大，運用目前的控制策略，實際接負(fù)荷能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過試驗時的范圍（2015年7月6日記錄，雙機(jī)接負(fù)荷能力占雙機(jī)總?cè)萘康?8.7%，如圖10），對穩(wěn)定幾內(nèi)亞電網(wǎng)起到了關(guān)鍵作用。

4.3 負(fù)荷增減速度明顯加快

在控制策略修改前，機(jī)組并網(wǎng)以后，每次小的負(fù)荷沖擊都要經(jīng)過很長一段時間的穩(wěn)定，而且在機(jī)組振動區(qū)時很難穩(wěn)定，一旦有大的負(fù)荷沖擊也容易解列停機(jī)。控制策略修改后，采用槳葉在振動區(qū)之前分段定槳的方式，使機(jī)組在低負(fù)荷時可以快速增加負(fù)荷，使其快速越過振動區(qū)。在振動區(qū)以后，槳葉控制采用四檔變速方式，有效應(yīng)對大范圍負(fù)荷波動。這兩種方式相結(jié)合，使機(jī)組前期加負(fù)荷速度和后期接負(fù)荷能力都得到了明顯的提升。

圖8 遠(yuǎn)方電廠甩負(fù)荷15 MW試驗波形圖

圖9 控制策略修改后雙機(jī)帶孤網(wǎng)負(fù)荷擾動38.3 MW曲線圖

圖10 控制策略修改后雙機(jī)帶孤網(wǎng)負(fù)荷擾動60.4 MW曲線圖

5 結(jié)論

幾內(nèi)亞電網(wǎng)為典型的孤網(wǎng)運行方式，要求調(diào)速系統(tǒng)具有嚴(yán)格的靜態(tài)特性、良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)特性，以保證在電網(wǎng)負(fù)荷變化時自動快速維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。經(jīng)過對水輪機(jī)調(diào)速器孤網(wǎng)參數(shù)的優(yōu)化和槳葉控制策略的創(chuàng)新，很好的解決了軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組在孤網(wǎng)運行時增減負(fù)荷慢、運行不穩(wěn)定、接負(fù)荷能力差等一系列問題，對孤網(wǎng)運行的適應(yīng)能力取得了極大的改善和提高。凱樂塔水電站自投運以來良好的運行記錄和運行經(jīng)驗表明，軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組完全有能力滿足孤網(wǎng)運行時負(fù)荷增減、負(fù)荷沖擊、黑啟動、網(wǎng)頻穩(wěn)定的要求。同時，凱樂塔電廠的成功投運，也為軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組在大中型水電站孤網(wǎng)運行積累了寶貴的實踐經(jīng)驗。

［1］魏守平.水輪機(jī)控制工程［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

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［4］張中亞，田紅彬，張國勛，等.軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組孤網(wǎng)運行的研究［J］.大電機(jī)技術(shù)，2014（2）：74-75.

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TK733+5

A

1672-5387（2016）10-0001-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.001

2016-05-04

李 杰（1985-），男，工程師，從事水輪機(jī)調(diào)速研發(fā)與調(diào)試工作。