秦曉峰，楊季松，許棟，靳光永，錢鳳

（1.南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211106；2.中國南方電網(wǎng)有限責任公司調峰調頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510630）

水輪機調速器功率模式下模型試驗參數(shù)測試方法初探

秦曉峰1，楊季松2，許棟1，靳光永1，錢鳳1

（1.南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211106；2.中國南方電網(wǎng)有限責任公司調峰調頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510630）

本文以桐子林水電站水輪機調速器功率模式的傳遞函數(shù)為模型，對調速器功率模式下試驗參數(shù)測試條件與方法進行了研究。結合現(xiàn)場的實際測試，通過對試驗過程總結，得到了有益的經(jīng)驗，為日后水電廠開展功率模式現(xiàn)場模型試驗參數(shù)測試規(guī)范化提出了參考方案。

水輪機調速器；功率模式；參數(shù)測試

0 引言

在電網(wǎng)中，水輪機調速系統(tǒng)的動態(tài)特性不僅影響到機組自身的安全性和經(jīng)濟運行，而且會對電網(wǎng)的供電質量產(chǎn)生一定影響。為了電力系統(tǒng)運行提供更為安全、可靠的依據(jù)，故需開展對發(fā)電機組調速系統(tǒng)的參數(shù)實測工作，并通過對調速器數(shù)學模型的研究和仿真計算，建立更為準確的調速系統(tǒng)的計算模型，以便進一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定計算的精度。目前，調速器開度模式下現(xiàn)場模型試驗流程已基本規(guī)范化。相較于開度模式，功率模式下試驗較為復雜且涉及面廣，尚未有用于水輪機調速系統(tǒng)功率模式下現(xiàn)場參數(shù)測試方法的統(tǒng)一規(guī)范。本文就此方面結合桐子林功率模式現(xiàn)場試驗展開論述。

1 桐子林水電站調速器簡介

桐子林水電站額定水頭20m，最小水頭11.48m，最大水頭27.7m。引水系統(tǒng)采用單機單管，發(fā)電裝機容量4×150MW，屬于大型軸流轉槳式雙調機組。引水系統(tǒng)采用單機單管，水輪機為軸流轉槳式。調速器采用南瑞水電公司研制的SWT-2000H型調速系統(tǒng)?？刂破饔蓛商譖CC（可編程計算機控制器）冗余配置構成，通過ZEN元件實現(xiàn)仲裁切換。液壓控制部分核心部件分別為GE-20000型（導葉主配）和GE-5000型（槳葉主配），接力器行程反饋采用ASM磁致伸縮式直線位移傳感器作為電流反饋單元。調速器功率模式傳遞函數(shù)原理框圖見圖1所示。

圖1 調速器功率模式傳遞函數(shù)框圖Fig.1 Transfer function of governor in power mode

眾所周知，功率模式試驗是建立在開度模式試驗完成的基礎上開展的。故與其重復相關基礎試驗項目（靜特性試驗、空載擾動試驗、甩負荷試驗、接力器關閉及開啟特性等）不再贅述。僅功率模式特殊之處進行詳細闡述。

2 試驗準備工作

根據(jù)桐子林水電站調速器建模參數(shù)測試的實際要求，硬件上，調速系統(tǒng)應配有相應的輸入和輸出通道，具備一定的硬件功能配置。軟件上，預留該試驗要求的各種中間量的輸出，并保證該輸出信號滿足試驗儀器的要求。試驗所需儀器見表1所列，試驗需要測點見表2所列。

表1 調速系統(tǒng)建模試驗儀器Tab.1 Instruments required in hydro governor system modeling experiment

表2 調速系統(tǒng)參數(shù)測試測點表Tab.2 Observation points in parameter testing of hydro governor system

2.1 功率模式投退功能校核

桐子林水電站監(jiān)控和調速器均可以單獨實現(xiàn)功率模式功能的投退功能。模擬發(fā)電并網(wǎng)，開度開至50%，并完成對功率采樣的定位（最小采樣、最大采樣定位）。將電柜上“遠方/現(xiàn)地”把手切為“遠方”模式，控制模式把手切至“功率閉環(huán)”位，觀察并記錄電柜觸摸屏上“開關量”監(jiān)視界面“功率閉環(huán)投入”顯示正確和繼電器動作正確，功率閉環(huán)投入信號上送監(jiān)控。另外監(jiān)控方面投入退出，檢測投退動作是否正?！，F(xiàn)地同樣操作驗證投退邏輯正確性。關于功率模式投退需要說明的是，該電站設計為把手在遠方，則監(jiān)控投退命令下發(fā)后可以執(zhí)行，現(xiàn)地投退不起作用。把手切現(xiàn)地，則只有盤柜把手可以投退，屏蔽監(jiān)控投退命令下發(fā)。

2.2 模擬量校驗

功率模式下的功率給定是以模擬量的形式下發(fā)，所以在動態(tài)試驗前，靜態(tài)下要完成該數(shù)值的準確性校驗。模擬調速器發(fā)電態(tài)，在功率閉環(huán)投入情況下，用模擬量發(fā)生器下發(fā)有功給定、功率反饋。在調速器上觀察并記錄輸入值和觸摸屏上“功率給定”“功率反饋”顯示值對應關系是否符合要求。功率給定測試記錄數(shù)據(jù)見表3，電流值和功率基本是線性對應關系。

表3 功率給定下發(fā)值與接收值對比Tab.3 Comparison of power given analog value sending and received

3 試驗內(nèi)容

功率模式下模型參數(shù)測試試驗內(nèi)容分為靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗兩個部分。

3.1 靜態(tài)模擬試驗

本試驗的“靜態(tài)”指導葉可以自由活動，但機組未啟動確保不轉動，處于靜止狀態(tài)，調速器液壓系統(tǒng)調試合格后的狀態(tài)，導葉能在全開、全關范圍內(nèi)正常動作。

3.1.1 調速控制器頻率環(huán)節(jié)PID調節(jié)特性測試

在調速器外部接線端子處短接“并網(wǎng)斷路器位置信號”，模擬調速器發(fā)電態(tài)。主接力器行程穩(wěn)定在50%開度左右。頻率環(huán)節(jié)參數(shù)一般有五個參數(shù)需要校驗比例增益KP，積分增益KI，微分增益KD，頻率死區(qū)和調差率 ep。

PID參數(shù)測試方法及步驟：頻率死區(qū)置0Hz，ep=0%，頻率初始給定為50Hz。①試驗采取分環(huán)節(jié)時域測量方法，比例環(huán)節(jié)測量時，修改PLC程序將微分、積分環(huán)節(jié)退出，進行不同比例倍數(shù)下的階躍試驗；微分測量時，修改PLC程序將比例、積分環(huán)節(jié)退出，進行不同微分系數(shù)下的階躍試驗；積分測量時，修改PLC程序將比例、微分環(huán)節(jié)退出，進行不同積分系數(shù)下的階躍試驗。②測試步驟，在分環(huán)節(jié)時域測量過程中通過改變輸入調速器的頻率信號進行階躍擾動（頻率擾動量分別為±0.1Hz、±0.2Hz、±0.25Hz），由波形記錄儀錄取頻率擾動前后主環(huán)PID控制輸出信號變化過程曲線。在測試積分環(huán)節(jié)時注意需要將積分限幅放開，以免影響積分環(huán)節(jié)的后續(xù)校驗計算。

頻率死區(qū)校驗方法：將人工死區(qū)通過設置窗置為0.04Hz，頻率初始給定為50Hz。PID參數(shù)正常寫入。通過頻率發(fā)生器逐步加頻或減頻，觀察在50Hz±0.04Hz左右記錄一次調頻動作信號報出、Ypid輸出電壓和導葉反饋實際動作值時頻率值。

調差系數(shù)ep校驗方法：頻率給定50Hz不變化，死區(qū)置為0.04Hz，比例增益置為1，積分和微分置為0，ep置為10%，功率給定與功率反饋通過模擬量發(fā)生器發(fā)出80%功率值。通過改變功率反饋值使其偏差10%，由波形記錄儀錄功率反饋變化前后過程曲線。根據(jù)Ypid輸出電壓值反推分析ep是否正確。

3.1.2 功率模式相關參數(shù)校驗

鑒于功率模式特殊性，仍需要校驗功率限制，功率死區(qū)、前饋系數(shù)，增速限制和積分疊加功能。

功率限制校驗方法：頻率給定50Hz不變化，死區(qū)置為0.04Hz，比例增益置為1，積分和微分置為0。將功率限制設置為10%，功率死區(qū)置為0%。功率給定和功率反饋模擬發(fā)生器輸入80%功率值對應電流。分別改變功率反饋輸出值使兩者偏差分別為±9%、±10%、±11%，通過錄波曲線分析Ypid電壓輸出校驗功率限制值是否準確。

功率死區(qū)校驗方法：將功率死區(qū)置為1%，功率限制設置為10%，頻率初始給定為50Hz。頻率死區(qū)置為0.04Hz，比例增益置為1，積分和微分置為0。使功率給定與反饋兩者偏差分別為±0.9%、±1%、±1.1%，通過錄波曲線分析Ypid電壓輸出校驗功率死區(qū)值是否準確。

前饋系數(shù)的校驗方法：修改程序使前饋通路上增速限制和積分疊加功能不起作用，使功率給定值直接乘以前饋系數(shù)KP2成為Pgv輸出。將前饋系數(shù)設置為0.5，功率給定設為80%功率值，通過錄波曲線分析Pgv電壓輸出校驗前饋系數(shù)值是否準確。

增速限制和積分疊加功能校驗方法：此功能實現(xiàn)的效果即將功率給定通過一可調斜率形式變化實現(xiàn)平穩(wěn)輸出，而非階躍給定。通過修改增速限制值可以改變從當前功率給定到下一功率給定之間變化的斜率。將前饋系數(shù)設為0.5，功率給定變化10%，觀察當前增速限制（5%/s）下的功率給定。再次改變增速限制值（3%/s），測試其限制斜率。

3.1.3 靜態(tài)模擬功率擾動試驗

模擬發(fā)電，在功率閉環(huán)投入的情況，將導葉手動開啟到50%左右。在“功率閉環(huán)設置窗”輸入預置PID相關參數(shù)，用調速器仿真設備模擬監(jiān)控下發(fā)功率給定值，用功率反饋模擬器模擬功率反饋。在此基礎上，進行功率擾動，觀察調節(jié)過程和趨勢，是否滿足要求，見圖2。

試驗結果：無論大功率擾動還是小功率擾動，速度性、穩(wěn)定性和超調量都滿足要求。但由于靜態(tài)下的功率反饋是模擬出來的，其并沒有反映出實際有功的慣性和特點，靜態(tài)下的速度性指標不具備太大意義。所以，靜態(tài)下無法真實體現(xiàn)調整效果，需并網(wǎng)下進一步功率擾動試驗驗證。

3.2 動態(tài)試驗

本方案的“動態(tài)”是指機組并網(wǎng)帶負荷運行的發(fā)電狀態(tài)，且機組一次調頻調試合格，一次調頻能正常投入運行。一次調頻PID參數(shù)設置為一次調頻試驗整定值，人工頻率死區(qū)按一次調頻要求設置。

圖2 靜態(tài)下模擬功率擾動試驗波形Fig.2 Power disturbance test recording wave at static state

3.2.1 導葉槳葉階躍試驗

試驗目的：為獲取執(zhí)行機構動態(tài)下開關的動作曲線，校核模型參數(shù)。試驗條件：機組帶80%以上額定出力，一次調頻功能投入。采用頻率階躍方式改變導葉給定值的辦法，進行導葉階躍擾動試驗，階躍量分別為±2%、±5%。導葉切手動，依據(jù)協(xié)聯(lián)曲線，通過改變?nèi)斯に^的方式，實現(xiàn)槳葉階躍試驗；這種方式進行槳葉階躍，實際上是破壞協(xié)聯(lián)關系，對機組不利，該試驗要求本身意義不大，所以不太推薦發(fā)電下做槳葉階躍試驗。

3.2.2 功率模式下頻率擾動試驗

試驗目的：獲取不同頻率擾動下的導葉開度變化和有功功率變化曲線、調速器的動態(tài)響應時間。試驗條件：機組并網(wǎng)帶80%額定負荷，機組一次調頻投入，調速器以功率模式現(xiàn)地方式運行。試驗方法及步驟：由頻率發(fā)生器給調速器提供50Hz的機頻輸入信號，之后在此頻率基礎上施加正（或負） 的階躍頻率偏差信號（ 頻率擾動量分別為±0.1Hz、±0.2Hz、±0.25Hz），并進行逐一錄波。取向下擾動0.2Hz波形見圖3。

3.2.3 功率模式下一次調頻與AGC配合試驗

一次調頻屬于有差調節(jié)，超出死區(qū)后，只根據(jù)頻率的變化來響應。AGC則是跟蹤負荷曲線，當負荷波動超出死區(qū)，會相應進行調節(jié)。實際操作時可能出現(xiàn)AGC調節(jié)方向與一次調頻動作相反的情況。根據(jù)電網(wǎng)要求，一次調頻優(yōu)先級高于AGC，一次調頻動作后導葉開度不應被AGC下發(fā)值拉回。最終作用于導葉動作理想效果應是兩者疊加。通過試驗驗證功率模式下一次調頻與AGC配合動作的正確性。機組穩(wěn)定運行于80%額定出力，調速器投入功率閉環(huán)模式運行，“一次調頻功能”投入運行。將KP、KI、KD分別設為4、2、1，功率死區(qū)設為0.7%，前饋系數(shù)設為0.2。

圖3 頻率向下擾動0.2Hz前后錄波圖形Fig.3 Recording wave before and after frequency disturbance down 0.2Hz

圖4 一次調頻與AGC配合關系錄波圖形Fig.4 Cooperative relationship recording of primary frequency control and AGC

試驗過程：首先，將負荷穩(wěn)定在100MW附近。上擾0.15Hz，導葉關4%開度，功率也減少10MW左右。此時AGC下發(fā)120MW，負荷并未直接調整到位，而是疊加上一次調頻動作量，負荷達到110MW左右。直至頻率恢復正常，才會調整至AGC下發(fā)值120MW。同樣，改變兩者動作順序，先AGC下發(fā)功率值，再觸發(fā)一次調頻動作，錄波結果也是兩者疊加關系。試驗結果：一次調頻和AGC配合關系正確，響應迅速，超調量小，穩(wěn)定性高。錄波如圖4所示。

4 結束語

水輪機現(xiàn)場建模試驗數(shù)據(jù)收集有利于電力系統(tǒng)建立模型分析，業(yè)內(nèi)水輪發(fā)電機開度模式下建模試驗已經(jīng)基本規(guī)范化。由于功率模式有調整品質更優(yōu)，負荷變化平穩(wěn)，超出死區(qū)后快速調節(jié)等優(yōu)點；越來越多的電廠開始選用功率模式作為主用方式。但是關于功率模式下現(xiàn)場試驗及建模分析工作開展較少，希望此文能夠對功率模式下的參數(shù)辨識試驗有一定參考借鑒作用。

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2017-05-10

2017-07-05

秦曉峰（1988—），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：水電廠水輪機調速器調試技術研究。E-mail：qinxiaofeng@sgepri.sgcc.com.cn

楊季松（1984—），男，本科，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能水電站機組運行、檢修技術和管理。E-mail：365488198@qq.com

Primary Exploration to Test Method of Model Experiment’s Parameters in Hydro Turbine Governor Power Mode

QIN Xiaofeng1，YANG Jisong2，XU Dong1，JIN Guangyong1，QIAN Feng1
（1.Nanjing NARI Group Corporation，Nanjing 211106，China；2.China Southern Power Grid Peak Load and Frequency Regulation Power Plant，Guangzhou 510630，China）

According to the transfer function model of Tong Zilin power plant hydro governor power mode，we study on the test method and condition of model experiment’s parameters in hydro turbine governor power mode in this paper.Combined with the actual test，It has provided reference to normalize the test method of model experiment’s parameters in hydro turbine governor power mode for the later test through analysis and summarizing on the test process.

Hydro turbine governor; Power mode;Parameter testing

TV734.4

A學科代碼：570.35

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.015