王斌，畢智偉，陳智軍，付亮，譚新奇

(1.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410004；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

0 引言

廠用電在水電廠中的作用十分重大,汛期雷暴天氣多發(fā),因雷擊導(dǎo)致全廠停電時(shí)若備用電源(柴油發(fā)電機(jī)等)故障或操作不及時(shí)很有可能導(dǎo)致水淹廠房或漫壩的風(fēng)險(xiǎn)。某水電廠自投產(chǎn)以來,輸電線路因雷擊導(dǎo)致跳閘的情況時(shí)有發(fā)生,勵(lì)磁系統(tǒng)升級(jí)改造后增加V/Hz限制保護(hù)功能,經(jīng)常發(fā)生甩負(fù)荷后低頻保護(hù)動(dòng)作機(jī)組停機(jī)事故,造成過頻保廠用電失敗[1-3]。尤其在 “無人值班,少人值守”的情況下一但發(fā)生線路跳閘,機(jī)組全停后廠用電消失,人員難以保證在短時(shí)間內(nèi)處理防汛、發(fā)電、恢復(fù)送電等緊急事件。為深入研究甩負(fù)荷保廠用電控制措施,對(duì)某水電廠保護(hù)投入前的實(shí)測(cè)機(jī)組及調(diào)速器在甩負(fù)荷下的動(dòng)作特性進(jìn)行分析[4-5],研究甩負(fù)荷保廠用電約束條件與控制策略,開展相應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),優(yōu)化控制邏輯,解決該水電廠甩負(fù)荷保廠用電的主要問題[6-8]。

1 歷史甩負(fù)荷數(shù)據(jù)分析

在勵(lì)磁系統(tǒng)改造前,6號(hào)機(jī)組甩10 MW負(fù)荷過程中出現(xiàn)44.2 Hz,如果此時(shí)投入V/Hz限制[9]保護(hù)動(dòng)作,當(dāng)頻率值低于45 Hz時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)將逆變滅磁,不能滿足甩負(fù)荷后滅磁開關(guān)不跳、維持空載運(yùn)行的要求。

通過對(duì)電廠6號(hào)機(jī)組相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)影響機(jī)組低頻保護(hù)動(dòng)作的原因主要有[10]:

1)導(dǎo)葉開啟時(shí)間較長(zhǎng)。機(jī)組正常開機(jī)過程中導(dǎo)葉開至第一空載開度為一段開機(jī)速度[11](導(dǎo)葉開啟速度為3.5%/s),導(dǎo)葉開度從0～28%用時(shí)8 s,開機(jī)時(shí)間過長(zhǎng)將導(dǎo)致機(jī)組在甩負(fù)荷后頻率出現(xiàn)快速降低的情況。

2)調(diào)速器空載參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致頻率下降較快[12]。機(jī)組甩10 MW負(fù)荷,甩負(fù)荷前導(dǎo)葉開度為68%,導(dǎo)葉從68%關(guān)至拐點(diǎn)57%用時(shí)0.8 s(快關(guān)速度為13.75%/s),從57%關(guān)至0用時(shí)16.6 s(慢關(guān)速度為3.43%/s,其中最高轉(zhuǎn)速發(fā)生在開度為34%時(shí),最高頻率66.255 Hz)；導(dǎo)葉在機(jī)組頻率下降至 49.3 Hz時(shí)導(dǎo)葉開啟 (開啟速度為3.42%/s),機(jī)組最低頻率44.2 Hz發(fā)生在導(dǎo)葉開啟過程中 (導(dǎo)葉開度為15%),導(dǎo)葉在達(dá)到25%開限時(shí)頻率為44.9 Hz,8 s后機(jī)組達(dá)到額定頻率。

通過以上數(shù)據(jù)分析,首先該混流式機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為340 t·m2,甩負(fù)荷后由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小,加之開機(jī)時(shí)間過長(zhǎng),將出現(xiàn)甩負(fù)荷后機(jī)組頻率下降較快而上升較慢的現(xiàn)象；其次甩負(fù)荷后機(jī)組頻率降至49.3 Hz時(shí)導(dǎo)葉才開啟,這直接影響頻率最低值。最終確認(rèn)優(yōu)化方案為加快開機(jī)速度和提前導(dǎo)葉開啟時(shí)間。

2 AGC控制策略優(yōu)化

2.1 關(guān)機(jī)時(shí)間校核

導(dǎo)葉關(guān)閉采用分段關(guān)閉[13],在緊急停機(jī)動(dòng)作情況下,導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間為21.09 s,其中第一段為2.86 s,拐點(diǎn)為57.8%,第二段為18.23 s。滿足該電廠調(diào)保計(jì)算說明書關(guān)于關(guān)機(jī)時(shí)間設(shè)定的要求。

2.2 開機(jī)邏輯優(yōu)化

該機(jī)組調(diào)速器由插裝閥和比例閥協(xié)調(diào)配合控制導(dǎo)葉開啟和關(guān)閉[14-15]。其中插裝閥過流量較大,可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉快速動(dòng)作,在大開度調(diào)節(jié)過程中可快速達(dá)到目標(biāo)值要求,比例閥開機(jī)速度較慢 (手動(dòng)動(dòng)作比例閥開導(dǎo)葉速度為4.56%/s)。原開機(jī)規(guī)律為比例閥單獨(dú)動(dòng)作,由于比例閥流量限制,開機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)；為了達(dá)到快速平穩(wěn)開機(jī)的目的,現(xiàn)場(chǎng)決定采用兩段式開機(jī)規(guī)律:即在導(dǎo)葉開啟初期插裝閥和比例閥同時(shí)動(dòng)作,在開度到達(dá)一定值時(shí)采用比例閥進(jìn)行微調(diào),這樣的開機(jī)規(guī)律既滿足了快速開機(jī)的要求,又保證了機(jī)組穩(wěn)定性和安全性。

對(duì)優(yōu)化后的規(guī)律進(jìn)行測(cè)試:模擬調(diào)速器開機(jī)令,導(dǎo)葉正常開至啟動(dòng)開度。最終對(duì)導(dǎo)葉開機(jī)過程速度進(jìn)行調(diào)整,其中第一段速度調(diào)整為5.80%/s,第二段為3.44%/s,開機(jī)時(shí)間為5 s,比優(yōu)化前提高了3 s。

2.3 甩負(fù)荷過程中的導(dǎo)葉開啟時(shí)間優(yōu)化

在甩負(fù)荷后機(jī)組頻率降至49.3 Hz時(shí)導(dǎo)葉才開啟,頻率降低過快至V/Hz限制保護(hù)動(dòng)作值時(shí)將啟動(dòng)停機(jī)流程。為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,對(duì)微分參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,使偏差信號(hào)值變得太大之前引入一個(gè)早期修正信號(hào),從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,減小調(diào)節(jié)時(shí)間,避免機(jī)組頻率快速降低。現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過多次模擬仿真試驗(yàn),最終確定將調(diào)速器空載參數(shù)微分項(xiàng)由2調(diào)整至5。

在模擬機(jī)組并網(wǎng)狀態(tài)下,斷開斷路器合閘信號(hào),導(dǎo)葉能迅速關(guān)閉至空載開度以下；同時(shí)模擬頻率下降過程,導(dǎo)葉在模擬機(jī)頻以2 Hz/s速度下降至54 Hz時(shí)導(dǎo)葉再次開啟 (導(dǎo)葉開啟時(shí)間提前),導(dǎo)葉開啟速度先快后慢,模擬甩負(fù)荷過程正常。此時(shí)能夠滿足甩負(fù)荷后不停機(jī)要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

電氣過速動(dòng)作值設(shè)計(jì)為155%額定轉(zhuǎn)速,機(jī)械過速動(dòng)作值為160%額定轉(zhuǎn)速。但機(jī)組機(jī)械過速裝置整定值為150%額定轉(zhuǎn)速,決定將電氣過速動(dòng)作值設(shè)定為150%額定轉(zhuǎn)速?？紤]甩額定負(fù)荷機(jī)組可能出現(xiàn)電氣過速或機(jī)械過速動(dòng)作事故停機(jī),決定進(jìn)行11 MW甩負(fù)荷試驗(yàn)驗(yàn)證調(diào)整后的邏輯是否滿足要求。

甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí),上游水位為249.25 m,下游水位為196.37 m,水頭為52.88 m,蝸殼測(cè)點(diǎn)高程為197.1 m,尾水管測(cè)點(diǎn)高程為190.4 m,水輪機(jī)安裝高程為192.8 m。

甩11 MW負(fù)荷時(shí),甩負(fù)荷前導(dǎo)葉開度為66.67%；甩負(fù)荷過程中機(jī)組頻率最大值為70.045 Hz,頻率上升率為40.090%,導(dǎo)葉在機(jī)組頻率下降至50.41 Hz時(shí)導(dǎo)葉開啟,最小頻率為47.494 Hz。甩負(fù)荷蝸殼進(jìn)口水壓值為486.704 kPa,甩負(fù)荷過程中蝸殼進(jìn)口水壓最大值為570.103 kPa。甩負(fù)荷前尾水管進(jìn)口水壓值為46.608 kPa,甩負(fù)荷過程中尾水管進(jìn)口水壓升高至82.083 kPa,試驗(yàn)曲線如圖1所示。甩負(fù)荷過程頻率最低值未達(dá)到V/Hz限制保護(hù)動(dòng)作值45 Hz,水壓及轉(zhuǎn)速滿足相關(guān)要求。

圖1 甩11 MW負(fù)荷曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)該廠甩負(fù)荷保廠用電的策略優(yōu)化研究,采取調(diào)整開機(jī)規(guī)律和提前開啟導(dǎo)葉開啟相結(jié)合的方法,解決了甩負(fù)荷后緊急事故停機(jī)的問題,確保了電網(wǎng)大面積停電及水電廠機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)迅速、有序的處理以及快速恢復(fù)廠用電,并可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)送電,最大程度降低電網(wǎng)停電造成的損失。

現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械過速和電氣過速整定值為150%額定轉(zhuǎn)速,低于調(diào)保計(jì)算轉(zhuǎn)速要求,建議按照設(shè)計(jì)值對(duì)機(jī)械過速和電氣過速值重新進(jìn)行整定。在整定完成后進(jìn)行甩額定負(fù)荷試驗(yàn),驗(yàn)證機(jī)組甩負(fù)荷過渡過程是否滿足調(diào)保計(jì)算要求,以保障機(jī)組的安全運(yùn)行。

建議電廠制定異常甩負(fù)荷后機(jī)組帶廠用電的應(yīng)急處置方案并進(jìn)行演練,確保事故發(fā)生時(shí)能快速響應(yīng)。