丁占濤，蔡衛(wèi)江，趙文利，蔣定章，趙 勇

［1．國家能源集團新疆開都河流域水電開發(fā)有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒市 241082；2．南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學研究院） 江蘇省南京市 211106］

0 引言

隨著我國電力技術向智能化、信息化方向發(fā)展，智能變電站已成為電網(wǎng)建設的常規(guī)配置，智能水電廠的建設發(fā)展也方興未艾。為了適應智能水電廠的發(fā)展，水輪機調速器也需要在硬件及軟件上滿足智能化發(fā)展要求。電力行業(yè)標準DL/T 1547《智能水電廠技術導則》以及DL/T 860.7410《電力自動化通信網(wǎng)絡和系統(tǒng) 第7-410 部分：基本通信結構 水力發(fā)電廠監(jiān)視與控制用通信》等規(guī)定了智能水輪機調速器的通信接口及標準協(xié)議，以及通信建模要求。文獻[1]從智能水輪機調速器的基本架構和硬件配置方面進行了討論；文獻[2]從智能水輪機調速器的網(wǎng)絡通信和數(shù)據(jù)建模等方面進行了研究；文獻[3]從智能水輪機調速器的具體設計方面進行了討論；文獻[4]從智能水輪機調速器的軟件功能等方面進行了探討，主要討論了智能調速器的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷等功能。

目前這些研究主要從水輪機調速器的整體架構、通信接口、硬件配置、軟件功能開發(fā)等方面進行了探討，對智能水輪機調速器的調節(jié)與控制方面均未涉及。但目前水電廠水輪機調節(jié)方面普遍存在一次調頻積分電量考核不達標[5]、調速器一次調頻與電廠自動發(fā)電控制系統(tǒng)（AGC）存在沖突[6]、調速器功率模式存在水頭變化后調節(jié)參數(shù)難以適應、功率調節(jié)波動等問題[7]。迫切需要智能水電廠調速系統(tǒng)硬件及通信網(wǎng)絡升級后，調節(jié)和控制策略能進一步提高，具有更強的智能調節(jié)控制、參數(shù)自適應和源網(wǎng)協(xié)調能力，滿足電網(wǎng)日益嚴格的頻率和功率控制要求。

1 功率調節(jié)及比較

水電站調速器是控制和調節(jié)水輪發(fā)電機組有功和頻率的核心設備，承擔機組開機、停機、并網(wǎng)、負荷調整、一次調頻等重要任務。就機組功率調節(jié)而言，目前調速器功率調節(jié)一般采用兩種方式：一是開度模式，如圖1 所示；二是功率模式，如圖2 所示。

圖1 調速器開度模式下的機組有功調節(jié)示意圖Figure 1 Schematic diagram of unit active power regulation at governor opening mode

圖2 調速器功率模式下的機組有功調節(jié)示意圖Figure 2 Schematic diagram of unit active power regulation at governor power mode

調速器開度模式下，機組有功調節(jié)主要靠水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)完成，機組有功功率反饋到監(jiān)控現(xiàn)地控制單元（LCU），LCU 接收調度AGC 分配有功給定指令，計算功率給定和反饋的差值，再經(jīng)過一個比例和積分環(huán)節(jié)，換算成相應的脈沖增減指令，發(fā)送給調速器進行開度調節(jié)。調速器主要實時監(jiān)測電網(wǎng)頻率和50Hz 給定值的偏差，經(jīng)過人工頻率死區(qū)，再通過PID 調節(jié)模塊以及調差反饋環(huán)節(jié)，加上和水頭協(xié)聯(lián)的空載開度，以及LCU 傳遞的開度增減指令，最終計算出開度給定，進行開度調整，從而調節(jié)機組功率到目標值。

調速器功率模式下，機組有功調節(jié)主要靠調速系統(tǒng)完成，首先，LCU 接收監(jiān)控系統(tǒng)AGC 分配有功給定指令，轉換成4 ～20mA 模擬量（也有通過數(shù)字通信方式），直接發(fā)送給調速器，有功反饋也傳遞到調速器，調速器自行比較有功給定和反饋的偏差，經(jīng)過功率死區(qū)，調差環(huán)節(jié)，再和頻率偏差進行疊加，疊加后的偏差再經(jīng)過PID 調節(jié)模塊，加上空載開度，最終計算出開度給定，通過開度調整，調節(jié)機組功率到目標值。

上述兩種調節(jié)方式各有優(yōu)缺點，開度模式下，導葉呈階梯狀動作，相對速率較平緩，穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)定性較好，但功率調節(jié)時間較長，精度稍差，約在1%范圍內(nèi)，且存在一次調頻與AGC 調節(jié)互相影響問題，需要協(xié)調好。由于采用頻差轉化為開度的方式，水頭變化時，一次調頻動作有功功率會不一致，影響積分電量考核。功率模式下，導葉動作連續(xù)，調節(jié)速率較快，精度較高，可達0.5%，調速器自身可以協(xié)調一次調頻與AGC 調節(jié)指令的關系，且采用頻差轉化為功率的方式，有功功率變化不受水頭變化影響。但功率模式下主要存在調節(jié)參數(shù)難以選擇問題：由于導葉開度和功率存在較大非線性，在機組不同負荷點，同樣的開度變化導致的功率變化差異很大；其次受水頭影響較大，水頭變化時，同樣會造成開度與功率之間較大差異。因此，功率調節(jié)參數(shù)需要適應不同水頭、不同負荷點的調節(jié)，參數(shù)不宜太大，但要適應一次調頻考核要求，還需要較大的參數(shù)，參數(shù)難以適應多種情況。部分電站采用多組參數(shù)來適應不同水頭下的功率調節(jié)，但由于水頭不能隨意改變，造成調節(jié)參數(shù)難以通過真機試驗來獲得，只能通過經(jīng)驗設置，實際應用效果并不理想[8]。

2 功率調節(jié)優(yōu)化

在此，結合兩種調節(jié)方式優(yōu)缺點，本文提出一種改進型的功率調節(jié)模式，同樣在調速器功率模式下，調速器接收監(jiān)控系統(tǒng)的功率定值，采集當前機組工作水頭，依據(jù)水輪機運轉特性曲線換算出來的水頭/功率/開度關系曲線，計算出當前的導葉開度，按照開度模式進行粗調，當功率給定和反饋接近目標值時，再啟動功率PI 調節(jié)，按照功率模式進行微調。早期，有國外產(chǎn)品曾經(jīng)用過類似方法，但主要采用將功率調節(jié)按水頭/功率/開度關系曲線轉化為開度調節(jié)方式，這種功率調節(jié)，嚴重依賴水頭測值及水輪機運轉特性曲線的正確性，難以調節(jié)精確，雅礱江二灘電廠、三峽電廠國外調速器均采用過此模式，后來改造已不再采用。本方式則在此基礎上，增加了功率PI 微調，一次調頻優(yōu)化、水錘效應抑制等環(huán)節(jié)，對調節(jié)參數(shù)不再敏感，大大提高了功率調節(jié)對水頭/負荷點變化的適應能力和調節(jié)精度，對一次調頻的性能也進一步提升。詳細調節(jié)方式如圖3 所示。

圖3 調速器新型功率調節(jié)優(yōu)化示意圖Figure 3 Schematic diagram of new power regulation optimization of governor

從圖3 中可以看出，調速器的功率調節(jié)主要分三部分，一是依據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)AGC 算出的功率定值PG1，以及水輪機工作水頭Hy，按照水輪機運轉特性曲線得出的水頭/功率/開度關系曲線，查表得出水輪機導葉開度Gv1；二是一次調頻動作產(chǎn)生的功率調整量?P1，這是當電網(wǎng)頻率超出人工頻率死區(qū)時，按照調差系數(shù)換算出的功率調整量，一部分疊加到監(jiān)控功率給定上，通過查表得到部分開度變化量，另一部分作用于功率PI 調節(jié)，產(chǎn)生功率變化；三是監(jiān)控功率給定PG1與功率反饋Pf比較后產(chǎn)生的功率偏差，經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)和死區(qū)環(huán)節(jié)后，作用于功率PI 調節(jié)產(chǎn)生的導葉開度調整量，PI 調節(jié)參數(shù)一般較?。楸ＷC穩(wěn)定性）。這三部分產(chǎn)生的導葉動作量疊加后得到導葉開度給定Gv，從而作用于液壓執(zhí)行機構，調整機組功率到目標值。

可見，當功率調整量較大時，第一部分導葉開度Gv1起到主要作用，由于查表速度很快，導葉目標開度基本很快就可以確定。后面的功率PI 調節(jié)由于有偏差限幅及PI 參數(shù)較小，一般在后期起到微調作用。第二部分主要是一次調頻動作引起的，與功率閉環(huán)調節(jié)產(chǎn)生的調節(jié)量進行疊加，兩者互不影響。與傳統(tǒng)的功率調節(jié)比較，新型功率調節(jié)具有調節(jié)速度快，調節(jié)穩(wěn)定，對水頭/功率/開度關系曲線不需要十分準確（主要起到粗調作用即可），對PI 調節(jié)參數(shù)不敏感，能夠自動適應不同水頭及負荷點變化，能夠自動協(xié)調監(jiān)控系統(tǒng)AGC 調節(jié)指令和一次調頻動作值。

3 一次調頻策略優(yōu)化

圖1 所示的開度模式下，其一次調頻和AGC 調節(jié)分別由調速器和監(jiān)控分開調節(jié)，存在兩者沖突問題，需要配合協(xié)調。且開度模式下僅考慮頻差和開度關系，沒有考慮功率和水頭相關性，難以保證積分電量滿足考核要求。圖2 所示的功率模式，雖然克服了開度模式下存在的與AGC 協(xié)調問題，以及水頭對功率動作量的影響。但存在水頭變化、負荷點變化功率調節(jié)參數(shù)難以選擇，一次調頻考核和調節(jié)穩(wěn)定性難以兼顧的問題。圖3 所示的新型功率調節(jié)模式結合了兩者的優(yōu)點，特點如下：

（1）從圖2 可以看出，常規(guī)一次調頻方式都是將超過頻率死區(qū)后的頻率偏差，經(jīng)過PID 調節(jié)后產(chǎn)生相應功率變化，功率變化再通過調差系數(shù)Ep負反饋到頻差環(huán)節(jié)，兩者中和后，調節(jié)才能完成，動作路徑較長，速度較慢。優(yōu)化后的一次調頻策略（見圖3），直接將一次調頻產(chǎn)生的頻率偏差乘以調差系數(shù)Ep的倒數(shù)，轉換成功率給定一部分，通過查表和PI 調節(jié)，可以快速調節(jié)有功到目標值，調節(jié)速度較快。

（2）一次調頻小頻差情況下，功率變化較小，受功率死區(qū)影響較大，為此新型功率調節(jié)將一次調頻產(chǎn)生的功率調整量越過死區(qū)，直接作用于PI 調節(jié)，可以有效提高小頻差下一次調頻積分電量。

（3）新型調節(jié)模式一次調頻初始動作量主要靠查表獲得，與調節(jié)參數(shù)無關，后期依靠較小的PI 參數(shù)進行精確調節(jié)，有效克服不同水頭、不同負荷點的影響，有效兼顧一次調頻考核要求快速響應，負荷調節(jié)要求穩(wěn)定、準確的要求。

4 水錘引起的功率反調抑制

水錘效應主要指穩(wěn)態(tài)情況下，一次調頻動作，導葉開啟（或關閉）瞬間，由于水流慣性影響，流量來不及馬上增加（或減?。畨核查g下降（或上升），造成水輪機出力瞬時下降（或上升），待流量逐漸增加（或減少），機組出力才開始上升（或下降）。由于導葉啟動瞬間，機組出力成反向變化，反而造成一次調頻相應時間滯后、功率反調，短時積分電量為負等影響，水流慣性時間常數(shù)越大，反調越明顯，針對這種情況，必須采取一定的抑制措施，最有效的就是采用“柔性”導葉啟動規(guī)律。一般導葉關閉（或開啟）速度越快，功率反調越明顯，因此減緩導葉啟動速度，對功率反調峰值抑制有一定作用，但導葉關閉速度過慢，會影響一次調頻響應時間（DL/T 1245《水輪機調節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術導則》規(guī)定，一般不超過4s），以及負荷調整時間，為此采用如圖4 所示控制策略。

圖4 導葉分段柔性控制邏輯圖Figure 4 Logic diagram of governor guide vane segment flexible control

從圖4 中可以看出，正常功率調節(jié)或大于0.05Hz 的一次調頻動作瞬間，導葉開度給定和開度反饋一般大于2.5%，此時啟動導葉慢速率限制，限制導葉開度變化不超過設定的速率，抑制水錘效應造成的功率反調。為了不影響反應時間，延時2 ～3s，再退出速率限制，導葉按正常速度調節(jié)。導葉的限制速率可以在界面上設置，以滿足不同電站水流慣性時間常數(shù)的影響。

5 現(xiàn)場應用及實踐

上述一次調頻及功率調節(jié)優(yōu)化策略已經(jīng)在新疆開都河流域柳樹溝水電站進行了實踐應用，柳樹溝水電站單機容量90MW，裝機容量2 臺，混流式水輪機，額定水頭84m，調速器采用微機控制器配合比例伺服閥及主配壓閥形式，主配壓閥通徑100mm。試驗在柳樹溝2 號機組開展，時間為2021年1 月，詳細情況如下。

5.1 功率調節(jié)試驗

圖5 為柳樹溝現(xiàn)場功率階躍試驗，調速器采用新型功率控制模式，功率從83MW →88MW →90MW →70MW →50MW 分別進行4 次不同大小及方向的階躍擾動，調節(jié)參數(shù)為：比例KP=1.0，積分KI=0.5，微分KD=0。圖5 分別記錄了功率給定、功率反饋和導葉開度變化情況，詳細數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

本試驗主要考核大小負荷調節(jié)、增減負荷調節(jié)組合情況。不同方向變化負荷，不同大小負荷階躍試驗來看，新型功率閉環(huán)響應迅速，調節(jié)時間滿足要求，穩(wěn)定性較好，PID 調節(jié)參數(shù)適應范圍寬，負荷調節(jié)速度均大于0.9MW/s，滿足西北電網(wǎng)兩個細則考核要求（不小于0.75MW/s），導葉初次動作反調功率小于1.0MW，在合理范圍內(nèi)。

5.2 一次調頻試驗

圖6 為柳樹溝現(xiàn)場一次調頻試驗，調節(jié)參數(shù)為：比例KP=1.0，積分KI=0.5，微分KD=0，調差系數(shù)Ep=0.03，頻率死區(qū)為0.5Hz，水頭為84m。試驗結果分析見表2。

圖6 柳樹溝2 號機組一次調頻±0．15Hz 階躍試驗錄波Figure 6 Step test recording of primary frequency regulation ± 0．15Hz for Liushugou unit 2

從圖6 試驗波形可以看出，80MW 功率下機組頻率從50Hz →49.85Hz →50Hz 階躍擾動，調速器一次調頻動作迅速，調節(jié)正常，功率實際動作值均達到理論值95%以上，一次調頻響應時間、上升時間、調節(jié)時間均滿足DL/T 1245 相關要求，功率反調均小于0.8MW。

5.3 試驗小結

從柳樹溝功率閉環(huán)調節(jié)和一次調頻試驗情況來看，智能調節(jié)控制策略基本分3 個階段，首先啟動階段，然后是快速調節(jié)階段，最后是穩(wěn)定階段?；倔w現(xiàn)了導葉慢速啟動，查表目標開度跟蹤，功率PI 精確到位等不同控制策略，一次調頻指標及功率調節(jié)速度滿足電網(wǎng)細則要求及電力行業(yè)標準要求，且反調功率減小。試驗也發(fā)現(xiàn)一些問題，主要是調節(jié)過程中個別負荷點出現(xiàn)爬升或超調現(xiàn)象，主要是該點的水頭/功率/開度數(shù)據(jù)不準確，導致后期功率PI 出現(xiàn)稍長調整，后期可以通過電站實際運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計進行修正。

6 總結

水輪機調速器智能化研究不僅體現(xiàn)在硬件配置、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)建模方面，更重要的是提升其智能控制和調節(jié)能力。本文分析了目前調速器開度模式和功率模式下存在的不足，提出了智能功率調節(jié)模式。總體可以得出以下結論：

（1）基于主機廠提供的水輪機運轉特性曲線，導出水輪機水頭/功率/開度關系曲線，可以作為調速器智能調節(jié)控制的依據(jù)，再結合功率PI 調節(jié)補償，可以有效克服水輪機不同負荷點、不同水頭下的開度/功率變化差異，有效解決功率調節(jié)參數(shù)的適應性問題。

（2）對導葉啟動瞬間的速度進行合理限制，可有效抑制水流慣性引起的功率反調，但會增加一次調頻的響應時間，需要合理設置限制時間。

（3）智能調節(jié)策略可分為啟動時速度限制、查表目標開度追蹤、PI 調節(jié)精確到位3 個階段，通過在開都河柳樹溝水電站的現(xiàn)場試驗，表明智能調節(jié)策略具有調節(jié)速度快、穩(wěn)定性好、適應性強等優(yōu)點，水頭/功率/開度數(shù)據(jù)點不準確會影響調節(jié)過程，應用時還可進行統(tǒng)計修正。