大型水电站调速器孤网模式设计与试验

于文杰，刘细辉，王亚华

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都610041）

0 前言

随着跨区域大负荷输电的发展，电网规模越来越大，相应对电力系统稳定控制提出了更高要求。2008年年初雪灾，电力设施损毁惨重，部分地区解裂为孤立电网后，机组容量与孤网负荷不匹配，电网稳定运行受到威胁，此时调速器参数的设计是否合理是影响稳定的关键因素，设置不合理易引起机组震荡[1]。在系统严重故障时，大型水力发电厂带区域电网进入孤网运行模式。本文介绍了某大型水电站的孤网模式的设计及试验过程，可为同类电厂提供案例参考。

1 调速系统孤网模式技术要求

根据《水轮机调节系统并网运行技术导则》（DL/T1245）第5.1.14条要求，“水轮机调节系统在不同运行工况、不同控制模式下所使用的PID调节参数、人工频率/转速死区、永态转差系数/调差率以及随动系数参数、协联关系等均应能通过人机界面或专用调试设备方便查询和调整”。调速器系统设置的孤网模式应PID参数、人工频率/转速死区等应单独设置参数并方便查询和调整。

根据《水轮机调节系统并网运行技术导则》（DL/T1245）第5.2.6条要求，“水轮机调节系统应该能对并网运行开度调节模式、功率调节模式、孤网运行频率调节模式及一次调频模式分别设置相应的调节参数，调节模式切换时调节参数能自动切换”。调速器控制系统应能独立设置孤网模式及参数，其孤网模式应能独立配置孤网频率调节死区、PID参数、永态转差系数等。

根据电网实际运行需求，调速器控制系统应具备自动/手动投入、退出孤网模式运行的功能，手动投入孤网模式后不允许自动返回正常联网模式。

2 孤网模式设计

2.1 孤网模式自动投退功能

在调速器控制系统触摸屏上设置孤网模式投退窗口如下页图1所示，在监控系统上设置孤网模式投退窗口如下页图2所示。优化控制程序实现功能如下：

（1）在调速器控制系统触摸屏上设置密码登录窗口，输入密码方能进行孤网模式切换及参数修改工作。

（2）设置孤网模式切换按钮，点击按钮进行“自动”及“人工”模式切换。在“自动”模式下，调速器控制系统按照设置窗中“自动投孤网频差0.50 Hz”及“自动退孤网频差0.10 Hz”进行模式自动投退，在此模式下监控系统选择“切手动”方式，点击“投孤网”、“退孤网”按钮仍然可实现孤网模式的手动投退；在“人工”模式下，调速器控制系统按照监控系统上的投退按钮进行操作，点击“切手动”按钮，“孤网投退方式”显示“手动”，此时可点击“投孤网”、“退孤网”按钮，进行孤网运行模式切换。

（3）在“自动”模式下，系统频率满足“自动退孤网频差0.10 Hz”后进行延时3 min，孤网运行模式自动退出，防止频率出现急剧波动时孤网模式发生高频率投退现象，保证调速器孤网调节过程稳定可靠。

图1 调速器控制系统孤网模式投退窗口

图2 监控系统上孤网模式投退窗口

2.2 孤网模式控制参数

在调速器控制系统触摸屏上设置孤网投退窗口如图3所示。优化控制程序实现功能如下：

（1）调速器进入孤网控制模式，按照“比列增益3.00”、“积分增益0.20”及“微分增益1.00”的参数进行过程调节与控制。与并网开度控制模式调节参数“比例增益3.00”、“积分增益1.00”及“微分增益1.00”相比积分增益变小，已保证调节过程平稳，避免发生振荡情形。

（2）“频率死区0.20 Hz”表示频率在50±0.2 Hz的范围内，孤网模式下调速器系统不进行调节。

（3）“调差系数1.00%”与开度模式下“调差系数4.00%”相比较数值变小，已保证调节的幅度与效果。

（4）“频差限幅”参数的作用是保证频率调节在正常的数值范围内，避免出现过度调节及频率误调节的情况。

图3 手动投入孤网模式只能手动退出，频差死区设置

3 孤网模式试验

3.1 静态试验

“静态”是指机组未启动，蜗壳无水或者静压状态，调速器液压系统调试合格后的状态。

3.1.1 孤网模式PID调节特性测试及Bp校验[2]

试验按分环节测试法，测量比例、积分及微分等环节的输入输出特性。试验方法及步骤：

（1）调速器切手动，在50 Hz稳定信号，模拟并网信号，接力器行程稳定于50%附近，死区设置为0，Bp设置为0，进行分环节时域测量。比例放大倍数测量时，将微分、积分环节退出，进行不同比例放大倍数下的阶跃试验；微分测量时，将比例、积分、环节退出，进行不同微分系数下的阶跃试验；积分测量时，将比例、微分环节退出，进行不同积分系数下的阶跃试验。

（2）调速器切自动频率模式运行，进行频率给定阶跃试验，辨识PID各环节参数。

（3）调速器切手动，设置 Bp=0、4%、5%；Kd、Kp、Ki为定值，重复扰动试验[3]。

3.1.2 孤网人工频率死区检查校验

试验方法及步骤：

（1）在机柜端子上加50 Hz稳定信号，模拟并网信号，手动接力器行程稳定于约50%附近，调速器模拟机组并网带负荷工况，自动开度模式运行，人工频率死区设置为：E=±0.2 Hz。

（2）使频率给定发生阶跃扰动，扰动量为±0.2Hz，±0.22 Hz，±0.3 Hz记录接力器行程的变化过程及调速器人工频率死区设定值。

（3）接力器行程稳定与约20%附近，将人工频率死区设置为E=±0.05 Hz，以0.01 Hz步长将机频由50 Hz逐次降至49.8 Hz，稳定后返回50 Hz，然后再由50 Hz逐次加到50.2 Hz，稳定后返回。测出在设定频率死区下导叶接力器的开度与频率的关系，计算其实测值与误差值。

3.1.3 孤网人工频率死区检查校验

试验方法及步骤：

（1）在机柜端子上加50 Hz稳定信号，模拟并网信号，手动接力器行程稳定于约50%附近，调速器模拟机组并网带负荷工况，自动开度模式运行，人工频率死区设置为：E=±0.1 Hz。

（2）使频率给定发生阶跃扰动，逐步增大扰动量直到调速器输出限幅动作。

3.1.4 模拟并网下自动切换孤网模式试验

试验方法及步骤：

（1）调速系统模拟并网运行，调速系统大网、孤网参数按照正常参数设置，在机柜端子上加50 Hz稳定信号，自动开度/功率模式运行。根据调速系统孤网切换频率设定值，设定信号发生器输出频率发生阶跃扰动，若频率扰动量超过切换频率并持续足够时间，调速系统将自动切换至孤网模式运行。

（2）略微增大频率阶跃量，重新进行阶跃试验，测试在孤网模式下的PID输出调节特性。

3.1.5 模拟并网下孤网自动返回试验

试验方法及步骤：

在3.1.4的基础上，当调速系统切换为孤网模式运行后，逐步将信号发生器输出频率返回至50 Hz，在此过程中，记录调速器系统孤网模式返回至正常联网模式的返回频率及时间。

3.1.6 模拟并网下手动切换孤网模式试验

试验方法及步骤：

在3.1.5的基础上，当调速系统切换为孤网模式运行后，手动将孤网模式切换至正常联网模式，测量调速系统PID输出等调节特性。测试返回正常联网模式是否正常。

3.2 动态试验

“动态”是指机组并网带负荷运行的发电状态，且机组一次调频调试合格，一次调频能正常投入运行。

3.2.1 机组自动切孤网模式频率扰动试验

动态扰动通常在开度模式、功率模式及监控功率闭环调节模式等调节方式下进行，25%额定负荷下动态频率扰动试验。

试验条件：

（1）调速系统其他各项动态试验（如一次调频试验）验收已完毕。

（2）机组具备变负荷条件，同时机组运行稳定。

（3）PID设置为一次调频试验整定值，死区按一次调频要求设置。

试验方法：

（1）确认机组稳定运行，将联网模式下的一次调频限幅值临时修改为约3%～5%额定功率。

（2）逐次改变调速器频率给定值（或模拟机组频率信号，下同），根据调速器系统孤网切换频率设置情况，逐步变化过程为正负 0.1 Hz，0.2 Hz，0.25 Hz，0.5 Hz，1.0 Hz测试记录每一次扰动过程。调速器机旁一直有人监视，以便异常工况下调速器切手动。若频率扰动量超过切换频率并持续足够时间，调速系统将自动切换至孤网模式运行。测试在孤网切换及切换后的调节特性。

（3）记录机组孤网模式切换频率及延时，记录频率返回后调速系统切换为正常联网模式的频率及延时。

3.2.2 机组并网带孤立调节试验

根据《水轮机调节系统并网运行技术导则》（DL/T1245）第6.5“孤立调节试验”推荐，机组并入电网运行，带不少于25%的额定负荷，待负荷稳定后，跳开主变高压侧断路器，但发电机出口断路器依然保持闭合，观察并记录频率、接力器位移等信号在此切换过程中的变化，验证调节过程是否正常稳定。

3.2.3 模拟并网下手动切换孤网模式试验

机组正常并网运行，手动将调速系统切换为孤网模式，调节稳定后将孤网模式切换至正常联网模式，测量调速系统PID输出等调节特性。测试各切换及返回过程是否正常。

3.2.4 孤网模式下机组运行监视

机组正常并网运行，手动将调速系统切换为孤网模式，记录30 min正常运行监测情况，确认试验期间机组运行稳定。

4 试验波形

根据第3节的试验内容，选择有代表性的波形如图4至图8。图4、图5是机组80%负荷（480 MW），系统频率变化0.2 Hz时调速器进行一次调频的调节过程，未进入孤网运行模式。图6是机组25%负荷（150 MW）跳开主变高压侧开关，机组带主变厂用电，自动进入孤网运行模式的波形，进入孤网模式后调节稳定，孤网功能正常。图7是机组25%负荷（150 MW）并网运行时，模拟网频50 Hz变为50.505 Hz机组孤网模式调节波形图，调速器正确进入孤网运行模式，调节过程平稳。图8是机组25%负荷（150 MW）并网运行时，模拟网频50 Hz变为50.6 Hz机组自动进入及退出孤网模式波形图，自动切换至孤网运行模式运行为稳定，调节过程平稳，自动退出孤网模式时动作准确，系统运行平稳，满足规程及电网的运行要求。

图4 开度模式下频率扰动由50 Hz变为49.8 Hz再变为50 Hz功率、开度变化波形图

图5 开度模式下频率扰动由50 Hz变为50.2 Hz再变为50 Hz功率、开度变化波形图

图6 机组25%负荷跳开主变高压侧开关自动进入孤网模式波形图

5 结论

通过对水力发电厂的孤网模式设计，增强了调速器系统适应孤网运行的能力，不仅满足相关国家标准，而且满足电网对电站调速系统快速调节及稳定运行的要求。通过试验验证了孤网模式的实际动作过程及调节特性稳定可靠，对其他电站孤网模式的设计及试验有一定的借鉴作用。

图7 机组25%负荷网频50 Hz变为50.505 Hz机组孤网模式调节及退出波形图

图8 机组25%负荷网频50 Hz变为50.6 Hz机组自动进入及退出孤网模式波形图