轴流转桨式机组在孤网运行中的探索与创新

李 杰，谢 晖，卢自富

（1.长江三峡能事达电气股份有限公司，湖北 武汉 430072；2.中国水利电力对外公司，北京 100871）

轴流转桨式机组在孤网运行中的探索与创新

李 杰1，谢 晖2，卢自富1

（1.长江三峡能事达电气股份有限公司，湖北 武汉 430072；2.中国水利电力对外公司，北京 100871）

经过对水轮机调速器孤网参数的优化和桨叶控制策略的创新，很好的解决了轴流转桨式机组在孤网运行时增减负荷慢、运行不稳定、接负荷能力差等一系列问题，对孤网运行的适应能力取得了极大的改善和提高。

轴流转桨；调速器；孤网；桨叶

1 引言

凯乐塔水利枢纽工程位于几内亚共和国的西部，孔库雷河下游，距离首都科纳克里公路里程140km。凯乐塔水利枢纽工程以发电为主，正常蓄水库容2 300万m3，总装机容量为234.6 MW，发电机采用东芝水电设计生产的轴流转桨式机组，单机容量78.2 MW，是几内亚政府优先、重点发展的能源项目，是几内亚境内骨干电源电站。

凯乐塔电厂在首台机组（3F）投运初期同样遇到了上述问题。在首台机组72 h运行期间，由于电网不同原因和不明原因的解列，造成凯乐塔电厂6次停机。在后期的单机运行中也发现，轴流转桨式机组在孤网运行条件下，由于桨叶和水流特性的影响，机组在20～40 MW振动区时极易出现负荷震荡，从而导致整个电网震荡的情况。鉴于几内亚电网此种恶劣情况及双调机组孤网运行不稳定的特性，电网方面束手无策，寄希望于通过调速器来稳定网频，减少电网解列次数。

2 轴流转桨式机组常规控制方式在孤网运行中遇到的问题

2.1 孤网运行条件下不能人为增减负荷

在孤网运行条件下，目前国内调速器大多设计为运行在频率模式，即在机组孤网运行工况时，调速器以频率调节为主，频率调节死区为零，这种运行状态在短时间孤网运行时，满足稳定孤网频率和快速调节负荷的要求。但作为长期运行机组，此种运行方式存在调速器油耗大、机组调节频繁、对设备损耗较大等问题，且凯乐塔电厂在几内亚电网中并非单一运行机组，各机组间或电厂间存在负荷相互转移的情况，频率模式不能人为的增减负荷，只能根据电网频率波动自动调整机组负荷大小，此种运行方式明显不适合几内亚电网孤网运行的现状。

2.2 桨叶调整对孤网运行的影响

在正常的负荷调整过程中，桨叶的转角跟随协联关系曲线的给定值，以此来提高水轮机效率。孤网运行中网频的稳定主要是靠导叶的快速调整来完成，但由于协联关系的影响，桨叶此时也跟随导叶的变化量参与调节，从而影响了机组出力，打乱了导叶的调整规律，对网频的稳定带来了极大的负面影响。尤其是在电网出现大负荷波动或振动区水流特性不稳定时，此时导叶的调整速度与幅度和桨叶调整的速度与幅度都较大，电网频率波动、导叶开度变化，桨叶开度变化、机组水流特性、水头变化等因素都对机组出力产生严重影响。由于影响机组出力的因素太多，致使导叶不能正确的判断频率变化速度和幅度，影响了导叶调整的规律，致使系统频率长时间震荡，不能快速稳定。见图1、图2。

图1 孤网条件下各条件对电网频率的影响

图2 桨叶手动和自动调节对电网稳定的不同影响

2.3 电网大范围负荷波动对调速器调节能力的考验

几内亚电网属于典型的孤网运行模式，由于电网设备老旧和恶劣天气的影响，电网异常脆弱，随时面临着超过全网负荷10%以上的大范围负荷波动，调速器必须具备承受大负荷冲击和快速调整负荷的能力。根据国际电工委员会IEC60308《水轮机控制系统试验》中提到孤立电网试验中，施加的阶跃扰动量经典的最大值为其机组额定功率的10%，但能接受10%负荷扰动量远远不能满足几内亚电网的要求，例如Garafiri水电厂极易将其所带的40～50MW负荷甩掉，甩负荷容量占全网总发电量的25%～35%，导致全网频率雪崩式下滑，调速器能否快速稳定频率是面临的最大考验。

对此，Joseph [10]63-64是这样解释的：音响形象的所指是概念，概念的所指是事物。但通过对比，我们发现，Joseph所持的是词语—概念—事物观，跟索绪尔的符号观在本质上是不同的：前者假定存在语言世界和外部世界两个世界，符号的最终指向是外部世界的事物，而索绪尔语言学只有一个语言的世界，能指和所指是语言符号内部的两个要素，没有外部基础[11]80-82。换句话说，Joseph的符号观和索绪尔的符号观完全是两码事，没有可比性可言，因此用词语—概念—事物观来解释上述现象肯定是说不通的。

2.4 桨叶限速后对于机组增减负荷的影响

为了提高调速器稳定电网的能力，避免桨叶对导叶快速稳定调节的影响，我们对桨叶进行了四档速度变速控制的处理，这种处理方式虽然避免了桨叶波动对频率调节的影响，但由于几内亚电网增减负荷采用变电站投切断路器的方式，每一次增减负荷都是一次对电网的冲击。调速器经常进入桨叶慢速调节方式（类似定桨运行），延缓了机组并网加负荷的速度，导致机组停留在振动区的时间过长，影响机组的安全稳定运行。

3 轴流转桨式机组在孤网模式下的探索与创新

3.1 开度模式与孤网运行模式自动切换

为了克服孤网运行条件下不能人为增减负荷的缺陷和几内亚电网的特殊要求，目前凯乐塔电厂调速器采用开度模式和孤网模式自动切换的方式来满足运行要求（见图3）。在正常工况下，调速器运行在开度模式，频率死区为±0.5 Hz，在50±0.5 Hz区间内导叶不自动调整负荷，但可以通过监控系统下发给调速器增减负荷的指令，调速器根据指令调整机组有功。当电网频率超过50±0.5 Hz时，调速器根据负载PID自动调整导叶开度，维持电网频率在50±0.5 Hz区间。当电网频率超过50±1 Hz时，调速器自动切换至孤网运行模式，以孤网运行pid参数控制导叶运行。在电网频率恢复至50±0.5 Hz区间内，调速器自动切换为开度模式运行。这种处理方式既能满足电网稳定的要求，又能在保证网频合理范围内人为增减机组有功，实现各机组之间或各电厂之前进行有功功率的转移。

图3 模式切换流程图

3.2 桨叶采用四档速度自动选择模式

鉴于桨叶调整对机组效率和稳定性的影响之大，目前孤网运行桨叶控制策略简要总结为：高速跟进，低速定桨，中速跟随，空载不限。现场调速器控制流程改为把桨叶的开度调整分为四档速度，分别为高速、中速、低速和空载高速。具体控制波形图如图4所示。

3.2.1 高速档的设计原理（高速跟进）

当机组负荷在稳定运行时，此时出现大范围负荷波动（网频低于49 Hz或者高于51 Hz），导叶将有大范围开度变化，此时为了满足机组快速负荷调整的目的，桨叶必须快速跟随协联给定值，此时，桨叶以设定的最高速度跟进，但为了保持增加和减少负荷的均衡性，桨叶限速为开关方向相同速度。导叶和桨叶的快速调整是机组接受最大负荷扰动的关键，也是快速稳定网频的关键，它能够在网频大范围波动的第一个半波迅速把网频拉回，不至于网频过低或过高导致机组解列停机。

图4 凯乐塔2F负荷由11 MW突增至18 MW波形图

3.2.2 低速档设计原理（低速定桨）

设置低速定桨的目的有两个：第一是减少桨叶在负荷调整过程中对导叶调整的干扰；第二是桨叶定桨在协联开度较高的位置，增加承受电网波动的能力。在大范围负荷波动时，机组可以通过导叶和桨叶的快速调整，迅速抑制网频突变的第一个波头，但抑制不是目的，稳定才是关键。稳定网频的关键点是采取桨叶自动转为低速调整的方式，近似于定桨运行。桨叶在改为低速运行时分为两种不同的工况，当电网负荷突然降低时（例如Garafiri水电厂突然甩负荷），在频率下降的第一个半波回到接近50Hz时，开始投入桨叶低速运行，此时位置处在协联位置偏上，可以有效地增加接负荷的能力。当电网负荷突然减少时（电网某段线路突然跳闸），此时频率上升的第一个半波桨叶以中速调整，不做处理，当频率回升到50 Hz附近时，桨叶再采用低速运行方式。

3.2.3 中速档设计原理（中速跟随）

在正常运行时，为了满足正常的增减负荷和小范围的负荷波动的要求，桨叶不能一直处于高速模式，高速模式运行不稳定，也不能一直处于低速模式，低速模式桨叶调整速度慢，负荷增减速度也慢。我们设计了中速档位，中速档既能满足稳定性的要求，又能满足小范围负荷波动的要求，同时在进入中速档以后，桨叶开度会慢慢跟随桨叶协联给定值，避免因大负荷波动后造成的桨叶和桨叶协联给定值不同步的现象，避免机组工作在非协联区间。

3.2.4 空载高速档设计原理（空载不限）

在空载位置，桨叶根据设计院设计的最大开关机速度进行运行，速度不受限制，可以有效满足机组甩负荷和机组正常开停机的需要。

3.3 优化负载和孤网pid参数

调速器在孤网模式的bp参数和pid参数及其重要，它决定了调速器导叶开关的幅度、速度和孤网稳定的调节时间。国内调速器性能试验只包含空载扰动实验，不包含孤网运行下的负载扰动实验。鉴于几内亚电网的现状及特殊要求，我们申请在凯乐塔电厂单机带孤网的条件下做负载扰动实验（见图5），要求电网中只有凯乐塔电厂一台机组发电，总负荷在50～60 MW之间，频率扰动范围在49～51 Hz，波动范围在48～52 Hz，通过对调整速度及稳定时间进行pid最优选择。最终确定调速器的最佳参数为bp=6%，kp=1.8，ki=0.14，kd=1.4。

3.4 加负荷采用分段定桨方式

为了使机组能够承受最大负荷扰动，我们采用了四档速度自动选择模式。但机组在孤网的条件下启动，负荷增加的初始阶段容易使桨叶进入低速模式，这样每次从零负荷增加到超越振动区负荷的时间比较长，对机组运行不利。因此，我们采用在机组导叶低于40%开度时，退出桨叶四档速度判断，而是根据桨叶协联曲线采用分段定桨的方式，即在导叶分别开至15%、20%、30%，40%时，桨叶给定开度为10%、20%、30%、40%。此种方式既解决了前期加负荷过慢的问题，又能基本满足协联曲线的要求。当超过40%导叶开度后，投入桨叶四档速度自动选择模式，也可以满足大范围负荷波动的要求。

4 控制策略后的试验效果

4.1 机组增减负荷速度加快，网频稳定能力提高

孤网运行控制策略修改前，机组从开机起网频一直处于波动状态，机组不能有效的控制网频波动，尤其在振动区，网频波动幅值更大，最终导致机组解列停机，如图6所示。

图5 负载扰动波形图

图6 增加负荷时机组不稳定导致甩负荷

孤网运行控制策略修改后，机组加负荷平稳，网频稳定能力增强，且加负荷速度快，能够迅速通过振动区，整体效果提升显著，如图7所示。

图7 控制策略修改后增加负荷情况

4.2 接负荷能力有了质的飞跃

孤网运行控制策略修改前，机组在振动区根本不具备接负荷的能力，一旦有5 MW以上的负荷波动就可能引起机组和电网的频率震荡。孤网控制策略采用四档限速控制以后，接负荷能力有了质的提高，在实验条件下，单机接负荷能力最大测试到15 MW（占单机容量的19.2%，如图8），双机接负荷能力运行中最大测试到38.3 MW（占双机总容量的24.5%，如图9）。在现场实际运行中，出现负荷波动的范围更大，运用目前的控制策略，实际接负荷能力远远超过试验时的范围（2015年7月6日记录，双机接负荷能力占双机总容量的38.7%，如图10），对稳定几内亚电网起到了关键作用。

4.3 负荷增减速度明显加快

在控制策略修改前，机组并网以后，每次小的负荷冲击都要经过很长一段时间的稳定，而且在机组振动区时很难稳定，一旦有大的负荷冲击也容易解列停机。控制策略修改后，采用桨叶在振动区之前分段定桨的方式，使机组在低负荷时可以快速增加负荷，使其快速越过振动区。在振动区以后，桨叶控制采用四档变速方式，有效应对大范围负荷波动。这两种方式相结合，使机组前期加负荷速度和后期接负荷能力都得到了明显的提升。

图8 远方电厂甩负荷15 MW试验波形图

图9 控制策略修改后双机带孤网负荷扰动38.3 MW曲线图

图10 控制策略修改后双机带孤网负荷扰动60.4 MW曲线图

5 结论

几内亚电网为典型的孤网运行方式，要求调速系统具有严格的静态特性、良好的稳定性和动态响应特性，以保证在电网负荷变化时自动快速维持电网频率稳定。经过对水轮机调速器孤网参数的优化和桨叶控制策略的创新，很好的解决了轴流转桨式机组在孤网运行时增减负荷慢、运行不稳定、接负荷能力差等一系列问题，对孤网运行的适应能力取得了极大的改善和提高。凯乐塔水电站自投运以来良好的运行记录和运行经验表明，轴流转桨式机组完全有能力满足孤网运行时负荷增减、负荷冲击、黑启动、网频稳定的要求。同时，凯乐塔电厂的成功投运，也为轴流转桨式机组在大中型水电站孤网运行积累了宝贵的实践经验。

［1］魏守平.水轮机控制工程［M］.武汉：华中科技大学出版社，2005.

［2］魏守平.水轮机系统仿真［M］.武汉：华中科技大学出版社，2011.

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［4］张中亚，田红彬，张国勋，等.轴流转桨式机组孤网运行的研究［J］.大电机技术，2014（2）：74-75.

［5］王 君，王晓茹.孤岛系统的低频减载方案研究［J］.电力系统保护与控制，2010（03）.

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［7］周川梅，孙 斌.贵州主网及地区电网孤网运行安全稳定措施研究［J］.电力系统保护与控制，2008（19）.

［8］孙华东，王雪冬，马世英，等.贵州主网及其地区电网孤网运行的安全稳定控制［J］.电网技术，2008（17）.

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，工程师，从事水轮机调速研发与调试工作。