大型灯泡贯流式机组在薄弱电网环境运行稳定策略

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云南水力发电
Y U N N A N W A T E R P O W E R
第34卷
第1期大型灯泡贯流式机组在薄弱电网环境运行稳定策略
李锦，李建刚，胡虹，李晓敏
(桑河二级水电有限公司，云南昆明650214)
摘要：桑河二级水电站大型灯泡贯流式机组在薄弱电网环境下的稳定运行。

属于大机小网控制模式，电站全厂投产运行前，通过对
机组协联控制策略、调速器优化参数策略、负荷调整策略的分析，将分析成果运用到调试试运行中，可提高机组经济性能指标和安全
稳定运行水平。

关键调：灯泡贯流式机组；稳定性；策略；调速器
中图分类号：TK733 +.8 文献标识码：B文章编号：1006-3951 (2018) 00-0180-03
D0I：10. 3969/j.issn.1006 - 3951. 2018.01.049
〇引言
桑河二级水电站采用河床式开发方式，电站 开发任务主要为发电。

水库总库容24. 911 x i o8 m3，装机容量400MW，安装有8 x50MW灯泡贯 流式水轮发电机组，额定水头21. 7m，额定转速 125r/min,协联非逸转速270 r/min,非协联非逸 转速375 r/min。

调速器为南瑞集团双微机双通道 独立电手操数字电气调节装置。

电站与400km外 的负荷中心金边联网前，相当于孤网运行需长距 离、大容量的电力输送。

调速器的控制策略完善 是系统频率稳定的前提，所以对其进行深入分析 和研究。

1电站投运后的机组孤网运行
1.1协联控制策略分析
灯泡贯流式机组的协联控制对机组的出力有 很大的影响，为了提高机组效率以及甩负荷时候 机组低频等因素，对协联曲线进行优化控制[1]。

为了增强机组负荷的稳定性，根据桨叶开环内泄 和漂移，适当增加桨叶控制死区；为了提高桨叶 开启时候响应速度，桨叶在关闭时候，不是完全 关闭而是停留在某一个开度（开度较小），既提高 桨叶响应速度，同时保护桨叶受油器浮动瓦；贯 流机机组惯性小，高频容易导致机组过速停机，低频容易产生励磁灭磁，在甩负荷或者事故停机等工况时，需要将导叶和桨叶综合控制，甩负荷 初期桨叶保持不动或者开启，防止机组过速；对 导叶关闭深度做一定的限制，于桨叶开度结合起 来控制，防止出现机组低频[2]。

1.2调速器优化控制策略
对于大容量的灯泡贯流式水轮机，其SL F值 较大，水流惯性时间常数7；—般为1~3s,而机组 惯性时间常数八一般为2 ~4s,r y r a值大于国家 标准《水轮机调速器与油压装置技术条件》中关 于r y r a<〇.4的规定。

采用常规的P I或PID调速 器较难满足水轮机调节系统的动态性能指标、要 求和保证系统的稳定性[3]。

根据贯流式运行的经 验，提出以下附加控制策略。

1.2. 1增大b t的设计范围
典型的PID调速器的调节系统幅频特性见图1所示，从幅频特性中可见，由于（-n r s)是倒 相微分环节，截止频率w c要小于2/r，且必须小 于1/71。

为此得到结论：采用P I或PID调速器的 调节系统截止频率必须小于1/71，否则系统无法 稳定。

从频率特性上看，为保证调节系统稳定，
必须大于1/71，要获得较好的动态品质，希望
大一些，一般调整调速器参数使截止频率恥处在+< 为佳。

*收稿日期：2017-12-20
作者简介：李锦（1985),男，哈尼族，云南金平人，工程师，主要从事水电工程建设与管理工作。

李锦，李建刚，胡虹，李晓敏大型灯泡贯流式机组在薄弱电网环境运行稳定策略181
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图1调节系统幅频特性
图2调节系统开环频率特性向低频处移动，使系统响应速度减慢，调节时间 增长。

1.2.2 引入滞后校正环节
通过上述讨论，得到当7V7；> >0.4时，尤 其是：？；/?>0.9时，扩大~调整范围，可以改 善系统稳定性，但从频率特性上看，低频段增益 很小，截止频率孽低。

在PI或PID调速器中引入滞后校正环节，可 以增大低频段增益，提高系统稳态精度。

但系统 截止频率％仍无法提高，系统响应速度很慢，在 负荷扰动时，将出现较大的转速动态误差，为进 一步解决这个问题，可采用水压反馈。

1.2.3 水压反馈
当 7；/7； > >0. 4 时，％ = 1/7；与 ％ = 1/7；很接 近，但调整参数％处于％ < % < %很困难，即使在此范围，也难以保证系统具有满意的幅值裕 量知和相角裕量A A,—般PI或PID调速器缓冲 强度\在〇% _80%范围，已无法满足调整需要，所以，对贯流式水轮机的调速器必须加大6,范围 至0%—200%左右。

其次，截止频率恥无法调整
在调速器中引入水压反馈，使调速器具有IP-ID调节规律，能够改善灯泡贯流式机组单机或空 载时的稳定性。

具有水压反馈的P I调速器水轮机 调节系统方块图见图3所示，图中<=eq y+ &%，<=ey+A k e z，弓丨入水压正反馈后的调速器传递函 数变为[5]:
图3具有水压反馈P I调速器水轮机调节系统方块图
K'1
T~(1+-^+ TBS)(1 1 + r1N s t,s D v
K'p= (eq h r w+ T a)/[K(e q j +K v e^)f w+6,r d]
r1N= [x(e q j+K,e v)rd r…+e q h6trd rw y[K(e q j+K,e v)r…+6trd]^1 = eq…w+ L L= (eq…w)’(eq h L L)
这就形成了惯性（比例+积分+微分）的调节规 律或简称IPID调节规律。

可以写出引入水压正反
馈的水轮机调节系统闭环传递函数：
182云南水力发电2018年第1期
B S+B jS+B2
Wb =—^^---------—(2) A〇S3 +SAl S2 +A2S+A3'
B0 = [(ey +K k ez)eq h- (eq y+ A：k eq z)eh Y T J^,
=(ey +V义 + [ (e7 十/i^ )eq h - (e^ +Vqy)K
B2=ey +K i e,
a0 =K(ev+^k eq j r d r ar w+eq h r d r ar w
^=K(e q y+K^ )T J w+btTdTa-K(e<s +K,eq i )TJ^(en=l) 4= (ey+Kkez )Td + [ (ey+Kt ez )eq h -(e^ +Kkeq z ]e h ]T… -
+ (e y+^k e z+^k e q2
取X= l，根据前面简化了的水轮机方程可得 稳定判别式为：
T〇•5 (^f)+6t+1
—> ----------------(3)
T,0.5i t+0.5 y J
显然，水电站调速器参数为任何值时式（3)均能满足，可见，引入水压反馈后可大大改善调节系统的稳定性。

对贯流式水轮机调速器宜采用大6t(0% ~200%)的PID调速器，并引入滞后校正环节，在单机运行时实现IPID调节规律[4]。

为改善动态品质，也有必要引入水压反馈。

1.3负荷调整策略缓，不能追求调节速度快，特别是在调速器投入 功率闭环模式时，要求调速器自身完成功率平稳 的增减控制，由于上述非线性的影响，常规PID 控制很难达到要求，需要考虑一些特殊的控制策 略。

方法是在PID控制基础上，叠加PWM(脉宽 调制）控制，见图5所示。

T为给定计算周期 (可根据需要软件设置），一般选l s，C S P I D调 节投入阶段，乃和偏差有关，偏差越大，'越长，但不会超过r2为等待（PID退出）阶段，该阶 段导叶给定不变，主要考虑功率滞后，插入等待 周期。

PID调节参数一般比例较小，积分稍大，在 调节阶段，导叶给定主要以积分规律平缓上升或 下降，再加上等待周期，这样就可以控制功率平 稳变化，若需要调节速度加快，可减小计算周 期71。

_T]_
T i^
与常规机组相比，贯流机组水头比较低，由于水流惯性时间常数的影响，当导叶在快速开启 时，作用在转轮上的水压反而下降，然后逐渐平 稳，机组的输出功率先下降，然后再上升；导叶 突然关闭时则相反，输出功率先上升，然后再下 降[5]。

从图4中可以看出。

_—1
V功率
导^十
___!
0 4 8 12 16 20 24 28
图4贯流机组负荷调整录波图
由于水_效应的影响，贯流机组导叶和功率 之间有一个反调和滞后的过程，是非线性的，而 一般水电站机组负荷的调节都是通过调整导叶开 度来实现的，针对贯流机组的控制，这种反调和 滞后更加明显，所以导叶在调节过程中一定要平
图5调节控制示意图
2结语
柬埔寨电网较为薄弱，桑河二级水电站所处 电力系统为孤网运行方式，属于大机小网控制模 式，电站全厂投产运行前，通过对机组协联控制 策略、调速器优化参数策略、负荷调整策略的分 析，将分析成果运用到调试试运行中，可提高机 组经济性能指标和安全稳定运行水平。

参考文献：
[1]颜南明，李长兵.基于Matlab下的BLDCM调速系统仿真研究[J].系统仿真学报，2002, 14 (4): 462 - 466.
[2]施冲，余杏林，吴正义，等.水电厂自动发电控制的工程设计与分析 [J].电力系统自动化，2001，26 (4): 57-51.
[3] 许慧敏，灯片贯流式水轮机刀叶、浆叶协联变化的关系和消除振动方 法[J].西北水电，2011，37 (10): 76 〜78.
[4] 王丽刚.振动测量值对灯泡贯流式机组运行的指导[J].江西电力，2009 (01): 14 〜38.
[5]宋厚彬，李正贵.协联曲线修改对灯泡贯流式水轮机组的影响[J].甘肃科学报，2010 , 22 (6): 67 -69.
[6] G B/T15468 -1995.水轮机基本技术条件[S].
[7]GB/T H198 -1997.水轮机机械振动和脉动现场测试导则[S].。