基于水轮机运转曲线的调速器调节策略优化与实践.pdf
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1、92水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期(总第 50 期)2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,20230引言随着我国电力技术向智能化、信息化方向发展,智能变电站已成为电网建设的常规配置,智能水电厂的建设发展也方兴未艾。为了适应智能水电厂的发展,水轮机调速器也需要在硬件及软件上满足智能化发展要求。电力行业标准 DL/T 1547智能水电厂技术导则以及 DL/T 860.7410电力自动化通信网络和系统第 7-410 部分:基本通信结构水力发电厂监视与控制用通信等规定了智能水轮机调速器的通信接口
2、及标准协议,以及通信建模要求。文献 1 从智能水轮机调速器的基本架构和硬件配置方面进行了讨论;文献 2 从智能水轮机调速器的网络通信和数据建模等方面进行了研究;文献 3 从智能水轮机调速器的具体设计方面进行了讨论;文献 4 从智能水轮机调速器的软件功能等方面进行了探讨,主要讨论了智能调速器的状态监测及故障诊断等功能。目前这些研究主要从水轮机调速器的整体架构、通信接口、硬件配置、软件功能开发等方面进行了探讨,对智能水轮机调速器的调节与控制方面均未涉及。但目前水电厂水轮机调节方面普遍存在一次调频积分电量考核不达标5、调速器一次调频与电厂自动发电控制系统(AGC)存在冲突6、调速器功率模式存在水头变
3、化后调节参数难以适应、功率调节波动等问题7。迫切需要智能水电厂调速系统硬件及通信网络升级后,调节和控制策略能进一步提高,具有更强的智能调节控制、参数自适应和源网协调能力,满足电网日益严格的频率和功率控制要求。1功率调节及比较水电站调速器是控制和调节水轮发电机组有功和频率的核心设备,承担机组开机、停机、并网、负荷调整、一次调频等重要任务。就机组功率调节而言,目前调速器功率调节一般采用两种方式:一是开度模式,如图 1 所示;二是功率模式,如图 2 所示。调速器开度模式下,机组有功调节主要靠水电站计算机监控系统完成,机组有功功率反馈到监控现地控制单元(LCU),LCU 接收调度 AGC 分配有功给定
4、指令,计算功率给定和反馈的差值,再经过一个比例和积分环节,换算成相应的脉冲增减指令,发送给调速器进行开度调节。调速器主要实时监测电网频率和 50Hz 给定值的偏差,经过人工频率死区,再通过 PID 调节模块以及调差反馈环节,加上和水头协联的空载开度,以及 LCU 传递的开度增减指令,最终计算出开度给定,进行开度调整,从而调节机组功率到目标值。调速器功率模式下,机组有功调节主要靠调速系统完成,基于水轮机运转曲线的调速器调节策略优化与实践丁占涛1,蔡卫江2,赵文利1,蒋定章1,赵勇21国家能源集团新疆开都河流域水电开发有限公司,新疆维吾尔自治区库尔勒市241082;2南瑞集团有限公司(国网电力科学
5、研究院)江苏省南京市211106摘要:结合当前智能水电厂发展要求,阐明了当前水轮机调速器功率调节及一次调频存在的问题,分析了目前调速器开度模式和功率模式存在的不足,提出了基于水轮机运转特性曲线导出的水轮机水头/功率/开度关系曲线的新型功率调节模式。并给出了新型功率调节模式在开都河柳树沟电站的试验结果,对功率调整和一次调频试验录波及数据进行了讨论和分析,实践表明,新型功率调节模式有效解决了目前调速器功率调节及一次调频存在的不足,具有调节速度快、稳定性好、适应性强等优点。关键词:智能调速器;新型功率调节;一次调频;功率反调;策略优化中图分类号:TM622文献标识码:A学科代码:570.30DOI:
6、10.3969/j.issn.2096-093X.2023.04.01493丁占涛等:基于水轮机运转曲线的调速器调节策略优化与实践首先,LCU 接收监控系统 AGC 分配有功给定指令,转换成4 20mA 模拟量(也有通过数字通信方式),直接发送给调速器,有功反馈也传递到调速器,调速器自行比较有功给定和反馈的偏差,经过功率死区,调差环节,再和频率偏差进行叠加,叠加后的偏差再经过 PID 调节模块,加上空载开度,最终计算出开度给定,通过开度调整,调节机组功率到目标值。上述两种调节方式各有优缺点,开度模式下,导叶呈阶梯状动作,相对速率较平缓,稳态时稳定性较好,但功率调节时间较长,精度稍差,约在 1%
7、范围内,且存在一次调频与 AGC 调节互相影响问题,需要协调好。由于采用频差转化为开度的方式,水头变化时,一次调频动作有功功率会不一致,影响积分电量考核。功率模式下,导叶动作连续,调节速率较快,精度较高,可达 0.5%,调速器自身可以协调一次调频与 AGC 调节指令的关系,且采用频差转化为功率的方式,有功功率变化不受水头变化影响。但功率模式下主要存在调节参数难以选择问题:由于导叶开度和功率存在较大非线性,在机组不同负荷点,同样的开度变化导致的功率变化差异很大;其次受水头影响较大,水头变化时,同样会造成开度与功率之间较大差异。因此,功率调节参数需要适应不同水头、不同负荷点的调节,参数不宜太大,但
8、要适应一次调频考核要求,还需要较大的参数,参数难以适应多种情况。部分电站采用多组参数来适应不同水头下的功率调节,但由于水头不能随意改变,造成调节参数难以通过真机试验来获得,只能通过经验设置,实际应用效果并不理想8。2功率调节优化在此,结合两种调节方式优缺点,本文提出一种改进型的功率调节模式,同样在调速器功率模式下,调速器接收监控系统的功率定值,采集当前机组工作水头,依据水轮机运转特性曲线换算出来的水头/功率/开度关系曲线,计算出当前的导叶开度,按照开度模式进行粗调,当功率给定和反馈接近目标值时,再启动功率 PI 调节,按照功率模式进行微调。早期,有国外产品曾经用过类似方法,但主要采用将功率调节
9、按水头/功率/开度关系曲线转化为开度调节方式,这种功率调节,严重依赖水头测值及水轮机运转特性曲线的正确性,难以调节精确,雅砻江二滩电厂、三峡电厂国外调速器均采用过此模式,后来改造已不再采用。本方式则在此基础上,监控系统功率闭环PID调节模块频率给定(50Hz)频率反馈+频率死区BP(调差系数)开度调节指令水头/空载开度协联关系开度限制开度给定液压执行机构水轮机发电机空载开度开度反馈功率反馈+图 1调速器开度模式下的机组有功调节示意图Figure 1Schematic diagram of unit active power regulation at governor opening mode
10、监控系统PID调节模块频率给定(50Hz)频率反馈+频率死区BP(调差系数)水头/空载开度协联关系开度限制开度给定液压执行机构水轮机发电机空载开度开度反馈功率反馈+频率死区420mA功率给定+图 2调速器功率模式下的机组有功调节示意图Figure 2Schematic diagram of unit active power regulation at governor power mode94水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期(总第 50 期)2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,2023
11、增加了功率 PI 微调,一次调频优化、水锤效应抑制等环节,对调节参数不再敏感,大大提高了功率调节对水头/负荷点变化的适应能力和调节精度,对一次调频的性能也进一步提升。详细调节方式如图 3 所示。1/epFG=50Hz频率给定频率反馈Ff频率死区Ex+调差环节频差P G1监控功率给定P f功率反馈P G2工作水头Hy水轮机水头/功率/开度关系曲线查表开度Gv1 开度反馈Gvf功率PI调节Gv2+开度给定+监控系统水轮机发电机+Gv+频率反馈一次调频功率调整量+功率死区+功率偏差PEpPG1P1 f限幅环节P1 功率偏差限制执行机构反调抑制图 3调速器新型功率调节优化示意图Figure 3Sche
12、matic diagram of new power regulation optimization of governor从图 3 中可以看出,调速器的功率调节主要分三部分,一是依据监控系统 AGC 算出的功率定值 PG1,以及水轮机工作水头 Hy,按照水轮机运转特性曲线得出的水头/功率/开度关系曲线,查表得出水轮机导叶开度 Gv1;二是一次调频动作产生的功率调整量 P1,这是当电网频率超出人工频率死区时,按照调差系数换算出的功率调整量,一部分叠加到监控功率给定上,通过查表得到部分开度变化量,另一部分作用于功率 PI 调节,产生功率变化;三是监控功率给定 PG1与功率反馈 Pf比较后产生的功
13、率偏差,经过限幅环节和死区环节后,作用于功率 PI 调节产生的导叶开度调整量,PI 调节参数一般较小(为保证稳定性)。这三部分产生的导叶动作量叠加后得到导叶开度给定 Gv,从而作用于液压执行机构,调整机组功率到目标值。可见,当功率调整量较大时,第一部分导叶开度 Gv1起到主要作用,由于查表速度很快,导叶目标开度基本很快就可以确定。后面的功率PI调节由于有偏差限幅及PI参数较小,一般在后期起到微调作用。第二部分主要是一次调频动作引起的,与功率闭环调节产生的调节量进行叠加,两者互不影响。与传统的功率调节比较,新型功率调节具有调节速度快,调节稳定,对水头/功率/开度关系曲线不需要十分准确(主要起到粗
14、调作用即可),对 PI 调节参数不敏感,能够自动适应不同水头及负荷点变化,能够自动协调监控系统 AGC 调节指令和一次调频动作值。3一次调频策略优化图 1 所示的开度模式下,其一次调频和 AGC 调节分别由调速器和监控分开调节,存在两者冲突问题,需要配合协调。且开度模式下仅考虑频差和开度关系,没有考虑功率和水头相关性,难以保证积分电量满足考核要求。图 2 所示的功率模式,虽然克服了开度模式下存在的与 AGC 协调问题,以及水头对功率动作量的影响。但存在水头变化、负荷点变化功率调节参数难以选择,一次调频考核和调节稳定性难以兼顾的问题。图3 所示的新型功率调节模式结合了两者的优点,特点如下:(1)
15、从图 2 可以看出,常规一次调频方式都是将超过频率死区后的频率偏差,经过 PID 调节后产生相应功率变化,功率变化再通过调差系数 Ep负反馈到频差环节,两者中和后,调节才能完成,动作路径较长,速度较慢。优化后的一次调频策略(见图 3),直接将一次调频产生的频率偏差乘以调差系数 Ep的倒数,转换成功率给定一部分,通过查表和 PI 调节,可以快速调节有功到目标值,调节速度较快。(2)一次调频小频差情况下,功率变化较小,受功率死区影响较大,为此新型功率调节将一次调频产生的功率调整量越过死区,直接作用于 PI 调节,可以有效提高小频差下一次调频积分电量。(3)新型调节模式一次调频初始动作量主要靠查表获
16、得,与调节参数无关,后期依靠较小的 PI 参数进行精确调节,有效克服不同水头、不同负荷点的影响,有效兼顾一次调频考核要求快速响应,负荷调节要求稳定、准确的要求。4水锤引起的功率反调抑制水锤效应主要指稳态情况下,一次调频动作,导叶开启(或关闭)瞬间,由于水流惯性影响,流量来不及马上增加(或减小),但水压瞬间下降(或上升),造成水轮机出力瞬时下降(或上升),待流量逐渐增加(或减少),机组出力才开始95丁占涛等:基于水轮机运转曲线的调速器调节策略优化与实践上升(或下降)。由于导叶启动瞬间,机组出力成反向变化,反而造成一次调频相应时间滞后、功率反调,短时积分电量为负等影响,水流惯性时间常数越大,反调越
17、明显,针对这种情况,必须采取一定的抑制措施,最有效的就是采用“柔性”导叶启动规律。一般导叶关闭(或开启)速度越快,功率反调越明显,因此减缓导叶启动速度,对功率反调峰值抑制有一定作用,但导叶关闭速度过慢,会影响一次调频响应时间(DL/T 1245水轮机调节系统并网运行技术导则规定,一般不超过 4s),以及负荷调整时间,为此采用如图 4 所示控制策略。开度反馈+开度给定取绝对值开度偏差判断是启动导叶慢速率柔性控制延时23s导叶正常速率控制否2.5%图 4导叶分段柔性控制逻辑图Figure 4Logic diagram of governor guide vane segment flexible
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