系统解决方案 赣≯囊曩 嚣 ≯ 水电站调速器建模试验及参数优化 薛小平’，高峡 （１．雅砻江流域水电开发有限公司；２．华能四川水电有限公司，成都６１００５１） 摘 要：结合电网直流输电、孤网运行对官地水电站调速系统的要求，介绍调速器建模试验及参数优化过程。 关键词：官地水电站；调速器；建模；参数；优化 Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｔｅｓｔ ａｎｄ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｏｖｅｒｎｏｒ ｉｎ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ＸＵＥ Ｘｉａｏｐｉｎｇ ，ＧＡＯ Ｘｉａ （１．Ｙａｌｏｎｇ Ｒｉｖｅｒ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ，ＬＴＤ； ２．Ｈｕａｎｅｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｃｏ．，ＬＴＤ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ＨＶＤＣ ａｎｄ ｉｓｏｌａｔｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｇｏｖｅｒｎｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｇｕａｎｄｉ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｏｖｅｒｎｏｒ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｇｕａｎｄｉ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ；ｇｏｖｅｒｎｏｒ；ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ０引言 官地水电站位于四川Ｉ省凉山彝族自治州西昌市、 盐源县的交界处．是继锦屏二级水电站之后．锦屏一 级水电站的又一补偿电站 共有４台混流式水轮发电 机组．总装机容量２４００ＭＷ．２０１２年３月首台机组投 运。根据国家电网输电规划．官地水电站与锦屏一、二 级水电站作为一组电源．通过西昌平台供电ＪＩＩ渝及经 和现场建模试验参数辨识测出 官地水轮机为东方电机的ＨＬＤ５３８一ＬＪ一７７０型． 额定转速１００ｒ／ｍｉｎ．设计水头１１５ｍ．调速器控制系统 采用南京南瑞集团公司生产的ＳＡＦＲ一２０００Ｈ型水轮 机调节系统，水轮机模型采用刚性水锤的表达式来描 述其动态特性： 告 嵩１．２调速器模型 ｗ （１） 锦苏特高压直流输电工程供电华东 跨区域大负荷输 电．使电网规模越来越大．相应对电力系统稳定控制 提出了更高要求 鉴于机组调速系统在提高电力系统 稳定性中的重要作用．建立与实际相符的模型．及对 相关参数进行辨识至关重要 式中， 为水流加速时间常数；Ｋ 为校正系数。 调速器系统调节原理如图１所示．有两个调节 环，前一个为频率主环（改进并联ＰＩＤ）．后一个ＰＩ调 节为导叶副环，ＰｇＶ是负荷的给定值 机组运行时主 要采用变结构、变参数、改进型ＰＩＤ控制．具备非线性 鲁棒控制规律．以抑制电力系统振荡．增加电力系统 阻尼。空载运行时，有开度闭环和转速闭环控制２种 调节模式；并网运行时，有开度闭环、转速闭环、功率 闭环控制３种调节模式 ｌ水轮机调速器模型 １．１水轮机模型 从电力系统的角度．根据调速系统的工作原理和 参数实测方便性．可将调速系统的模型分解成调速器 （由控制器和液压放大部分构成）、水轮机和引水管道 几个部分 水轮机和引水管道是被控制对象．发电机 的输出频率反映功率不平衡．具有强非线性．很难通 过实测确定其参数… 官地现场参数测试验证水轮机 模型时，发现 、 与机组运行工况有关，确实无法确 定其参数 而调速器模型的相关参数则可以通过设计 作者简介：薛小平（１９７５－），工程师，从事大型水电厂自动 控制维护管理工作。 收稿日期：２０１３—１１．０３ 图１水轮机调速系统 调速器系统增加导叶副环数字ＰＩ控制．使导叶 １２ ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｃａａａ．ｃｏｍ 自动化应用 闭环控制更精确，调速系统的动态响应、静特性指标、 开度测量准确性更好 最终控制输出实际上是对应导 叶偏差的增量信号 改进型并联ＰＩＤ控制比经典并联 ＰＩＤ在传递函数上少一个极点．稳定域较宽，具有更好 的动态调节性能 调速器的现场建模和参数辨识主要 针对ＰＩＤ控制进行，ＰＩＤ的传递函数表达式为： Ｇ ）：—Ｋｏ—ｓ２＋ＫｅＳ ＋Ｋｊ （２） 十ＤＤＡＩ了 式中，ｂ 为永态转差系数。 ２现场建模试验及参数测试 水轮机调速器所受的扰动分为小波动和大波动 两种 小波动涉及发电质量．是指调速系统受到微小 干扰．系统各参数变化不大．可以将调节系统各环节 线性化．用线性方程来描述的过程 而大波动涉及系 统安全性．是指系统受到幅度较大的干扰．参数变化 剧烈．不能做线性处理的过程Ｃ２ ３ 调速器建模和参数测 试的原理即建立一个可用于参数测试的水轮机调速 系统模型，模拟水轮机调速器受到大、小扰动后的过 渡过程．并录制过渡过程相应的波形 通过对波形进 行分析．从而确定ＰＩＤ控制等相关最优参数．确保调 速器系统的各项调节指标满足国家规程规范的要求 现场建模及参数测试试验通常由以下几部分组成 ２．１调速器静特性参数测试 调速器整机静特性测试目的是校核调速器永态 转差系数６ ，测量调速器的转速死区ｉ 测试方法：模拟机组进入并网工况．设置频率主 环参数比例增益为中间值 ：１０，积分增益为最大值 Ｋ＝１０，微分增益为最小值 ＝０，频率给定为额定值 ＝５０Ｈｚ。开度限制，Ｊ＝１００％，人工死区 ＝０；调整导叶 开度至５０％左右，按一个方向（升高或降低）逐次变化 频率反馈．使接力器全关或全开．每次调节待稳定后 记录当次频率和接力器行程百分值：分别绘制频率升 高或降低的调速器静态特性曲线．每条曲线在接力器 行程５％～９５％的范围内．测点不少于１２点：两条曲线 间最大区间即转速死区ｉ ．静态特性曲线斜率的负数 即永态转差系数６ 。 试验后经计算．转速死区为０．００６％．满足国家标 准，ｂ 选定为４％。 ２．２频率扰动试验 频率扰动试验目的是为了观察机组空载时调速 器的稳定性与各项调节指标．从中选择较好的调节参 数（ 、Ｋｉ、 ），使调节器品质达到最佳。 测试方法：手动将机组开启至空载，待机组转速 系统解决方案 濑 接近额定后．在触摸屏上选择有水试验界面．输人一 组ＰＩＤ初始参数和当前频率值．确认后再将机组切回 自动；设定不同的Ｋ 、Ｋｉ、 参数，输入不同频率阶跃， 进行空载扰动试验．根据记录的动态调节曲线．选择 动态稳定调节过程中效果最好的Ｋ。、 、 参数。 试验后选择调速器空载运行参数为Ｋ ：３、Ｋｉ＝０．２、 Ｋｄ＝１。 ２－３接力器关闭规律试验 接力器关闭规律试验目的是测量主接力器最短 开机时间 和关闭时间 接力器最短开启和关闭时间不是一个可调节的 参数．特别是最短关闭时间．它是由机组的调保计算 决定的［３］。在调速系统受到大扰动时，为确保机组过渡 过程中的安全 即解决水流惯性、机组惯性和调节性 能三者的矛盾。需进行调保计算 官地水流加速时间 常数 值较大，为满足ｒｊｒｏ（水流加速时间常数与机 组加速时间常数的比值１≤０．４．将导叶设为两段关闭． 拐点值整定为５５％ 测试方法：手动操作调速器液控柜开度增加按 钮．使接力器快速从全关至全开位．录制接力器位移 输出的过程以测量 ：手动操作紧急停机电磁阀，接 力器快速从全开至全关．录制接力器位移输出过程以 测量 。 试验结果显示最短开机时间ｒ，Ｄ为２０ｓ．最短关闭 时间为１０．５ｓ ２．４调速系统带负载一次调频试验 一次调频试验的目的是为了发挥水力发电机组 调频能力，使水轮发电机组随时适应电网负荷和频率 的变化，提高电能质量及电网频率的控制水平．保证 电网及发电机组安全稳定运行 测试方法：分别设定不同参数组．用频率发生器 改变输入调速器的频率．模拟改变网频：分别于额定 网频基础上施加正、负阶跃偏差频率信号（±０．１ＯＨｚ、 ±０．１５Ｈｚ、±０．２０Ｈｚ、±０．２５Ｈｚ等），对模拟网频、有功功率 和导叶开度信号进行录波，以测量调速器动态响应时 间。 试验结果：当开度模式与功率模式皆选定 ＝７、 Ｋ。＝５、Ｋｄ＝Ｏ，电网频率超过５０＿＋０．０４Ｉ－Ｉｚ时，机组能够正 常参与网频的调节．动态响应参数指标能够满足一次 调频运行管理规定中相关要求 一次调频限幅设定额 定功率的１０％ ２．５调速器甩负荷试验 甩负荷试验是在突甩负荷情况下．记录动态调节 过程．从而测试调速器的速动性及其动态调节品质 自动化应用 ２０１４ ３期 ｌ３ 系统解决方案 曩臻 謦嚣ｊ 瓣 臻 臻 此试验测量调速器不动时间、最高转速上升值、蜗壳及 尾水压力上升值、调速器调整时间和调整次数等参数 测试方法：通过机组甩２５％负荷波形图，直接求 出接力器不动时间 （以发电机定子电流消失或转速 上升到０．０２％为起始点．到接力器开始运动为止）：其 他值分别通过甩５０％、７５％、１００％负荷波形图得到。 试验结果：接力器不动时间 ：０．１Ｓ， 和各项调 节动态指标满足国标要求．． ３建模参数优化 官地地区电网接线构架故障后．官地电站孤网运 行的可能性较大 孤网运行时频率波动较大．对调速 器控制频率的性能要求更高 根据实测调速器模型参 数计算．孤网运行模式中的频率振荡呈发散趋势．官 地电站调速系统参数必须优化 为保证电力系统及机 组开启时引水系统压力管道安全．确定官地调速系统 优化开启时间不大于１５ｓ：考虑全程快速关闭时蜗壳 压力上升、转速上升及尾水管真空度对机组安全的影 响．确定时间不大于ｌＯｓ．一次调频限幅值不小于２０％ 额定有功功率 优化后系统故障情况下的孤网频率仿 真如图２所示 注： ：１５ｓ，Ｔ，＝ｌＯｓ，限幅为２０％ 图２调整调速器参数后，系统故障后的孤网频率 ３．１调速系统优化方案 （１）提高液压执行机构的响应速度：一方面调整 调速系统主配压阀限位螺母．从而缩小正常调节时的 开启和关闭时间：另一方面．由于分段关闭阀采用机 械反馈滚轮行程阀作为先导控制阀．先导控制阀与主 阀之间的距离引起分段关闭阀动作滞后．难以保证在 拐点５５％左右时投入第二段关闭．故将先导阀更换为 电磁阀减少分段整定值和实际动作值之间的偏差．优 化整定值在５５％附近．从而满足各种丁况下的关闭速 度要求 两段关闭电磁阀控制流程设计为：正常减负 荷关机．不投入分段关闭电磁阀：事故和紧急停机流 程中．当导叶到达拐点位置时投入两段关闭电磁阀．若 １４ ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｃａａａ．ｃｏｍ 自动化应用 在导叶拐点位置以下甩负荷．不投入两段关闭电磁阀 （２）适当放大一次调频限幅．增加调速系统的一次 调频能力 从现场测试数据分析．调速器在小扰动情况 下液压系统的响应速度偏慢．需要提高调速系统中导叶 副环增益及调整液压系统比例伺服阀放大板的增益 ｆ３）完善调速系统的孤网运行模式 调速器系统 中已经设计了针对孤网模式的调节模块程序．在监控 程序中增加一个启动孤网模式的开关量．即由监控系 统综合判断后．输出给调速器系统孤网模式信号．投 入调速系统孤网调节 （４）优化调速器ＰＩＤ调节参数 由于对调速器开 启和关闭时间、液压系统增益做过调整，需要对调速 系统负载情况下的ＰＩＤ参数进行优化．主要包括开度 模式和功率模式两组ＰＩＤ参数 ３．２参数优化后的实测及仿真计算结论 经过硬件改进和软件优化后．分别在开度模式和 功率模式下进行调速器建模动态试验 现场试验导叶 全开时间降低为１４．５ｓ（见图３）．全关时间降低至９．６ｓ （见图４）。执行机构速度有所提高，在５％阶跃扰动下， 上升时间由３．７ｓ降低至０．９ｓ 一次调频开度限幅为 １３％．对应功率限幅约１４０ＭＷ（２３％额定有功功率） 对实测结果进行仿真校核．结果表明．优化后调速系 统动态性能得到增强．实测建模结果能反映调速系统 的实际动作特性 ■：舞 ０ 摹 丰 ｌ ￡ 髑 ～ 一 鬻～ 图３优化后导叶全开录波 图４优化后导叶全关录波 （下转第２１页） 系统解决方案 鹾 拿毒 蠢◇囊≮曩 童０ 叠ｉ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ｍ ５ ∞ 载功率（ ・ ）不变，取５组数据记录于表５。 ７机械特性 表５弱磁调速相关数据 逐渐调小ＲＤＧ，同时记录ｎ、 ，断开Ｋ３，记录其空 ｍＡ ７０ ９０ １１０ １３０ １４５ １６１ 载转速ｎ，ｎ一 关系如表６所示。直流他励电机机械特 ｎ／（ｒ／ｍｉｎ） ２１５７ １９０３ １６４６ ｌ６３１ １５７１ １５６６ 性曲线如图６所示。 １．／ｍＡ ４５０ ３８９ ３３２ ３２０ ３１２ ３１０ 表６ ｎ—Ｔ关系表 电机转速及电枢电流随励磁电流的变化趋势如 ｎ／（ｒ／ｍｉｎ） １６６４ １６４５ ｌ６４２ １６４０ １６３５ １６３０ 图５所示。弱磁调速过程中，由于励磁电流减小，电机 Ｔ／（Ｎ・ｉｎ）０ １１．７ １４．２ １５ ２ １６．４ ２０．２ 转速上升。由此可推断当励磁为零时，转速无限大，导 ６７Ｏ 致“飞车”。并且在此过程中由于励磁减小，反电势跟 皇 ６６０ 暑 ６５０ 随减小，造成电枢电流增大。 ６４０ 剥 粹 ６３０ 基 ６２０ ６ｌＯ ６００ 负载转矩／『Ｎ・ｍ１ 图６直流他励电机机械特性曲线 ８结语 在一个电路中．实现了电机拖动部分的降压起 动、全压起动、电枢回路串起动电阻起动、正反转控 制、反接制动、弱磁调速、机械特性等实验。 参考文献 ［１］任艳君．电机与拖动［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１０ （上接第１４页） ５Ｈｚ：同时完善逻辑，在孤网运行模式时调速器自动 调速器在联网模式下仿真优化的参数为Ｋ ＝３、 将控制参数切换到此套运行参数．以保证调节的可 Ｋ ＝１、Ｋｄ＝１、 ｕ＝＝４％，一次调频死区０．０５Ｈｚ，一次调频无 靠性与稳定性。 限幅 在此参数配置下．电网故障后孤网频率最大偏 ４结语 差约０．８８Ｈｚ．且振动收敛 ３．３孤网模式下的参数优化 通常水轮发电机组调速器建模试验及参数测试 模拟电网孤网运行．调速系统采用正常运行负 结果．满足国家规程规范对调速系统调节性能指标的 载ＰＩＤ时．电网出现了低频振荡现象 系统进入孤网 相关要求即可 官地电站通过建模及参数优化．提高 运行模式以后．负载模式发生改变．导致电网的特性 了调速器系统快速响应的能力．增强调速器系统适应 发生了很大的变化．正常联网模式下使用的负载ＰＩＤ 孤网运行的能力．不仅满足相关国家标准．而且满足 参数不太适用于孤网模式。正常联网的控制参数为： 电网对电站调速系统快速调节及稳定运行的要求 。＝３、Ｋｉ＝１、Ｋｄ＝１、Ｂ。＝４％，一次调频死区为Ｅ＝±０．０５Ｈｚ。 参考文献 从参数上来看，积分增益Ｋ 取值偏大，死区偏小。孤 ［１］刘昌玉．水轮机调速系统建模与参数测试［Ａ］．２００９中 网模式下．系统频率波动较大．导致ＰＩＤ调节的速度 国水电控制设备论文集『Ｃ］．２００９ 过快、出现超调现象．从而造成系统来回低频波动 ｆ２】彭天波．水电厂调速系统建模参数测试与现场试验方 因此．调试并优化出一套适用于孤网运行模式的运 法［Ｊ］．湖北电力，２００９，３３（１）：４０—４２ 行控制参数： 。＝３、 ＝０．２、 ＝１、Ｂ。＝１％、Ｅ＝±０．２～０． ［３］魏守平．水轮机调节 ．武汉：华中科技大学出版社，２００９ 自动化应用 ２０１４ ３期ｉ ２ｌ