周 攀，孙慧芳，邓 磊

(国网新源控股有限公司技术中心，北京 100073)

随着水力设计水平的逐步提高，越来越多抽水蓄能电站输水管路采用一管多机的布置形式[1]，为了校核机组过渡过程计算，确保同一流道机组同时发电运行的安全性，需要对一管多机并列运行的机组进行负荷干扰试验。当进行水力干扰试验时，由于一台号机组导叶、球阀快速关闭，导致同一流道内的另一台机组球阀前端压力的急剧上升，因此会造成该机组出力上升。

调速系统作为水电站最重要的辅机之一，负责控制机组导叶开启、频率控制、负荷调整和工况转换等重要任务，其控制策略的可靠性直接影响机组的安全稳定运行[2]。本文主要探讨调速器不同控制策略对同一流道机组负荷干扰试验的影响。

1 试验条件

下面以浙江某抽水蓄能电站为例介绍调速器处于不同的控制模式下进行负荷干扰试验时，机组负荷变化受到的影响。

1.1 电站参数

电站引水输水管路采用一管两机，尾水输水管路采用一洞两机的布置形式，电站主要参数如表1所示。

1.2 导叶关闭规律

水轮机方向运行时导叶关闭规律设计为2段，拐点为58%；其中第一段关闭时间为8.7 s；第二段关闭时间56.9 s。

现场实际导叶关闭规律测试结果如图1所示。

表1 电站主要参数表

图1 导叶水轮机方向时间规律测录图

实测拐点为56.67%；其中第一段关闭时间为8.67 s；第二段关闭时间64.59 s，满足设计要求。

1.3 设计保证值

根据调节保证计算，在考虑压力脉动的情况下，计算了在一管双机负荷干扰情况下的过渡过程保证值，并对机组功率摆动情况进行了测算，主要参数见表2所示。

表2 参数设计保证值

1.4 调速器控制模式

调速系统的控制模式一般分为频率环，开度环和功率环，控制逻辑示意图见图2。

图2 调速器控制逻辑图

(1)频率调节。以机组转速为控制目标，一般频率给定为50 Hz。例如机组在空载运行时，控制导叶开度调节机组频率为设定值，以便机组能同期并网运行；在发电时调速器检测机组频率与频率给定的频差Δf，当该频差超过设定值Ef时，调速器会根据设定的调差系数Bp按照公式(1)进行负荷调整Δp，这也就是所谓的一次调频功能[3]，这是调速器的固有特性，不受运行方式影响。

(1)

式中：Δp为功率变化率；Pr为额定功率；Δf为频差；Ef为一次调频死区；Bp为调差系数。

(2)开度调节。以导叶开度为控制对象进行闭环控制。例如机组在开机过程中以空载开度为目标进行导叶开启，控制机组转速逐步上升；机组在抽水工况运行时，调速器根据上下库水位按照主机厂家提供的扬程、开度曲线进行寻优开启导叶抽水。

(3)功率调节。以机组功率为控制对象进行闭环控制。例如机组在发电工况时采用调速器功率闭环模式运行，监控仅下发功率设定值，调速器进行导叶开启关闭，当负荷达到监控设定值后本次调节完成。当功率反馈回路故障状态下，调速器可以切至开度模式，此时监控系统根据负荷曲线调节调速器开度，完成闭环控制[4]。

在发电工况时，调速器主要有2种运行模式：开度闭环和功率闭环，其中功率闭环为主，开度闭环为辅。二者可以切换运行。

2 试验结果与分析

为了分析调速器运行方式对同一流道负荷扰动试验的影响，根据调速器运行模式不同，现场进行了2次负荷干扰试验：

(1)1号流道：1号机组调速器处于功率模式带满负荷运行，2号机组甩100%负荷；

(2)2号流道：3号机组调速器处于开度模式带满负荷运行，4号机组甩100%负荷。

2.1 功率闭环模式下的负荷干扰试验

1号机组功率模式运行时2号机组甩满负荷干扰试验，甩时上库水位661.7 m，下库水位194.9 m；现场实测试验数据见表3所示。

表3 1号流道负荷扰动试验数据记录表

试验结果显示：1号机组蜗壳末端最大压力6.165 MPa，尾水进口最低压力0.497 MPa，2号机组最高转速为128.48%，蜗壳末端压力最大值为6.949 MPa，尾水进口最低压力为0.536 MPa，满足调节保证要求。

1号机组最大出力至445.58 MW，瞬时超出力18.82%；1号机组最大瞬时电流为1.075倍额定电流，未达到定子过负荷保护、复压过流保护启动门槛值，保护均反应正常。

2.2 开度闭环模式下的负荷干扰试验

3号机组开度模式运行时4号机组甩满负荷干扰试验，甩时上库水位666.2 m，下库水位200.1 m；现场实测试验数据见表4所示。

试验结果显示：3号机组蜗壳末端最大压力5.949 MPa，尾水进口最低压力0.476 MPa，4号机组最高转速为127.40%，蜗壳末端压力最大值为6.734 MPa，尾水出口最低压力为0.522 MPa，满足调节保证要求。

3号机组最大出力至471.51 MW，瞬时超出力25.74%；3号机组最大瞬时电流为1.132倍额定电流，达到定子过负荷保护定值，但延时时间未到，保护未启动；未达到复压过流保护启动门槛值，保护均反应正常。

2.3 试验结果分析

表4 2号流道负荷扰动试验数据记录表

对2次试验结果比较发现3号机组负荷上升率较1号机组高6.92%，这是因为2台机组的调速器控制模式不同造成的。1号机组处于功率闭环模式运行，调速器的负荷设定值为375 MW，当发生负荷干扰试验时，由于2号机组甩负荷引起的水力干扰造成1号机组蜗壳进口压力上升，根据上文水力因素章节所述，机组出力瞬间会增加；1号机组调速器在检测到功率反馈上升后，根据功率闭环控制原理[5]，调速器会关闭导叶至68.05%控制机组功率保持在375 MW的控制目标。所以1号机组的功率上升是水力因素造成的，但是最终调速器会根据负荷设定值将机组功率调整下来，满足闭环控制。

由于3号机组调速器处于开度模式运行，监控系统设定机组功率为375 MW，调速器将导叶开度开启至86.27%，监控系统检测到机组功率满足设定要求后，监控系统退出功率调整，功率设定值跟随功率反馈值。当发生负荷干扰试验时，由于4号机组甩负荷引起的水力干扰造成3号机组蜗壳进口压力上升，机组出力增加，此时监控系统退出功率调节，由于3号机组调速器处于开度模式，对机组功率也不作闭环控制，原则上其导叶开度应维持在当前开度不变，但是试验过程中导叶实际开度降为83.46%。经分析发现，这是因为4号机组甩负荷引起的水力干扰造成3号机组蜗壳进口压力上升，3号机调速器自动水头计算取自蜗壳进口压力与尾水管出口压力之差，因此调速器在负荷干扰期间的水头也上升了，由于调速器的水头与电气开限是反比关系[6]，因此在水头上升的情况下，机组电气开限会对应减小，在当前水头下调速器的实际电气开限是83.46%。因此在负荷干扰试验时3号机组导叶开度是电气开限压制导叶开度至83.46%。

因此在负荷干扰试验时3号机组的导叶开度较1号机组高15%左右，造成3号机组的功率上升较1号机组高6.92%；该差异的原因就是调速器的控制模式造成的，但该负荷上升率在设计计算范围内，相应保护也未动作。满足设计要求。

3 结 语

机组负荷干扰试验是测试同一流道内的多台机组是否具备同时运行能力的试验，在引水系统为一管多机形式的电站投产运行前必需完成。调速器在发电工况下一般多采用功率闭环的调节模式，对一管多机并列运行时的负荷摆动具有一定的抑制作用，因此在试验前应对调速器、监控系统的控制模式和负荷调节特性进行识别，以便针对电站在运行工况下的极端水力条件进行现场试验[7]，保证机组安全稳定运行。

本文介绍的同一流道内的双机运行情况下的负荷干扰试验方法和结果可对业内其他电站的相关试验提供借鉴和帮助。

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[1] 梅祖彦.抽水蓄能技术[M]. 北京：清华大学出版社, 1988.

[2] 周 攀,钱 凤,何林波,等. 基于抽水蓄能机组调速系统控制策略的研究与开发[J]. 水电自动化与大坝监测,2013,(4):7-12.

[3] 沈祖诒.水轮机调节[M].北京：中国水利电力出版社,1988.

[4] 周 攀,王 青,王 玮,等. 300 MW级国产抽蓄调速系统在响水涧电站的应用[J]. 水电自动化与大坝监测,2014,(2):80-83,89.

[5] 周 攀,邓磊,周东岳,等. 一种功率闭环模式下的一次调频实现方法及装置[P]. 北京：CN104993502A,2015-10-21.

[6] 荣 红,吕 奇,钱 凤,等 水轮机控制对电力系统频率稳定性意义的再思考[J]. 水电厂自动化,2016,(2):39-42.

[7] 周振忠,苟东明,易忠有,等. 水电站双机相继甩负荷与尾水管最小压力分析[J]. 水电站机电技术,2013,(5):1-3+11,71.