吳 昊，陳鳳華

（1.中國南方電網(wǎng)有限責任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣州 從化 510950；2.中國南方電網(wǎng)有限責任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司惠州蓄能水電廠，廣東 惠州 516100）

抽水蓄能機組背靠背工況下的頻率控制策略及典型故障研究

吳 昊1，陳鳳華2

（1.中國南方電網(wǎng)有限責任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣州 從化 510950；2.中國南方電網(wǎng)有限責任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司惠州蓄能水電廠，廣東 惠州 516100）

由于抽水蓄能電廠在電網(wǎng)中作用的特殊性，其在電網(wǎng)負荷低時需要快速響應(yīng)開啟抽水工況，而背靠背是抽水啟動的兩個方式之一。本文通過對抽水蓄能機組背靠背拖動工況下的自動頻率控制策略進行分析，以典型拖動失敗事件為案例，研究得出故障原因，提出故障解決辦法及預(yù)防措施。

抽水蓄能；自動頻率控制；背靠背拖動；故障研究與解決

1 引言

抽水蓄能機組在電網(wǎng)中，主要起到調(diào)峰調(diào)頻、事故備用、黑啟動等重要作用，由于用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高、電網(wǎng)的穩(wěn)定運行指標越來越嚴格，配備抽水蓄能機組已成為區(qū)域大電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

由于蓄能電廠在電網(wǎng)中作用的特殊性，其具有發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相和停機穩(wěn)態(tài)5個穩(wěn)定狀態(tài)，且蓄能機組啟停頻繁，為了幫助電網(wǎng)“削峰填谷”，其在夜間電網(wǎng)負荷低時需要快速響應(yīng)電網(wǎng)負荷開啟抽水工況。蓄能機組由停機穩(wěn)態(tài)達到抽水工況，首先在抽水調(diào)相工況下達到并網(wǎng)，這就需要由拖動裝置使機組達到并網(wǎng)條件，靜止變頻器（SFC）就是利用晶閘管將工頻交流電輸入變成連續(xù)可調(diào)的變頻交流電輸出的裝置，該裝置是抽水蓄能機組的主力拖動裝置。但目前，SFC在我國蓄能電廠的應(yīng)用上還面臨著造價高、國外技術(shù)壁壘、設(shè)備可用率偏低等問題。而背靠背啟動方式作為備用的啟動方法顯得額外重要。拖動工況由于涉及兩臺機組，一臺作為發(fā)電機、一臺作為電動機，且涉及的開關(guān)與刀閘多、回路廣，程序流程復雜，對程序設(shè)計及一次設(shè)備的配合、二次設(shè)備的控制水平提出較高要求，更對運行維護人員的設(shè)備運維水平及故障查找能力提出新的挑戰(zhàn)。

本文通過對抽水蓄能機組拖動工況下的自頻率控制策略進行分析，以廣州蓄能水電廠某次典型拖動失敗事件為案例，研究得出故障原因，提出解決辦法及預(yù)防措施?？勺鳛閷I(yè)技術(shù)人員研究蓄能機組拖動工況原理和解決類似故障的參考，亦可為設(shè)備廠家和科研調(diào)試人員提供技術(shù)依據(jù)。

2 拖動工況下的控制策略與調(diào)節(jié)原理

2.1 預(yù)啟動過程及拖動主軸的建立

在蓄能機組預(yù)啟動階段，無論是發(fā)電、抽水還是拖動工況，主要進行機組輔助設(shè)備的啟動，為后期機組動作準備。如：投入機組冷卻水系統(tǒng)、開啟母線風機、調(diào)速器油路建壓及開通、開啟循環(huán)油系統(tǒng)等。

背靠背啟動過程同SFC拖動一樣，均需建立電氣軸，實現(xiàn)一個電能由拖動機組傳輸?shù)奖煌蟿訖C組的傳輸通道。該電能輸送通道由拖動機出口開關(guān)、拖動刀閘、拖動母線、被拖動刀閘建立，如圖1所示。

圖1 背靠背拖動的能量傳遞

2.2 自動頻率控制

在拖動階段，最終目的是使被拖動機組實現(xiàn)并網(wǎng)，以吸收電網(wǎng)側(cè)功率達到“削峰”的作用。故此階段的被控參數(shù)為機組頻率，而由于電氣主軸的建立，勵磁系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)子電流使被拖動機組作為拖動機的負載，故背靠背的兩臺機組頻率一致。

在此階段，拖動機組控制流程與發(fā)電啟動時基本一致，其作為發(fā)電機運行，水輪機帶動大軸使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，勵磁加在轉(zhuǎn)子上，并使定子產(chǎn)生反作用磁場，待這兩個磁場達到動態(tài)平衡，定子即產(chǎn)生了和水輪機同樣頻率的穩(wěn)定電壓。而被拖動機組作為電動機，拖動裝置（SFC或一臺發(fā)電機）發(fā)出電壓通過電氣軸加在電動機定子上，電動機的定子從而產(chǎn)生交變磁場，勵磁加在轉(zhuǎn)子上，亦產(chǎn)生感應(yīng)磁場，二者達到動態(tài)平衡時，被拖動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與拖動裝置的轉(zhuǎn)速達到一致。

但需說明的是，由于此時拖動機組帶著另一臺機組在運行，其頻率控制策略不可簡單沿襲發(fā)電，而應(yīng)作出調(diào)整。而為減輕拖動負載，在拖動時被拖動機組應(yīng)通過高壓氣將水壓至轉(zhuǎn)輪以下，僅留少量水形成水環(huán)留作潤滑冷卻，以此減小摩擦阻力。

法國ALSTOM生產(chǎn)的TSLG型調(diào)速器拖動頻率控制邏輯見圖2。在第一階段，調(diào)速器收到拖動指令后，調(diào)速器的導葉開度設(shè)定值首先由參數(shù)VT_BBLC設(shè)定為一個預(yù)開度，用于啟動水輪機，該過程持續(xù)時間由BB_TMP1控制。BB_TMP1時間后進入第二階段，調(diào)速器投入拖動一級開限LO_BB1，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，這個開限一般比預(yù)開度小，這將使導葉開度回調(diào)，但機組轉(zhuǎn)速仍會繼續(xù)上升，待機組轉(zhuǎn)速升至VT_BBMN后進入第三階段。第三階段，調(diào)速器進入升速階段，此階段不再直接控制導葉開度而是控制機組頻率，調(diào)速器以一個固定速率增加機組頻率設(shè)定值，同時為避免大幅超調(diào)，在此階段調(diào)速器投入拖動二級開限LO_BB2，直到機組到達50 Hz。

上述策略由調(diào)速器內(nèi)部的順序控制程序設(shè)定，通過過程控制閉環(huán)負反饋系統(tǒng)實現(xiàn)。在此過程控制系統(tǒng)中，第一第二階段的控制參數(shù)為導葉開度，第三階段的控制參數(shù)為機組轉(zhuǎn)速。以第三階段為例，如圖3所示，控制環(huán)由設(shè)定值（機組轉(zhuǎn)速曲線）、反饋值（經(jīng)微分處理的機組頻率）、PI調(diào)節(jié)和限制模塊等組成。當反饋傳感器測定的機組頻率與設(shè)定值產(chǎn)生偏差時，PI環(huán)節(jié)起作用，并向該偏差值的反方向進行調(diào)節(jié)，直至偏差為0。而限制模塊起到減小超調(diào)、穩(wěn)定輸出的作用；微分環(huán)節(jié)則有利于提前得知機組頻率變化趨勢，提高控制特性。

該邏輯是當今采用的主流控制邏輯之一，但并不唯一，比如福伊特公司生產(chǎn)的調(diào)速器的拖動邏輯與此大同小異，均是將機組啟動后再使其轉(zhuǎn)速以斜坡曲線形式上升。

圖2 調(diào)速器拖動頻率升速示意圖

圖3 調(diào)速器拖動邏輯框圖（第三階段）

3 典型拖動失敗

綜合以上對拖動邏輯的論述可知，在拖動工況下典型故障無非以下3種：電氣主軸建立失敗；拖動或被拖動機自身出現(xiàn)故障，導致拖動失??；拖動動力不足導致機組轉(zhuǎn)速上升過慢，流程超時。下面以廣州蓄能水電廠A廠某次典型拖動失敗事件為案例，進行故障研究。

3.1 故障簡述

2014～2015年，廣蓄A(yù)廠出現(xiàn)兩次3號機組拖動4號機組失敗事件，查詢機組流程，失敗的直接原因為開始拖動后，機組轉(zhuǎn)速未在規(guī)定時間內(nèi)上升。

3.2 故障現(xiàn)象

拖動主軸已建立，拖動機導葉已按設(shè)定值打開，兩臺機組勵磁投入正常，兩臺機機端電壓幾乎為零（正常應(yīng)隨著轉(zhuǎn)速上升而上升至19 kV），機組輕微蠕動、隨后拖動失敗。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)EVENTLOG記錄信息可以看出，在被拖動機勵磁開關(guān)合后，轉(zhuǎn)速未在規(guī)定時間內(nèi)上升，導致超時跳機。（廣蓄A(yù)廠下位機程序設(shè)定：被拖動機組勵磁開關(guān)合后，需在30 s內(nèi)上升至5%額定轉(zhuǎn)速，否則拖動失敗。）

3.3 初步判定直接原因

動力不足導致機組未轉(zhuǎn)，超時啟動失敗。

3.4 統(tǒng)計分析及推斷

在之前3號機組成功拖動4號機組的記錄中發(fā)現(xiàn)，從被拖動機4號機組勵磁開關(guān)合到轉(zhuǎn)速上升到5%額定轉(zhuǎn)速，耗時在25～27 s左右不等；而3號機組拖動2號機組或2號機組拖動1號機組等不涉及4號機組的拖動啟動，此過程耗時均在22～24 s之間。

遂懷疑4號機組阻力偏大或說固有特性相對較差，故而導致其他機組需要提供更大的動力才能將其拖動成功。而之前3號機組調(diào)速器所設(shè)置的拖動參數(shù)很可能處于一個較臨界位置，所以有時候拖動成功但用時較長（達到5%轉(zhuǎn)速耗時27 s），而有時又會拖動失敗。

3.5 根本原因分析

從拖動工況的頻率控制策略上說，該策略通過順序程序?qū)⑦^程控制優(yōu)化，科學可靠，成功率高。從機組RTU程序允許的啟動時間設(shè)定上說，拖動機組勵磁開關(guān)合后，在30 s內(nèi)上升至5%額定轉(zhuǎn)速，已經(jīng)是一個相對寬裕的設(shè)定，且故障時機組只是輕微蠕動，沒有升速跡象。

對于根本原因是4號機組阻力偏大的懷疑，如下3點可以佐證。

（1）發(fā)電工況轉(zhuǎn)速上升數(shù)據(jù)

分析4號機組正常發(fā)電時的轉(zhuǎn)速上升速率，與其他機組進行比較。導葉開啟后，同樣時間內(nèi)（7 s）4號機組較其他機組轉(zhuǎn)速上升確實慢，見表1。

表1 廣蓄A(yù)廠4臺機組發(fā)電工況轉(zhuǎn)速上升情況

（2）建模仿真試驗

廣東電網(wǎng)電科院輪機所配合廣蓄電廠進行了機組原動機及調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實測與建模工作。水輪機及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)可分成3個系統(tǒng)分級建模：調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型、執(zhí)行機構(gòu)模型和引水道水輪機模型。通過試驗得到靜特性、永態(tài)轉(zhuǎn)差率、頻率死區(qū)、接力器反應(yīng)時間常數(shù)等參數(shù)。

首先，根據(jù)參數(shù)實測結(jié)果將參數(shù)帶入調(diào)速器模型中，使用TGM2000建模平臺軟件仿真導葉開度的頻率階躍響應(yīng)曲線，并與實測動態(tài)頻率擾動導葉開度波形進行了對比，得出該自定義調(diào)速器模型（包括調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型、執(zhí)行機構(gòu)模型）與實測曲線吻合度較高，滿足南方電網(wǎng)企業(yè)標準《中國南方電網(wǎng)同步發(fā)電機原動機及調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)測試與建模導則》要求［5］。

而后，使用TGM2000建模平臺根據(jù)實測數(shù)據(jù)使用改進的最小二乘法（LS）或遺傳算法（GA）辨識得到引水道水輪機模型，亦均滿足標準要求。

最后，將三級模型進行組合后使用TGM2000平臺進行仿真校驗，自定義調(diào)速器模型、辨識得到的引水道水輪機模型能夠準確模擬導葉開度、有功功率的頻率階躍響應(yīng)過程，相關(guān)誤差符合規(guī)程要求。

經(jīng)整合，在采用LS法辨識的情況下，廣蓄A(yù)廠4臺機組液壓隨動系統(tǒng)-引水道水輪機傳遞函數(shù)分別如下。

使用MATLAB仿真模塊得出廣蓄A(yù)廠1號～4號機組“液壓隨動系統(tǒng)-引水道水輪機”傳遞函數(shù)階躍響應(yīng)仿真曲線，如圖4所示，圖中橫坐標為時間，縱坐標為標幺值。

依據(jù)該階躍響應(yīng)曲線計算得出4臺機組固有調(diào)節(jié)時間（取5%為穩(wěn)定范圍）分別為：5.154 s，4.962 s，3.231 s，10.0 s?？梢?，4號機組液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間確實偏大，也就是說相比其他機組，4號機組其需要更大的動力才能及時升速。

（3）發(fā)電空載開度

廣蓄A(yù)廠4臺機組空載開度設(shè)置如表2，此數(shù)據(jù)也可佐證4號機組在開機時達到空載狀態(tài)確實需要更大動力。

圖4 廣蓄A(yù)廠1號～4號機組“液壓隨動系統(tǒng)-引水道水輪機”傳遞函數(shù)階躍響應(yīng)仿真曲線

表2 廣蓄A(yù)廠4臺機組發(fā)電空載開度

3.6 解決措施及后續(xù)建議

經(jīng)過以上分析得出結(jié)論：在不改變控制策略及機組RTU程序設(shè)定的情況下，根據(jù)能量守恒，為滿足控制需求，必須使控制參數(shù)適應(yīng)4號機組相對稍差的響應(yīng)特性，即：適當加大機組拖動參數(shù)，克服拖動阻力，為拖動工況提供足夠大的水力支持。運維人員決定以增大拖動程序中第一階段的預(yù)開度和第二階段的開度限制的方式達到此目的。經(jīng)多次試驗調(diào)試出適配參數(shù)后，3號機組背靠背拖動4號機組成功，錄制波形顯示機組拖動平穩(wěn)、與勵磁系統(tǒng)配合正常，轉(zhuǎn)速上升時間符合要求（24 s）。

因廣蓄A(yù)廠調(diào)速器控制系統(tǒng)為新投運設(shè)備，但改造后并未進行過所有機組的互相拖動試驗，故障后運維人員意識到4臺機組自身特性不一，故后續(xù)廣蓄電廠已著手進行4臺機組的互相拖動試驗，防止再次出現(xiàn)因動力不足導致拖動失敗的情況。

4 結(jié)論

本文以廣州蓄能水電廠某次典型拖動失敗事件為案例，結(jié)合頻率控制這一典型過程控制策略的研究，通過建模仿真、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和調(diào)試試驗，得出故障較深層次原因，進行了歸納總結(jié)，提出了解決辦法及預(yù)防措施。

［1］金以慧.過程控制［M］.北京：清華大學出版社，1993.

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［3］駱 林，馬志云.抽水蓄能電動發(fā)電機組背靠背起動過程仿真研究［J］.大電機技術(shù)，2005（6）：11-15.

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［5］沈 斌.某抽水蓄能電站靜態(tài)變頻器（SFC）原理簡介［C］//2009年南方十三省（區(qū)、市）水力發(fā)電工程學會聯(lián)絡(luò)會暨學術(shù)交流會電氣拖動論文集.廣西：水力發(fā)電工程學會，2009.

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1672-5387（2016）07-0023-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.007

2016-03-21

吳 昊（1990-），男，助理工程師，從事抽水蓄能機組監(jiān)控及調(diào)速系統(tǒng)的原理和缺陷研究工作。