摘要：本文介绍了在柬埔寨薄弱电网下，桑河二级水电站结合灯泡贯流式机组转动惯量小、水头低、流量大的特性，为满足柬埔寨电网有功调节要求，规避监控系统有功调节时对灯泡贯流式机组的不利影响，确保有功调节性能的快、准、稳所做的监控系统有功调节控制策略优化，并经试验和实际运行，结果表明控制策略的合理性、可行性和有效性，为其它类似电站提供可借鉴的经验。
关键字：薄弱电网；灯泡贯流式机组；有功调节；控制策略
前言：桑河二级水电站位于柬埔寨王国上丁省（Stung Treng）西山区境内的桑河（Se San）干流上，为桑河和斯雷波克河汇合处后规划的梯级电站的最后一级，是一个综合性的水利项目，主要以发电为目的。为径流式电站，装机容量为400MW，设8台单机容量为50MW的灯泡贯流式水轮发电机组。水库正常蓄水位75m，死水位74m，正常蓄水位相应的库容为17.925亿m3，有效调节库容3.3316亿m3。保证出力105.03MW，多年平均发电量为19.70亿kW×h，装机年利用小时4925h。电站建成后，以交流2回230kV输电线路接入230kV上丁（stung treng）变电站，并上网出售。
鉴于柬埔寨电力发展水平较低，电力基础极其薄弱，《柬埔寨电网规范》及《柬埔寨电力技术标准》仅规定了频率的正常运行范围50±0.5Hz，对有功调节的速率、调节精度、响应时间均未要求。
由于灯泡贯流式机组调速器系统为双调节，机组动态调节品质难以控制。正常运行时，灯泡贯流式机组导叶与桨叶开度应处于协联运行，以确保机组的效率和运行工况达到相对优良状态。但在动态调整过程中，桨叶和导叶并不同步运行，有功调节的频繁动作导致机组的协联关系遭到严重破坏，机组振动加剧、流道内水压脉动波动、发电机转子受到交变应力。加上柬埔寨电网容量小，无大容量固定负荷用户，主要为居民生活用电（以空调居多），电网调频频繁（根据近一年的运行经验，平均每5分钟调度下令调整一次有功）。电网频繁的调频及监控系统有功调节的动作时间长、超调等严重破坏了桨叶和导叶的协联关系，影响水轮发电机组的安全稳定运行。
1电站监控系统配置及电网规范要求
1.1监控系统配置
桑河二级水电站计算机监控系统采用南京南瑞集团NC2000系统，机组现地控制单元（LCU）为南京南瑞集团公司SJ-500型LCU。目前电站有功调节模式为调速器采用开度模式，由监控系统实现有功功率调节闭环，即监控系统设定有功功率目标值，调速器系统接收监控系统开出脉冲进行导叶开度调节，然后监控系统根据有功功率反馈值进行有功闭环控制。
1.2电网规范要求
根据桑河二级水电站BOT协议规定，在满足《柬埔寨电网规范》的前提下，若柬埔寨电网无相关要求，则执行“熟练的富有经验的国际承包商和/或国际运营商”在同类业务上的标准。为推进中国标准走向国际化，在机组有功调节性能方面参照中国标准。
根据国家能源局和南方电网对并网电厂辅助服务管理及并网运行管理（简称“两个细则”），电站提供自动发电服务，有功调节的速率宜≥50%额定容量/min、调节精度≤1%/额定容量、响应时间≤30s。
2有功调节存在的问题及分析
2.1有功调节存在的问题
根据桑河二级水电站在2—4号机组投产阶段的调试情况，依据“两个细则中”对有功调节的调节速率、调节精度、响应时间的要求，发现调节速率均＜30%额定容量/min、响应时间均＞30s，有功调节不达标，具体试验数据如表1所示：
表1 2—4号机组有功调试试验数据
此外，在机组投产进入运行期以后，1—4号机组有功调节频繁出现超调情况，并出现不同程度的有功波动，持续时间不等。以4号机组其中一次有功调节时的功率波动为例，详见下图：
图1 4号机组有功调节时有功功率波动曲线
2.2原因分析
通过对南瑞机组LCU有功调节PID控制策略分析发现，PID控制策略中仅采用了比例调节，积分与微分环节并未采用，即PIDQ.KP：=350、PIDQ.KI：=0、PIDQ.KD：=0。并提供了调节脉冲最大长度（P_MAX）、调节脉冲最小长度（P_MIN）两组参数，以限制监控调节脉冲的宽度（调节脉冲最大长度（P_MAX）、调节脉冲最小长度（P_MIN）两组参数需根据真机试验进行选择，过大的参数设置，会导致有功调节时超调或调节不到位、响应时间过长等，严重时会导致有功调节时的有功功率波动）。此种算法实际上是一种逼近算法，并不是PID控制策略。当调节量较大时，调节速率高，越接近有功目标值时，调节速率越慢，且容易出现超调。
PID控制策略的性能取决于Kp、Ki、Kd参数的整定，仅使用Kp参数进行控制，方式过于单一且灵活性不足。对于水轮发电机这样的惯性被控对象，既要保证调节速率，又要保证不超调或少超调及响应时间，导致Kp参数非常难于整定，很难满足有功调节调节速率、响应时间和超调量的要求。
3有功调节控制策略优化及工程应用效果
新的有功调节控制策略采用三段式，参数由比例系数PIDPKP1、PIDPKP2、PIDPKP3、调节脉冲最大长度（P_MAX）、调节脉冲最小长度（P_MIN）共5个参数组成。有功调节差值≥5MW时，采用PIDPKP1；2MW≤有功调节差值＜5MW时，采用PIDPKP2；0MW＜有功调节差值＜2MW时，采用PIDPKP3。其中，PIDPKP1、PIDPKP2用于保证有功功率调整时的调节速率，PIDPKP3用于保证有功功率小范围的调节速率并防止超调。
2018年6月11日 桑河二级水电有限公司在5号机组投产调试过程中对该控制策略进行了实际工程验证，经过参数择优，最终确定PIDPKP1=500、PIDPKP2=375、PIDPKP3=250、P_MAX=2000、P_MIN=50。具体试验数据如下：
表2 5号机组有功调节试验数据
图2 5号机组有功功率调节试验曲线
由以上5号机组有功调节试验数据可以看出，相比2—4号机组，有功调节响应时间缩短为25.4s，满足规范要求；有功调节速率由之前的23.7%提升为36.6%，且无超调。
2018年7月份，桑河二级水电站对1—4号机组LCU有功调节控制策略进行了全部更新，截止到投稿日期，1—4号机组有功调节时有功功率频繁波动的现象消失，有功调节快、准、稳，有效改善了有功调节过程中桨叶和导叶的协联运行工况，缩短了非协联运行时间。
结语：从1—5号机组试验结果和实际运行情况来看，在监控系统机组LCU中采用三段式有功功率调节的控制策略，可有效改善薄弱电网下灯泡贯流式机组的桨叶和导叶非协联工况，并显著提高了有功调节的调节速率和响应时间，表明了文中所述控制策略的可行性和有效性，对其它类似电站有一定的借鉴意义。当然，若其它电站有更为苛刻的要求，可将三段式调整为四段或五段，甚至更多，以满足实际运行需求。
作者简介：
裴红洲（1984-03），男，工程师，主要研究方向：电力系统自动化控制。
李明（1986-07），男，工程师，主要研究方向：电力系统
高瑞（1992—06），男，助理工程师，主要研究方向：电力系统自动化控制
论文作者:裴红洲,李明,高瑞
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/4/1
标签：机组论文; 柬埔寨论文; 电网论文; 速率论文; 策略论文; 功率论文; 监控系统论文; 《电力设备》2018年第29期论文;