（1桑河二级水电有限公司 云南昆明 650000；
2桑河二级水电有限公司 云南昆明 650000；
3华能澜沧江水电有限公司新能源 云南昆明 650000）
摘要：由于灯泡贯流式机组转动惯量小、水头低、流量大的特性，机组在甩100%额定负荷后，导叶迅速关闭，极易出现频率低于45Hz，引发励磁系统低频灭磁保护动作，导致机组逆变灭磁。对于无外来地区电源或外来地区电源不可靠的电站来说，厂用电将无法保证，导致烧瓦、烧主轴密封等损坏设备的事故发生。对此，桑河二级水电站根据现场1-6号机组的调试经验，成功解决了灯泡贯流式机组甩100%额定负荷低频问题，证明了该控制策略的可行性和有效性，为其它灯泡贯流式机组电站提供参考并积累经验。
关键词：灯泡贯流式机组；甩100%额定负荷；低频
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kWh，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。
在电站生产筹备阶段，梳理设计存在问题时发现 10kV高压厂用电系统存在极大的全部失电风险，鉴于设计更改后的变更成本太高，且无外来地区电源的问题在短期内根本无法解决，于是电站制定了相关应对措施，其中主要措施之一就是解决灯泡贯流式机组甩100%额定负荷后的低频问题。
1.机组特性及设计要求
灯泡贯流式机组的发电机安装在密封的、外形酷似白炽灯灯泡壳体内，发电机体积小、重量轻、转动惯量小、转轮力矩小；机组额定转速低、起停机过程短，转速变化快；水头低、过机流量大，调速器系统为双调节，即监控系统下发脉冲调节指令调节导叶开度，桨叶开度依据协联曲线进行查表计算自动跟随，机组动态调节品质难以控制。
表1 设计参数
桑河二级水电站水轮机型号为GZD（802）-WP-550，机组飞轮力矩GD² =4160t.㎡。调速器系统由南京南瑞集团提供，型号SAFR-2000H，具有PID基本调节规律，控制参数应能自适应被控系统的静态及动态特性。设计要求选用以下工况时，机组速率上升不大于 60%；水轮机流道内活动导叶前的最大水压上升不超过稳定运行时导叶前压 力的 65%，尾水管进口不出现真空。
（1）水轮机在额定转速125r/min，正常蓄水位75.0m、额定水头21.7m，1台机组甩额定负荷51.28MW工况下，突然甩负荷，水轮机正常关机。
（2）水轮机在额定转速125r/min、最大水头27.9m，1台机组甩额定负荷51.28MW工况下，突然甩负荷，水轮机正常关机。
（3）水轮机在额定转速125r/min、加权平均水头23.73m，1台机组甩额定负荷51.28MW工况下，突然甩负荷，水轮机正常关机。
根据主机厂提供的调保计算结果，导叶第一段关闭时间为8.15s，第二段关闭时间为7s；桨叶关闭时间为25s。
1.2调速器系统设计要求：
（1）转速死区iX≤0.02%
（2）接力器不动时间t≤0.2s
（3）静特性线性度误差≤5%
（4）自动空载3min转速摆动相对值≤±0.15%Ne
（5）调速器电气部分主要技术指标
（6）比例系数Kp：0.5～20
（7）积分系数Ki：0.05～10
（8）微分系数Kd：0～5
（9）永态转差系数Bp≥6%或以上
（10）频率人工失灵区E：0～±1%
（11）频率给定范围Fg：45～55Hz
（12）功率给定范围Pg：0～120%
（13）导叶开度给定范围Gv：-1%～120%
2低频抑制策略及效果
桑河二级水电站利用机组投产过程，根据提前制定的抑制策略，逐步开展真机试验进行验证并不断完善。在研究灯泡贯流式机组甩100%额定负荷低频抑制控制策略方面共经历了两个阶段。
2.1第一阶段抑制策略
调速器电气控制柜可编程控制器（PCC）通过检测接入的发电机出口断路器及主变高压侧断路器辅助接点下降沿，产生甩负荷标识位。在机组甩负荷时，调速器系统程序由发电态转入空转态，在程序转入空转态并检测到甩负荷标识位时，在25s以内，将导叶最小开限保持为额定空载开度，导叶最大开限保持为2倍额定空载开限。其中，最小开限的意义在于保证机组甩100%额定负荷时，导叶开度不至于关闭太多，将机组甩负荷时损失的的动能减至最小（灯泡贯流式机组转动惯量小），防止机组频率过低；最大开限的意义在于限制机组甩100%额定负荷机组频率低于50HZ时，调速器可编程控制器中的空载PID控制策略过多的开启导叶开度（调速器程序在空载时，跟踪50HZ无差调节，只要频率低于50HZ，PID控制策略根据频差计算出需开启的导叶开度，并不断运算），导致超调，致使机组在甩负荷后难以稳定。2018
年04月03日 3号机组甩100%额定负荷真机试验：
表3 3号机组甩100%额定负荷时机组主要参数试验数据
图1 3号机组甩100%额定负荷时机组主要参数变化趋势图
由以上试验数据不难发现，在当时水头26.5m时，该控制策略有效的抑制了机组低频的出现，最低频率47.3HZ。
随着后续机组投产数量的增加，电站进入汛期进行泄洪，导致下游水位升高。相同的控制策略，在2018年7月16日 开展6号机组甩100%额定负荷时，水头为21.3m，甩100%额定负荷后6号机组最低频率为44.3Hz，励磁系统低频保护动作自动灭磁。
试验分析：在相同的控制策略下，试验条件唯一改变的仅有水头，考虑灯泡贯流式机组低水头、大流量、转动惯量小的特性，在机组甩负荷后，水头的降低导致相同流量下的动能不足以抑制机组低频。基于此，提出了第二种控制策略。
2.2第二阶段抑制策略
调速器电气控制柜可编程控制器（PCC）通过检测接入的发电机出口断路器及主变高压侧断路器辅助接点下降沿，产生甩负荷标识位。在机组甩负荷时，判断机组转速过最高点开始下降，当转速下降至125%Ne时，将导叶给定值设置为2.5倍额定空载开度（不采用空载态时的PID控制策略计算的给定值，最长保持时间为30s），直到检测到机组转速下降速率<0.4Hz/s时，切换为空载PID控制策略调节。机组甩负荷时将导叶最小开限保持为额定空载开度，导叶最大开限保持为3倍额定空载开度。主要控制程序如下：2018年07月16日 6号机组甩100%额定负荷真机试验：
表4 6号机组甩100%额定负荷时机组主要参数试验数据
图2 6号机组甩100%额定负荷时机组主要参数变化趋势图
试验分析：6号机组在采用该控制策略甩100%额定负荷后，机组最低频率为47.2Hz，有效抑制了机组低频，机组转速上升率、导叶前的最大水压上升均满足设计要求。
结语：由于灯泡贯流式机组的固有特性，甩100%额定负荷时易出现低频的问题一直是该机型的痼疾。抑制低频的核心，就是在机组甩100%额定负荷后，迅速为机组提供动能，以克服转速的迅速下降。除控制策略上的举措外，导叶的开启时间、桨叶的关闭时间设计或调整不合理，也均易导致机组甩100%额定负荷后的低频问题出现。
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
黄登海（1983—10），男，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1,李明2,黄登海3
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/1
标签：机组论文; 负荷论文; 调速器论文; 低频论文; 水头论文; 策略论文; 转速论文; 《电力设备》2018年第30期论文;