变频器频道
官地水电站位于四川省凉山彝族自治州西昌市、盐源县的交界处，是继之后，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，通过西昌平台供电川渝及经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。
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[1]。官地现场参数测试验证水轮机模型时，发现Tw、Kw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-LJ-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-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：
（1）
式中，Tw为水流加速时间常数；Kw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。
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：
（2）
式中，bp为永态转差系数。
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[2]。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。
调速器整机静特性测试目的是校核调速器永态转差系数bp，测量调速器的转速死区ix。
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Kp=10，积分增益为最大值Ki=10，微分增益为最小值Kd=0，频率给定为额定值Fg=50Hz，开度限制L=100%，人工死区E=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ix，静态特性曲线斜率的负数即永态转差系数bp。
试验后经计算，转速死区为0.006%，满足国家标准，bp选定为4%。
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（Kp、Ki、Kd），使调节器品质达到最佳。
测试方法：手动将机组开启至空载，待机组转速接近额定后，在触摸屏上选择有水试验界面，输入一组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Kp、Ki、Kd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Kp、Ki、Kd参数。
试验后选择调速器空载运行参数为Kp=3、Ki=0.2、Kd=1。
接力器关闭规律试验目的是测量主接力器最短开机时间Tg和关闭时间Ts。
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Tw值较大，为满足Tw/Ta(水流加速时间常数与机组加速时间常数的比值)≤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Tg；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Ts。
试验结果显示最短开机时间Tg为20s，最短关闭时间为10.5s。
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（±0.10Hz、±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Kp=7、Ki=5、Kd=0，电网频率超过50±0.04Hz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%。
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。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，直接求出的接力器不动时间Tq（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Tq=0.1s，Tq和各项调节动态指标满足国标要求。
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10s，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：To=15s，Tc=10s，限幅为20%
图2 调整调速器参数后，系统故障后的孤网频率
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。
图3 优化后导叶全开录波
图4 优化后导叶全关录波
调速器在联网模式下仿真优化的参数为Kp=3、Ki=1、Kd=1、Bp=4%，一次调频死区0.05Hz，一次调频无限幅。在此参数配置下，电网故障后孤网频率最大偏差约0.88Hz，且振动收敛。
模拟电网孤网运行，调速系统采用正常运行负载PID时，电网出现了低频振荡现象。系统进入孤网运行模式以后，负载模式发生改变导致电网的特性发生了很大的变化，正常联网模式下使用的负载PID参数不太适用于孤网模式，正常联网的控制参数为：Kp=3、Ki=1、Kd=1、Bp=4%，一次调频死区为E=±0.05Hz。从参数上来看，积分增益Ki取值偏大，死区偏小。孤网模式下，系统频率波动较大，导致PID调节的速度过快、出现超调现象，从而造成系统来回低频波动。因此，调试并优化出一套适用于孤网运行模式的运行控制参数：Kp=3、Ki=0.2、Kd=1、Bp=1% 、E=±0.2～0.5 Hz；同时完善逻辑，在孤网运行模式时调速器自动将控制参数切换到此套运行参数，以保证调节的可靠性与稳定性。
官地电站通过建模及参数优化，提高了调速器系统快速响应的能力，增强调速器系统适应孤网运行的能力，不仅满足相关国家标准，而且满足电网对电站调速系统快速调节及稳定运行的要求。
参 考 文 献
[ 1 ] 刘昌玉. 水轮机调速系统建模与参数测试. 2009中国水电控制设备论文集[A].2009
[ 2 ] 彭天波. 水电厂调速系统建模参数测试与现场试验方法[J]. 湖北电力，2009，33(1):40-42
[ 3 ] 魏守平. 水轮机调节[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2009