水轮调速器一次调频故障分析及处理

水轮调速器一次调频故障分析及处理

关志强 

新疆伊犁河流域开发建设管理局  835000

摘要:水轮机调速器是水电站的重要组成部分，它的稳定运行对机组的安全、运行和经济效益都有很大的影响。在此基础上，本文从机组运行特点、常见故障、故障成因等方面进行了归纳，并通过某电站一次调频故障为例，提出了切实可行的处理措施，以保证调速器的正常运行。

关键词:水轮机；调速器；故障分析;处理措施

引言

一次调频是水力发电厂机组调速系统中的一个重要功能，对提高电网的频率质量，特别是在小幅度的频率变化方面具有很大的作用。在机组投入运行后，按照电力系统的运行规律，按照电网的频率变化，以60秒的有功调整和运行的准确率作为评判标准。根据某电站近年来的工作经验，发现一次调频作业量不足是积分电量未达标以及 AGC与一次调频之间的协调不到位所致。以下是关于这次考核的具体情况的讨论。

一、一次调频概述

频率是电网的一个重要工作指标，其频率的变动直接关系到电网的安全和稳定。一次调频是指当各机组在并网时，由于外部负载的变化，电网的频率会发生变化，此时，各个机组的调整系统就会加入到调整中，调整每个单元的负载，以达到平衡外部负荷的目的，同时尽量降低电网的频率，这个过程就是一次调频。一次调频是水轮发电机调速器的固有频率特性，它会随着调频的改变而自动调节。它的特点是调频迅速，但是调节的数量因机组的变化而变化，调节量也很有限，而且很难控制。在现代电力系统中，一次调频的作用需要综合考虑到发电机和电网之间的相互协作和制约，因此必须以整个系统为目标。在功能上，它具有传统的一次调频系统的迅速和现代的控制系统的协调。此外，一次调频是水轮发电机调速系统频率特性的内在性能，而根据其静态特性，调速器的静态性能是指在稳态均衡状态下，其相对速度和继电器的相对冲程相对值的关系。对调速器来说，它的静态特性曲线基本上是一条直线，继电器的冲程相对量和调速信号的相对值基本相同[1]。

二、水电站水轮机调速器原理

电站调速器（如图1：水轮调速器所示）系统主要包括电气柜、机械柜、液压控制系统、执行机构、调速器压油系统和频率测量系统。其中，电柜由输入/输出面板、接线端子、电源、开关手柄、 PLC、测频器、触摸屏组成，液压控制和执行机构由主压力阀、急停电磁阀、双滤油器、双级关闭机构、伺服马达线性位移转换器组成。3条调速器频率测量电路，一条用于电机齿轮盘转速，一条机械侧 PT频率，一条总线 PT频率。在此基础上，微机调节器利用 PID法将 PID运算得到的电信号转化成机械位移信号，调整导叶的开度，调整水流方向的水流，从而调整水轮机组的转速和输出功率[2]。

图1：水轮调速器

三、某电站在一次调频中积分电量(有功调节量)考核原因分析

当电网频率变动超出第一次调频死区时，继电器的工作方向是对的，但对积分电量不合格的原因有以下几个方面：根据视频和监控报告，在系统频率超出死区的情况下，对积分值进行了测试，如果死区不大， PID算法中的 PID值是扣除死区后的频差，所以调整后的开度会更低，功率也不会有太大的变化。某电站一次调频采用开度控制方式，其频差为：频差—计算死区、0.05 Hz的计算死区、辅助业务评估系统，以50.07 Hz的频率和0.07 Hz的频差作为基准。由于死区大，计算频差小于0.07-0.05=0.02 Hz，而偏移系数 bp=4%时，叶片调整量只有1%，对机组的有功和频率没有太大的影响，致使机组长期保持在50.05 Hz以上，不能满足一次调频考核的要求，调整量不足，造成了考核电量。在 PID控制算法中，导叶开度的变化率随时间的推移而减小，而在测试期间的实际操作积分电量则减小。因此，实际调频的实际调节积分不能达到考核系统的理论计算积分值50%的概率就会增大。当水头相同时，叶片的开度与机组的有功之间没有直接的关系，在不同的水头条件下，相同的开度所对应的有功功率也会有所不同，导致实际的有功调节量与理论值存在一定的偏差，进而导致了考核电量的出现。尽管导叶接触器的运动方向是对的，但是由于水流的惯性，导致了机组自身的一些反调，这也是影响测试的主要原因[3]。

四、某电站在一次调频与AGC控制协调关系存在问题而导致考核原因分析

一次调频和 AGC的协调配合必须符合以下几点：1、机组在完成 AGC调整任务时不应受一次调频的影响。2、在 AGC不连续调整期间，一次调频应能正常工作。3、一次调频在操作期间，若有新的 AGC调整指令，则应立即执行 AGC调整指令。4、机组一次调频所造成的整个机组的总功率误差不能通过监测系统进行校正。但某电站 AGC程式设定：当两个连续的计算周期比整个 AGC设值死区的0.5倍（6 MW）以上时，没有参与 AGC的实际值+参与 AGC，并且一次调频操作单元的实际值之和就进入负载再分配，通过调节参与 AGC的有功，保持整个站的有功不变。一次调频期间，如果 AGC命令同时出现，机组将优先完成 AGC，按照技术规范，不能被一次调频功能所影响，从而引起一次调频调整，从而使实际的积分值与所需的理论积分值相反

[4]。

五、为避免一次调频考核而制定的优化措施

某电站为了防止一次调频操作的死区（土0.05 Hz）不改变，降低一次调频计算死区，增加调速调整的调速，在初期测试中取得了显著的成效，将机组的计算死区从0.05 Hz调整到0.04 Hz。这和降低调整因子有很大的不同，虽然两种方法都可以增加调整的范围，但前者的效果是增加一定的调整量，而后者的作用是调整整个系统的计算，这对大范围的调整是不利的[5]。

测试结果表明，在一次调频运行过程中，初始负载的增长趋势不明显，而在一次调频运行过程中，负载的增长趋势是不明显的，到了后期，负载的增长会越来越大。因辅助评估系统一次调频积分率的最大时间是一分钟，因此，由于前期调整幅度太小，或者在测试期间出现了负载变化，导致实际的积分电量无法达到要求。针对这一问题，可以在机组检修试验中，进行有负荷工况下的频率响应测试，对调速 PID参数进行优化，在频差超出死区的小区间和调整前期，适当增加叶片开度增量，从而使得调频功率曲线初始变得更陡。增加了频率差小幅变动情况下一次频率调整的幅度，以及在测试期间实际的积分电量的变化。

按照《电网自动发电控制(AGC)技术规范》的要求，一次调频与 AGC之间的协调关系是：“机组在进行 AGC设置时，不能受到一次调频的干扰，而处理的改变，则是两者的结合”。为了提高一次调频操作的成功率，某电站在 AGC组态中取消了“一次调频输入”和“一次调频操作两个输入源”，将原有 AGC逻辑修改为：在连续两个计算周期内，不参与 AGC装置的实际发电量与预设值之差，再进行 AGC负载分配。

结语

根据上述讨论，通过调整调速一次调频计算死区，优化负载 PID参数，完善一次调频和 AGC之间的协调等问题，结合《电网自动发电控制(AGC)技术规范》的有关规定，可以提高一次调频操作的合格率，并在实际应用中取得了很好的应用效果。

参考文献：

[1] 田显斌.水轮机调速器液压故障分析及处理[J].自动化博览，2020， 33 (Z1) : 86-87， 90.

[2]贺君文.空洲水电站水轮机调速器故障原因分析及处理[J].湖南水利水电，2019 (2) : 82-83.

[3]李科.水轮机调速器系统的常见故障原因分析及处理方案[J].商品与质量，2019(1) : 247.

[4]邓育林岩滩水电站2号机组调速器功率故障原因分析及处理[J]红水河，2020,39 (3)84-87.

[5]王德厚.水轮机调速器操作机构在运行中的作用及部分故障分析[J]. 城市建设理论研究(电子版)，2019(11) : 1-9.