CN112392650B - 灯泡贯流式机组甩负荷时低频抑制的控制方法及存储介质 - Google Patents

灯泡贯流式机组甩负荷时低频抑制的控制方法及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种灯泡贯流式机组甩负荷低频抑制方法及存储介质，属于水力发电技术领域。该方法包括判断机组甩负荷事件、设置导叶最小和最大空载开限、甩负荷工况判断以及进行低频抑制控制等步骤，最后当判断机组频率下降速率减缓到特定值时，通过常规转速(频率)PID控制策略进行机组转速(频率)控制，进行导叶开度微调，将机组维持在空转运行，机组恢复热备用，低频抑制过程结束。本发明能够有效避免灯泡贯流式机组在发生甩负荷时造成低频逆变灭磁事故的发生，保证了在发生电网故障造成机组甩负荷时，机组仍处于热备用状态，提高了厂用电的安全性，减少了恢复供电时间，提高了电厂安全稳定运行水平和经济效益。

Description

灯泡贯流式机组甩负荷时低频抑制的控制方法及存储介质
技术领域
本发明涉及一种灯泡贯流式机组甩负荷时低频抑制的控制方法及存储介质，属于水力发电技术领域。
背景技术
目前，国内大、中型水电厂水轮发电机组转速(或频率，下同)控制均采用PID控制方法实现，灯泡贯流式机组也沿用了较为常见的混流式机组的PID控制方法，只是在控制参数上进行了相应的调整。
由于灯泡贯流式水轮发电机组具有转动惯量小、水头低、流量大的特点，与混流式机组有较大差异。因此，对于一般的运行工况，传统的灯泡贯流式机组转速(频率)控制方法尚能达到理想效果，但是对于机组甩负荷，尤其是甩100％负荷特殊情况(该情况为最严重、对控制策略考验最高的甩负荷情况，在安全稳定性较高的国内电力系统中极少发生)则难以应对，极易发生甩负荷后，导叶快速回关，使机组频率低于45Hz，进而引发励磁系统低频灭磁，机组事故停机的情况。
以某水电站为例，沿用传统的灯泡贯流式机组转速(频率)PID控制方法，经过主机厂家、调速器控制系统厂家、调试单位等多方技术人员共同研究攻关，尝试了多次PID控制参数优化调整，在其他常规指标取得了良好效果的情况下，发生甩负荷事件或试验时，控制效果依然不理想，多次发生甩负荷过程中频率过低导致机组逆变灭磁，为机组以及全厂设备的安全稳定运行带来了不利影响。
发明内容
本发明的目的是在传统的灯泡贯流式机组转速(频率)PID控制方法基础上进行了改进，提供一种灯泡贯流式机组甩负荷时低频抑制的控制方法及存储介质，在保证机组正常工况下调节性能不变的情况下，明显改善了机组甩负荷的动态过程，避免了机组甩负荷过程中低频灭磁事故的发生，提高了机组的安全稳定性能。
1.本发明的控制方法的总体控制策略
(1)对于机组的转速(频率)控制，总体上依然使用传统的灯泡贯流式机组转速(频率)PID控制逻辑和参数，仅在甩荷工况下，对机组转速(频率)PID控制逻辑上进行改进；
(2)对机组的运行状态进行判断，当调速器系统控制器判断到机组发生甩负荷事件时，立即启动低频抑制控制方法；
(3)在机组甩荷过程中，对机组转速(频率)、导叶开度、机组转速(频率)的变化方向及变化速率进行综合分析判断，在甩荷过程中根据机组状态进行导叶开度调整，适当提前开启导叶，补偿因过机流量减少和机组转动惯量小造成的转速(频率)过度降低，进而改善机组甩荷动态过程，避免机组频率降低至45Hz以下。
2.本发明的控制方法的技术方案所包括的步骤
(1)步骤1，判断机组甩荷事件
机组调速器控制系统持续检测机组出口断路器(GCB)和主变高压侧断路器(MTCB)状态，当机组出口断路器(GCB)和主变高压侧断路器(MTCB)同时断开时，即判定机组发生了甩荷。此时，所述的机组调速器控制系统的内部设置的“机组甩荷事件”标志位赋值“1”并保持30s，转入步骤2；30s后自动复位为“0”。
(2)步骤2，设置导叶最小和最大空载开限
将导叶最小空载开限保持为额定空载开度，导叶最大空载开限修改为3倍额定空载开度。当判断“机组甩荷事件”标志位为“0”后，导叶最小和最大空载开限分别恢复为正常开限。
(3)步骤3，甩荷工况判断
①甩负荷前：65％<GV_open≤100％，当f<61Hz且f_down_speed>0.6Hz/s；
②甩负荷前：45％<GV_open≤65％，且f<51Hz且f_down_speed>0.6Hz/s；
③甩负荷前：9％<GV_open≤45％，且f<49Hz且f_down_speed>0.6Hz/s；
其中：GV_open为机组导叶开度；f为机组频率；f_down_speed为机组频率下降速率。
上述工况的具体含义是：
a)第①中情况对应于机组甩荷前带高负荷；第②中情况对应于机组甩荷前带中等负荷；第③中情况对应于机组甩负荷前带较低负荷；
b)第①中情况下，机组甩荷过程中，机组频率由升转降，当频率低于61Hz，且频率下降速度过快(大于0.6Hz/s)时；第②中情况下，机组甩荷过程中，机组频率由升转降，当频率低于51Hz，且频率下降速度过快(大于0.6Hz/s)时；第③中情况下，机组甩负荷过程中，机组频率由升转降，当频率低于49Hz，且频率下降速度过快(大于0.6Hz/s)时；
c)机组甩负荷过程中满足上述3种情况中的任意一种情况，则判断机组有低频的趋势，立即进入后续环节，进行低频抑制。
(4)步骤4，进行低频抑制
当机组甩负荷过程中机组甩负荷前其导叶开度、机组频率、机组频率的变化趋势及速度的综合条件达到所述的3个工况之一时，即可判定机组频率下降过快，有低频趋势，需要立即进行低频抑制控制，包括：
a)立即进行导叶开度调整，提前将机组导叶调整至2.5倍空载额定开度；
b)持续判断机组频率下降速率，当机组频率下降速率f_down_speed≤0.6Hz/s时，转入c)；
c)机组调速器系统通过常规转速(频率)PID控制策略进行机组转速(频率)控制，进行导叶开度微调，将机组维持在空转运行，机组恢复热备用，低频抑制过程结束。
3.本发明还包括一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的灯泡贯流式机组甩荷时低频抑制的控制方法的步骤。
4.本发明还包括一种灯泡贯流式机组甩负荷时低频抑制的控制方法系统，包括机组调速器控制系统，该机组调速器控制系统含有控制计算机，所述控制计算机内设置有上述的计算机可读存储介质，用于实现灯泡贯流式机组甩负荷时低频抑制的控制。
本发明的有益效果包括：
1)本发明的控制方法能够根据机组甩荷前的运行工况，对甩负荷过程中的转速(频率)大小及转速(频率)的变化趋势进行综合分析，寻找最佳干预时机，通过提前开启导叶，削弱了频率下降趋势；
2)由于提前开启导叶，及时补偿了因机组转动惯量小、过机流量低造成的机组转动动能损失，有效避免了机组频率过低，具有良好的低频抑制效果。
附图说明
图1本发明所述灯泡贯流式机组甩负荷低频抑制方法原理图。
图2本发明实施前机组甩负荷过程曲线(甩100％负荷情况)。
图3本发明实施后机组甩负荷过程曲线(甩100％负荷情况)。
图4本发明所述灯泡贯流式机组甩负荷低频抑制方法主要程序截图。
具体实施方式
本发明的一种灯泡贯流式机组甩负荷时低频抑制的控制方法，具体实施时的一种技术方案如下：
1.总体控制策略
(1)对于机组的转速(频率)控制，总体上依然使用传统的灯泡贯流式机组转速(频率)PID控制逻辑和参数，仅在甩负荷工况下，对机组转速(频率)PID控制逻辑上进行改进；
(2)对机组的运行状态进行判断，当调速器系统控制器判断到机组发生甩负荷事件时，立即启动低频抑制控制方法，如图4所示；
(3)在机组甩负荷过程中，对机组转速(频率)、导叶开度、机组转速(频率)的变化方向及变化速率进行综合分析判断，根据机组所处状态不同，适当提前开启导叶，补偿因过机流量减少和机组转动惯量小造成的转速(频率)过度降低，进而改善机组甩负荷动态过程，避免机组频率降低至45Hz以下。
2.机组甩负荷监视
相对于传统的机组调速器控制系统，仅对机组的正常运行工况进行监视和控制，本发明增加了机组甩负荷监视功能。机组调速器控制系统监视有关信号，当发生运行中的机组出口断路器(GCB)和主变高压侧断路器(MTCB)同时断开时，即判定机组发生了甩负荷。此时，控制器内部产生一个”机组甩负荷事件”标志位，并保持30s，30s后自动复归。
“机组甩负荷事件”标志位为1时，将导叶最小空载开限保持为额定空载开度，导叶最大空载开限修改为3倍额定空载开度。”机组甩负荷事件”标志位复归后，导叶最小和最大空载开限分别恢复为正常开限。
3.甩负荷工况判断
传统的甩负荷策略，仅通过经典PID控制方法对机组转速进行控制，如前文所述，在小转动惯量、低水头、大流量的灯泡贯流式机组上的甩负荷低频抑制方面存在诸多不足。本发明结合了桑河二级水电站投产以来多次甩负荷事件以及专项试验的经验和规律，在调速器控制程序中，设置了甩负荷工况判断环节，如图1所示，详述如下：
①甩100％负荷前：65％<GV_open≤100％，当f<61Hz且f_down_speed>0.6Hz/s；
②甩100％负荷前：45％<GV_open≤65％，且f<51Hz且f_down_speed>0.6Hz/s；
③甩100％负荷前：9％<GV_open≤45％，且f<49Hz且f_down_speed>0.6Hz/s；
(注：GV_open为：机组导叶开度；f为：机组频率；f_down_speed为：机组频率下降速率)
其具体意义是：
(1)第①中情况对应于机组甩负荷前带高负荷；第②中情况对应于机组甩负荷前带中等负荷；第③中情况对应于机组甩负荷前带较低负荷；
(2)第①中情况下，机组甩负荷过程中，机组频率由升转降，当频率低于61Hz，且频率下降速度过快(大于0.6Hz/s)时；第②中情况下，机组甩负荷过程中，机组频率由升转降，当频率低于51Hz，且频率下降速度过快(大于0.6Hz/s)时；第③中情况下，机组甩负荷过程中，机组频率由升转降，当频率低于49Hz，且频率下降速度过快(大于0.6Hz/s)时；
(3)机组甩负荷过程中满足上述3种情况中的任意一种情况，则判断机组有低频的趋势，立即进入后续环节，进行低频抑制。
4.低频抑制
由前述内容可知，当机组甩负荷过程中机组甩负荷前导叶开度、机组频率、机组频率的变化趋势及速度的综合条件达到所述的3个工况之一时，本策略判定机组频率下降过快，有低频趋势，故立即进行低频抑制，如图1所示，其具体措施是：
(1)立即进行导叶开度调整，提前将机组导叶开启至2.5倍空载额定开度，增大机组过机流量，补偿了因机组转动惯量小、过机流量低造成的机组转动动能损失，削弱机组转速下降过快趋势；
(2)当机组频率下降速率f_down_speed≤0.6Hz/s时，说明频率下降过快趋势已得到了有效抑制，为避免机组转速回升，同时为了缩短频率调节时间，尽快使机组从过渡过程中恢复稳定，进入空转运行，此时，终止导叶开度调整，恢复正常转速(频率)控制模式；
(3)机组调速器系统通过常规转速(频率)PID控制策略进行机组转速(频率)控制，进行导叶开度微调，将机组维持在空转运行，机组恢复热备用，低频抑制过程结束。
本发明实施后，机组甩负荷动态过程得到了显著改善，取得了理想的低频抑制效果。本发明实施前后机组甩负荷低频抑制效果如下：
1)本发明实施前，甩负荷发生后，在传统的机组转速(频率)控制策略下，机组导叶快速关闭，导致机组转速(频率)随之迅速下降，以至于低于45Hz，造成事故停机，其动态过程如图1所示。本发明实施后，根据机组甩负荷前的运行工况，甩负荷过程中的转速(频率)大小、转速(频率)变化趋势进行综合分析，寻找最佳干预时机，提前开启导叶，削弱频率下降趋势；
2)由于合理提前开启导叶，及时补偿了因机组转动惯量小、过机流量低造成的机组转动动能损失，有效避免了机组频率过低，如图2所示为一次典型的机组甩负荷动态过程曲线。经试验验证，实施前机组甩负荷时最低频率为40.16Hz，实施后机组甩负最低频率49.3Hz，取得了良好的低频抑制效果。
3)目前该发明已在某二级水电站8台灯泡贯流式机组上全部实施，提高了电站安全稳定运行水平及所在系统的可靠性。同时，在系统短时故障引起全厂甩负荷事件发生时，由于该发明保证了机组处于热备中态，避免进行全场黑启动，能大大缩短恢复供电时间，减少经济损失折合人民币24万元。(按恢复供电时间2小时，每台机组50MW计算)。

Claims (3)

1.一种灯泡贯流式机组甩负荷时低频抑制的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，判断机组甩负荷事件
机组调速器控制系统持续检测机组出口断路器GCB和主变高压侧断路器MTCB状态，当机组出口断路器GCB和主变高压侧断路器MTCB同时断开时，即判定机组发生了甩负荷，此时，所述的机组调速器控制系统的内部设置的“机组甩负荷事件”标志位赋值“1”并保持30s，转入步骤2；30s后自动复位为“0”；
步骤2，设置导叶最小和最大空载开限
将导叶最小空载开限保持为额定空载开度，导叶最大空载开限修改为3倍额定空载开度，当判断“机组甩负荷事件”标志位为“0”后，导叶最小和最大空载开限分别恢复为正常开限；
步骤3，甩负荷工况判断
持续判断是否满足下述3种情况中的任意一种，若判断成立则判断机组有低频的趋势，进入步骤4；
① 甩负荷前：65%<GV_open≤100%，当 f<61Hz 且 f_down_speed>0.6Hz/s
② 甩负荷前：45%<GV_open≤65%，且 f<51Hz 且 f_down_speed>0.6Hz/s
③ 甩负荷前：9%<GV_open≤45%，且 f<49Hz 且 f_down_speed>0.6Hz/s
其中：GV_open为机组导叶开度；f为机组频率；f_down_speed为机组频率下降速率；
步骤4，进行低频抑制
步骤4.1，立即进行导叶开度调整，提前将机组导叶调整至2.5倍空载额定开度；
步骤4.2，持续判断机组频率下降速率，当机组频率下降速率f_down_speed≤0.6Hz/s时，转入步骤4.3；
步骤4.3，机组调速器控制系统通过常规转速或频率PID控制策略进行机组转速或频率控制，进行导叶开度微调，将机组维持在空转运行，机组恢复热备用，低频抑制过程结束。
2.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：
该程序被处理器执行时实现如权利要求1所述的灯泡贯流式机组甩负荷时低频抑制的控制方法的步骤。
3.一种灯泡贯流式机组甩负荷时低频抑制的控制系统，包括机组调速器控制系统，该机组调速器控制系统含有控制计算机，其特征在于：
所述控制计算机内设置有如权利要求2所述的计算机可读存储介质，用于实现灯泡贯流式机组甩负荷时低频抑制的控制。
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