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摘要：随着社会的发展与进步，重视大型灯泡贯流式机组负荷波动问题分析与处理对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍大型灯泡贯流式机组负荷波动问题分析与处理的有关内容。
关键词灯泡；贯流式；负荷；机组；波动；处理；调节；因素；
中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：
引言
某水电厂的年发电量10.17亿ｋＷ·ｈ，装有6台单机容量为45ＭＷ的灯泡贯流式机组，机组设计水头20ｍ，最高可达27ｍ，投产时是国内单机容量较大的灯泡贯流式机组。6号机自投产以来存在负荷波动的情况，上位机设定机组负荷为40ＭＷ时，机组负荷经常在37～43ＭＷ之间振荡波动。在上位机设定机组负荷为30ＭＷ和45ＭＷ时，偶尔也会出现波动情况。
一、国内大型灯泡贯流式机组的发展前景
国内目前还未开工或处于工程规划设计的灯泡贯流式电站经初步统计还有数十座将安装数百台机组。其中不乏单机容量为40一50MW、转轮直径为7.0 m左右的大型灯泡贯流式机组，广西桥巩电站装机8台、单机容量达到60 MW.不久的将来，它将为我国在大型灯泡贯流式机组的设计和制造领域再树起一个新的里程碑。通过我国近20多年来对灯泡贯流式电站的开发，从发展趋势来看，容量是越做越大，从10MW至45 MW将达到60MW，直径也是越做越大，从5.5 m至7.5 m，但水头有可能是向两头延伸，普遍认为灯泡贯流式机组的合理应用水头为5一25 m，但从现在的发展趋势看，不仅在高水头段有突破，湖南洪江电站最高应用水头已达27.3 m，出现大容量、小转轮直径、高转速的灯泡贯流式机组，从经济上考虑，是最为经济的。在低水头段也有突破，出现了众多应用水头只有3一5m的电站，出现了大转轮直径、小容量、低转速的灯泡贯流式机组，这在经济上是很不合理的(如某个电站单机容量8 MW,转轮直径已达6.0 m、转速68.2 r/min)。像类似电站，我们认为采用灯泡贯流式机组是不合理的，而采用竖井贯流式机组应该是最明智的选择。我国已在生产单机容量13 MW，转轮直径6.5 m、转速75至750 r/min的竖井贯流式机组，该电站经相同容量和相同直径的灯泡贯流式机组和竖井贯流式机组的方案比较，每台竖井贯流式机组较灯泡贯流式机组重量轻255 t，价格便宜1200多万元。由此可见超低水头段机组采用竖井贯流式机组将是未来的发展趋势。
二、总体思路
一般说来，微机调速器有频率模式、开度模式和功率模式３种主要调节模式。功率调节模式是在被控水轮发电机组并入电网后采用的一种调节模式。功率模式又分直接方式和间接方式。
所谓直接方式的功率调节，就是将机组有功功率测量值送入调速器，将功率给定值与机组实际功率测量值进行比较，经人工功率死区和功率永态差值系数ｅｐ得功率调节差值ΔＰ，经过人工频率死区的频差Δｆ与ΔＰ相加，得到积分输入项ΔＩ＝Δｆ＋ｅｐΔＰ，利用调速器进入稳态的条件ΔＩ＝０，使得调速器完成有功功率的闭环调节。间接方式是指调速器得到机组有功功率给定值，调速器根据反映水头、导叶开度和功率给定值三者的关系表格，进行二元线性插值，求出与机组有功功率给定值对应的开度给定值，与导叶开度相减得到开度偏差值ΔＹ，经过人工频率死区的频差Δｆ与ΔＹ相加，得到了积分输入项ΔＩ＝Δｆ＋ＢｐΔＹ，利用调速器进入稳态的条件ΔＩ＝０，使得调速器完成有功功率的闭环调节。６号机组的调速器采用间接式功率调节模式，但是主机厂家无法提供水头、导叶开度和功率给定曲线，因此采用三段式变积分方式来获得与机组有功功率给定值对应的开度给定的间接式功率调节模式。
根据上述分析，结合６号机组调速器的特性和长期运行的调速器内部闭环功率模式，从调速器水头刷新时间调整、功率模式下适应式变参数调节规律研究、桨叶跟踪协联模式优化、功率死区增加施密特触发器自环闭锁等多个方面着手，按照主次，分阶段推进。
三、影响灯泡贯流式机组的功率调节的主要因素
1）水轮发电机组有水锤效应，功率会出现反调现象。即当导叶快速关闭时，作用在水轮机叶片上的水压升高，机组功率会先升后降。导叶快速打开时，机组功率则会先降后升。灯泡贯流式机组和常规混流式机组相比，具有机组转动惯量小、流量大、水流惯性时间常数较大的特性。这就使灯泡贯流式机组大幅度功率调整的反调现象更为严重，机组功率会表现得更滞后。
2）水头变化大及水头变化率引起桨叶协联的差异等，对调速器功率闭环产生不利影响。在水头低的时候，根据协联关系得到的桨叶值会比较小，且变化率较小；在水头高的时候，根据协联关系得到的桨叶值会比较大，并且变化率会较大。因此，在高水头区间且净水头有波动时，桨叶值的变动会引发功率的波动。洪江电厂在水头较低的运行条件下，调速器功率调节稳定，不会产生波动的情况，但是在高水头区间，则波动明显。因此在主汛期，负荷波形尤其明显。
3）导叶开度在低开度和高开度区间也会引起机组功率响应的差异。由于协联关系，在高开度区间，导叶的微小变化也会导致桨叶的较大变化，从而引起机组功率的变化。换句话说，在导叶开度较大区间，桨叶这个因素对机组功率的影响较大。在功率调节控制中，必须充分考虑桨叶因素，不能忽略。
根据上述分析，结合6号机组调速器的特性和长期运行的调速器内部闭环功率模式，从调速器水头刷新时间调整、功率模式下适应式变参数调节规律研究、桨叶跟踪协联模式优化、功率死区增加施密特触发器自环闭锁、桨叶主配零位校核等多个方面着手，按照主次，分阶段推进。
四、处理实施方案
1）从水头因素对功率调节的影响入手。2005年6号机投产调试时，为避免调速器水头的瞬时波动导致机组负荷控制不稳，将调速器水头刷新时间设定为15min；2007年，针对6号机负荷波动的情况，将上述水头刷新时间重新设定为5min；2010年7月，将调速器水头刷新时间由5min修改为2s，与1号至5号机一致，运行发现负荷波动情况依然，且负荷波动与水头刷新时间未发现有明显的规律。
2）从调速器内部功率闭环实现方式考虑。电厂6号机组调速器长期运行模式为调速器内部闭环的功率模式，应用并不广泛，需重点研究改善。分析6号机调速器采用功率适应式变参数调节规律，采用三段式负荷调节，第１段为快速带负荷阶段，即快积分阶段；第2段为缓冲带负荷阶段，即慢积分阶段；第3段为实际负荷逐渐逼近外部功率给定阶段，即变积分阶段。处理时，修改调速器参数，扩大区间第2段范围，使调速器提前进入慢积分，调整变积分区域，改进逼近效果。对比试验发现，优化调整后，情况有很大好转，但是运行一段时间后发现，负荷波动、超调现象仍有发生。
3）从影响协联关系的导叶因素展开。分析认为是动态过程中桨叶按照比例—积分—微分（PID）设定动作，大范围调节时，先于三段积分控制的导叶，导致负荷超调。经过研究，将调速器控制程序进行了部分修改，在机组实际负荷与监控系统设定负荷值相差大于2ＭＷ时，桨叶不按照导叶PID计算值的协联表换算，而是根据导叶的实际开度值跟随动作。当调节至负荷偏差小于2ＭＷ时，桨叶再切换为根据PID计算结果动作。改进后，效果较好，机组稳定运行了较长时间，但是随后仍然发生了负荷波动的现象。
4）检查调试机械液压系統。现场检查发现运行状态导叶主配频繁往开方向微调，机调柜内调节和过油声音频繁，分析导叶主配中间位置发生了较大偏移，明显偏关，因此调速器不停地调整，在功率死区附近难以稳定。常规的处理是对引导阀进行重新调整，保证主配少量偏关，但控制在30min内不超过１％的动作，不过该项工作需落机组进水口闸门，电厂已过年度检修期，不具备条件。为此，又对调速器控制程序进行了完善，具体是对功率死区进行了修改，原来功率死区是0.5ＭＷ，机组实际负荷与监控系统设定负荷值小于0.5ＭＷ则进入死区，调节完成；大于0.5ＭＷ则重新调节。在导叶主配偏关严重时，负荷差经常大于0.5ＭＷ，调节频繁，难以稳定。经过商讨，在功率死区环节增加施密特触发器自环闭锁，将功率死区修改为0.5ＭＷ进入，大于0.5ＭＷ的某一值跳出，增加搭叠区，试验确定跳出值为2ＭＷ。
5）运行人员上位机观察发现6号机桨叶开度在调速器开度模式下有0-1%波动范围。经过分析及试验得出结论：桨叶主配阀芯零位漂移。维护人员重新校核零位，6号机开机并网后桨叶开度稳定，负荷波动现象消除。
结束语
经过上述综合处理，机组运行稳定，消除了机组负荷波动的缺陷。处理从调速器水头刷新时间调整、功率模式下适应式变参数调节规律研究、桨叶跟踪协联模式优化、功率死区增加施密特触发器自环闭锁等多个方面着手，对国产调速器灯泡贯流式机组程序设计。特别是调速器内部闭环的功率控制模式优化，具有相当的价值。因此，重视大型灯泡贯流式机组负荷波动问题分析与处理具有重要的意义。
参考文献
［1］魏守平．水轮机调节［M］．武汉：华中科技大学出版社，2009．
［2］蔡卫江，陈登山，黄嘉飞．贯流机组调速器的控制策略［J］．水电自动化与大坝监测，2008 ,32(3)：
［3］程远楚，田炜，叶鲁卿，等．水轮机调速器的智能非线性PID控制 ［J］．水电自动化与大坝监测，2004，28(3)：
［4］宋玉江，黄叶，叶庆勤．灯泡贯流式机组的控制策略［J］．水电自动化与大坝监测，2008 ,32(3)：
［5］陈品旭．水轮机的智能化调节［M］．武汉：科学出版社，2010．
［6］杨类琪．浅谈我国灯泡贯流式机组的发展［J］．中水珠江规划勘测2004，28(3)：
关键词灯泡；贯流式；负荷；机组；波动；处理；调节；因素；
中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：
引言
某水电厂的年发电量10.17亿ｋＷ·ｈ，装有6台单机容量为45ＭＷ的灯泡贯流式机组，机组设计水头20ｍ，最高可达27ｍ，投产时是国内单机容量较大的灯泡贯流式机组。6号机自投产以来存在负荷波动的情况，上位机设定机组负荷为40ＭＷ时，机组负荷经常在37～43ＭＷ之间振荡波动。在上位机设定机组负荷为30ＭＷ和45ＭＷ时，偶尔也会出现波动情况。
一、国内大型灯泡贯流式机组的发展前景
国内目前还未开工或处于工程规划设计的灯泡贯流式电站经初步统计还有数十座将安装数百台机组。其中不乏单机容量为40一50MW、转轮直径为7.0 m左右的大型灯泡贯流式机组，广西桥巩电站装机8台、单机容量达到60 MW.不久的将来，它将为我国在大型灯泡贯流式机组的设计和制造领域再树起一个新的里程碑。通过我国近20多年来对灯泡贯流式电站的开发，从发展趋势来看，容量是越做越大，从10MW至45 MW将达到60MW，直径也是越做越大，从5.5 m至7.5 m，但水头有可能是向两头延伸，普遍认为灯泡贯流式机组的合理应用水头为5一25 m，但从现在的发展趋势看，不仅在高水头段有突破，湖南洪江电站最高应用水头已达27.3 m，出现大容量、小转轮直径、高转速的灯泡贯流式机组，从经济上考虑，是最为经济的。在低水头段也有突破，出现了众多应用水头只有3一5m的电站，出现了大转轮直径、小容量、低转速的灯泡贯流式机组，这在经济上是很不合理的(如某个电站单机容量8 MW,转轮直径已达6.0 m、转速68.2 r/min)。像类似电站，我们认为采用灯泡贯流式机组是不合理的，而采用竖井贯流式机组应该是最明智的选择。我国已在生产单机容量13 MW，转轮直径6.5 m、转速75至750 r/min的竖井贯流式机组，该电站经相同容量和相同直径的灯泡贯流式机组和竖井贯流式机组的方案比较，每台竖井贯流式机组较灯泡贯流式机组重量轻255 t，价格便宜1200多万元。由此可见超低水头段机组采用竖井贯流式机组将是未来的发展趋势。
二、总体思路
一般说来，微机调速器有频率模式、开度模式和功率模式３种主要调节模式。功率调节模式是在被控水轮发电机组并入电网后采用的一种调节模式。功率模式又分直接方式和间接方式。
所谓直接方式的功率调节，就是将机组有功功率测量值送入调速器，将功率给定值与机组实际功率测量值进行比较，经人工功率死区和功率永态差值系数ｅｐ得功率调节差值ΔＰ，经过人工频率死区的频差Δｆ与ΔＰ相加，得到积分输入项ΔＩ＝Δｆ＋ｅｐΔＰ，利用调速器进入稳态的条件ΔＩ＝０，使得调速器完成有功功率的闭环调节。间接方式是指调速器得到机组有功功率给定值，调速器根据反映水头、导叶开度和功率给定值三者的关系表格，进行二元线性插值，求出与机组有功功率给定值对应的开度给定值，与导叶开度相减得到开度偏差值ΔＹ，经过人工频率死区的频差Δｆ与ΔＹ相加，得到了积分输入项ΔＩ＝Δｆ＋ＢｐΔＹ，利用调速器进入稳态的条件ΔＩ＝０，使得调速器完成有功功率的闭环调节。６号机组的调速器采用间接式功率调节模式，但是主机厂家无法提供水头、导叶开度和功率给定曲线，因此采用三段式变积分方式来获得与机组有功功率给定值对应的开度给定的间接式功率调节模式。
根据上述分析，结合６号机组调速器的特性和长期运行的调速器内部闭环功率模式，从调速器水头刷新时间调整、功率模式下适应式变参数调节规律研究、桨叶跟踪协联模式优化、功率死区增加施密特触发器自环闭锁等多个方面着手，按照主次，分阶段推进。
三、影响灯泡贯流式机组的功率调节的主要因素
1）水轮发电机组有水锤效应，功率会出现反调现象。即当导叶快速关闭时，作用在水轮机叶片上的水压升高，机组功率会先升后降。导叶快速打开时，机组功率则会先降后升。灯泡贯流式机组和常规混流式机组相比，具有机组转动惯量小、流量大、水流惯性时间常数较大的特性。这就使灯泡贯流式机组大幅度功率调整的反调现象更为严重，机组功率会表现得更滞后。
2）水头变化大及水头变化率引起桨叶协联的差异等，对调速器功率闭环产生不利影响。在水头低的时候，根据协联关系得到的桨叶值会比较小，且变化率较小；在水头高的时候，根据协联关系得到的桨叶值会比较大，并且变化率会较大。因此，在高水头区间且净水头有波动时，桨叶值的变动会引发功率的波动。洪江电厂在水头较低的运行条件下，调速器功率调节稳定，不会产生波动的情况，但是在高水头区间，则波动明显。因此在主汛期，负荷波形尤其明显。
3）导叶开度在低开度和高开度区间也会引起机组功率响应的差异。由于协联关系，在高开度区间，导叶的微小变化也会导致桨叶的较大变化，从而引起机组功率的变化。换句话说，在导叶开度较大区间，桨叶这个因素对机组功率的影响较大。在功率调节控制中，必须充分考虑桨叶因素，不能忽略。
根据上述分析，结合6号机组调速器的特性和长期运行的调速器内部闭环功率模式，从调速器水头刷新时间调整、功率模式下适应式变参数调节规律研究、桨叶跟踪协联模式优化、功率死区增加施密特触发器自环闭锁、桨叶主配零位校核等多个方面着手，按照主次，分阶段推进。
四、处理实施方案
1）从水头因素对功率调节的影响入手。2005年6号机投产调试时，为避免调速器水头的瞬时波动导致机组负荷控制不稳，将调速器水头刷新时间设定为15min；2007年，针对6号机负荷波动的情况，将上述水头刷新时间重新设定为5min；2010年7月，将调速器水头刷新时间由5min修改为2s，与1号至5号机一致，运行发现负荷波动情况依然，且负荷波动与水头刷新时间未发现有明显的规律。
2）从调速器内部功率闭环实现方式考虑。电厂6号机组调速器长期运行模式为调速器内部闭环的功率模式，应用并不广泛，需重点研究改善。分析6号机调速器采用功率适应式变参数调节规律，采用三段式负荷调节，第１段为快速带负荷阶段，即快积分阶段；第2段为缓冲带负荷阶段，即慢积分阶段；第3段为实际负荷逐渐逼近外部功率给定阶段，即变积分阶段。处理时，修改调速器参数，扩大区间第2段范围，使调速器提前进入慢积分，调整变积分区域，改进逼近效果。对比试验发现，优化调整后，情况有很大好转，但是运行一段时间后发现，负荷波动、超调现象仍有发生。
3）从影响协联关系的导叶因素展开。分析认为是动态过程中桨叶按照比例—积分—微分（PID）设定动作，大范围调节时，先于三段积分控制的导叶，导致负荷超调。经过研究，将调速器控制程序进行了部分修改，在机组实际负荷与监控系统设定负荷值相差大于2ＭＷ时，桨叶不按照导叶PID计算值的协联表换算，而是根据导叶的实际开度值跟随动作。当调节至负荷偏差小于2ＭＷ时，桨叶再切换为根据PID计算结果动作。改进后，效果较好，机组稳定运行了较长时间，但是随后仍然发生了负荷波动的现象。
4）检查调试机械液压系統。现场检查发现运行状态导叶主配频繁往开方向微调，机调柜内调节和过油声音频繁，分析导叶主配中间位置发生了较大偏移，明显偏关，因此调速器不停地调整，在功率死区附近难以稳定。常规的处理是对引导阀进行重新调整，保证主配少量偏关，但控制在30min内不超过１％的动作，不过该项工作需落机组进水口闸门，电厂已过年度检修期，不具备条件。为此，又对调速器控制程序进行了完善，具体是对功率死区进行了修改，原来功率死区是0.5ＭＷ，机组实际负荷与监控系统设定负荷值小于0.5ＭＷ则进入死区，调节完成；大于0.5ＭＷ则重新调节。在导叶主配偏关严重时，负荷差经常大于0.5ＭＷ，调节频繁，难以稳定。经过商讨，在功率死区环节增加施密特触发器自环闭锁，将功率死区修改为0.5ＭＷ进入，大于0.5ＭＷ的某一值跳出，增加搭叠区，试验确定跳出值为2ＭＷ。
5）运行人员上位机观察发现6号机桨叶开度在调速器开度模式下有0-1%波动范围。经过分析及试验得出结论：桨叶主配阀芯零位漂移。维护人员重新校核零位，6号机开机并网后桨叶开度稳定，负荷波动现象消除。
结束语
经过上述综合处理，机组运行稳定，消除了机组负荷波动的缺陷。处理从调速器水头刷新时间调整、功率模式下适应式变参数调节规律研究、桨叶跟踪协联模式优化、功率死区增加施密特触发器自环闭锁等多个方面着手，对国产调速器灯泡贯流式机组程序设计。特别是调速器内部闭环的功率控制模式优化，具有相当的价值。因此，重视大型灯泡贯流式机组负荷波动问题分析与处理具有重要的意义。
参考文献
［1］魏守平．水轮机调节［M］．武汉：华中科技大学出版社，2009．
［2］蔡卫江，陈登山，黄嘉飞．贯流机组调速器的控制策略［J］．水电自动化与大坝监测，2008 ,32(3)：
［3］程远楚，田炜，叶鲁卿，等．水轮机调速器的智能非线性PID控制 ［J］．水电自动化与大坝监测，2004，28(3)：
［4］宋玉江，黄叶，叶庆勤．灯泡贯流式机组的控制策略［J］．水电自动化与大坝监测，2008 ,32(3)：
［5］陈品旭．水轮机的智能化调节［M］．武汉：科学出版社，2010．
［6］杨类琪．浅谈我国灯泡贯流式机组的发展［J］．中水珠江规划勘测2004，28(3)：