瑯琊山抽水蓄能電站機組調(diào)速器控制策略研究

秦曉康，熊續(xù)平，王大強，張 雷

（華東瑯琊山抽水蓄能有限責(zé)任公司，安徽省滁州市 239000）

瑯琊山抽水蓄能電站機組調(diào)速器控制策略研究

秦曉康，熊續(xù)平，王大強，張 雷

（華東瑯琊山抽水蓄能有限責(zé)任公司，安徽省滁州市 239000）

本文闡述了瑯琊山抽水蓄能電站調(diào)速器系統(tǒng)在各種工況下不同的控制策略，介紹了抽水蓄能機組的導(dǎo)葉緊急關(guān)閉和分段關(guān)閉裝置的設(shè)計。

調(diào)速器；緊急關(guān)閉；分段關(guān)閉裝置

0 引言

隨著清潔能源的迅猛發(fā)展和堅強智能電網(wǎng)的加快建設(shè)，用于靈活調(diào)峰的抽水蓄能將迎來新的發(fā)展。抽水蓄能電站作為當(dāng)前技術(shù)最成熟、最經(jīng)濟、不可替代的大規(guī)模儲能裝置，迎來了重要的發(fā)展戰(zhàn)略機遇期。現(xiàn)在的抽水蓄能電站設(shè)備已逐步國產(chǎn)化，瑯琊山抽水蓄能電站的設(shè)備主機為全套奧地利進(jìn)口，調(diào)速器系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計邏輯合理可靠，值得國產(chǎn)設(shè)備的借鑒。

瑯琊山抽水蓄能電站位于安徽省滁州市，為安徽省“十五”重點能源項目，電站樞紐主要有上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫和地面開關(guān)站五部分組成。電站裝設(shè)四臺15萬kW單級可逆式抽水蓄能機組，總裝機容量60萬kW。電站工程總投資23.33億元，2002年12月2日正式開工，2007年9月25日四臺機組全部并網(wǎng)發(fā)電，在電網(wǎng)中主要擔(dān)任調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用等任務(wù)。調(diào)速器系統(tǒng)設(shè)備整體為奧地利安德里茨公司進(jìn)口，設(shè)備設(shè)計科學(xué)合理，投產(chǎn)近10年來調(diào)速器系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。下面就機組啟動、停機等各種工況下，調(diào)速器控制策略的研究做一介紹。

1 總體邏輯框圖

瑯琊山電站水輪機調(diào)速器的控制模式如圖1所示。由于是抽水蓄能機組，機組工況較多，機組的控制包含有頻率控制SPC、開度控制OPC、功率控制POC、水泵開度控制OCP、調(diào)相控制模式CSR等5種控制模式，在程序內(nèi)部為平行結(jié)構(gòu)模塊。通過選擇功能塊SEL來選擇確定某一具體運行控制模式，其程序計算出的信號經(jīng)過開限功能塊OPL傳至導(dǎo)葉定位功能塊WPO，最終實現(xiàn)對水輪機導(dǎo)葉開度的控制。

調(diào)節(jié)規(guī)律采用固定式參數(shù)PID調(diào)節(jié)規(guī)律，根據(jù)工況的不同，在調(diào)速器的調(diào)節(jié)過程中，具有頻率控制、孤網(wǎng)運行、并網(wǎng)運行三套參數(shù)，以實現(xiàn)機組在不同工況下的調(diào)節(jié)品質(zhì)的改善。

2 機組工況轉(zhuǎn)換控制

2.1 水輪機工況啟動控制策略

瑯琊山電站調(diào)速器采用分段開機控制規(guī)律，在機組機械制動退出之后，水輪機由導(dǎo)葉間隙之間的漏水量將機組漸漸沖轉(zhuǎn)起來，在機組轉(zhuǎn)速小于5%期間沒有投入任何控制模式，在這期間，轉(zhuǎn)速控制的目標(biāo)值一直跟蹤當(dāng)前開度，轉(zhuǎn)速控制模式的開度設(shè)定也在跟蹤當(dāng)前的接力器開度值，使得在需要投入時可以無擾動切換。在機組轉(zhuǎn)速大于5%之后，轉(zhuǎn)速控制模式有效，PID調(diào)節(jié)投入，這時目標(biāo)值為100%，與實際值5%相差較大，轉(zhuǎn)速控制模式計算出的開度較大，由于這時調(diào)速器的開限小于轉(zhuǎn)速控制模式計算出的開度，所以通過比較邏輯輸出為啟動開度，啟動開度是機組水頭的函數(shù)，其對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

調(diào)速器以5%/s的速率將導(dǎo)葉開啟到啟動開度，并保持這一開度保持不變，這時機組的轉(zhuǎn)速迅速上升。隨著機組轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)速控制模式計算出的導(dǎo)葉開度在減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速升到設(shè)定值90%時，轉(zhuǎn)速控制模式計算出的導(dǎo)葉開度小于啟動開度，導(dǎo)葉開始漸漸關(guān)閉至空載開度，并在空載開度附近不斷調(diào)整，防止轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超調(diào)。一般認(rèn)為在PID投入過早時，90%轉(zhuǎn)速到額定還有一個較長的過程，此時轉(zhuǎn)速偏差一直為正，積分宜累計過大直至飽和，機組易產(chǎn)生轉(zhuǎn)速過沖和多次回調(diào)。從瑯琊山電站機組的開機規(guī)律可見，啟動時基于水頭協(xié)聯(lián)的啟動開度限制，使得初始開度并不會很大，這樣可以有效避免轉(zhuǎn)速過沖和多次回調(diào)等問題的出現(xiàn)。

一般當(dāng)導(dǎo)葉從較大的啟動開度突然降到較小的空載開度時，會引起水壓的較大變化，使管路產(chǎn)生較大的水力振蕩，不利于機組的穩(wěn)定運行。針對此問題，瑯琊山電站調(diào)速器系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速PID控制模式中引入了前饋補償控制，當(dāng)壓力鋼管的水壓有正的變化率時，補償增大導(dǎo)葉開度，減小壓力，當(dāng)壓力鋼管壓力有負(fù)的變化率時，補償減小導(dǎo)葉開度，增大壓力，可以有效抑制水力振蕩的效應(yīng)。

在機組成功并網(wǎng)之后導(dǎo)葉開限值開始放開，為了防止非同步導(dǎo)葉MGV故障時蝸殼內(nèi)的水力波動及引起的振動等異常發(fā)生，調(diào)速器在非同步導(dǎo)葉MGV同步之前，開限設(shè)定為25%，當(dāng)非同步導(dǎo)葉MGV成功同步之后，開限才逐步放開到90%的額定開度。圖3為發(fā)電開機工況曲線圖。

2.2 發(fā)電工況穩(wěn)態(tài)運行控制策略

發(fā)電穩(wěn)態(tài)工況下，一般有兩種控制模式：功率控制和開度控制。正常一般并網(wǎng)之后默認(rèn)選擇功率控制，當(dāng)功率變送器故障時，會轉(zhuǎn)變?yōu)殚_度控制。下面分別就這兩種控制模式進(jìn)行逐一介紹。

2.2.1 功率控制模式

機組并網(wǎng)之后，調(diào)速器選擇功率控制模式，在機組并網(wǎng)情況下，由于調(diào)頻的作用，對于功率值的超前控制作用無實際意義，所以選用PI調(diào)節(jié)器。功率控制模式下，目標(biāo)功率值由兩部分相加組成：功率設(shè)定值PSP和一次調(diào)頻補償功率值FPD。

（1）功率設(shè)定值PSP：從同期裝置或調(diào)速器觸摸屏人機界面發(fā)來的增減功率信號，或者從監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)來的外部設(shè)定值信號，按照固定的增減速率達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)不在功率模式下或在功率模式下且當(dāng)前CPU為備用時，預(yù)設(shè)功能有效，直接賦值。前者跟蹤當(dāng)前功率傳感器的功率值，后者跟蹤主用CPU，以便在控制模式切換或主用CPU故障時無擾動切換。

（2）一次調(diào)頻補償功率值FPD：頻差值除以轉(zhuǎn)差系數(shù)再乘以額定功率常數(shù)，即

然后經(jīng)過±15MW的幅度限制，也就是一次調(diào)頻補償功率最大值不超過±15MW。邏輯圖如圖4所示。

目標(biāo)功率值經(jīng)過升降速率（在功率值小于90MW時為6.12MW/s，大于90MW時為0.222MW/s）處理后送PI調(diào)節(jié)器處理。PI調(diào)節(jié)器為平行結(jié)構(gòu)，兩個環(huán)節(jié)的量相互獨立疊加在一起作用。目標(biāo)功率與當(dāng)前實際功率比較，得出的差值進(jìn)入PID環(huán)節(jié)算法處理輸出導(dǎo)葉的開度設(shè)定值。在當(dāng)前CPU備用或者功率控制模式無效時，輸出導(dǎo)葉的開度設(shè)定值直接跟蹤當(dāng)前的導(dǎo)葉開度值，進(jìn)行無擾動切換。

為了防止水頭波動情況下造成的功率波動，功率控制也引入了前饋補償控制FWD，在相同的功率下，當(dāng)水頭越高時，前饋補償值越小；當(dāng)水頭越低時，前饋補償值越大。圖5為前饋補償控制規(guī)律。

2.2.2 開度控制模式

在開度控制模式下，導(dǎo)葉設(shè)定值也由兩部分組成：開度設(shè)定值OSP和一次調(diào)頻補償開度值FOD。

（1）開度設(shè)定值OSP：在開度控制模式下，從同期裝置或調(diào)速器觸摸屏人機界面發(fā)來的增減開度信號，或者從監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)來的外部設(shè)定值信號，直接按照固定的增減速率進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)不在開度模式下或在開度模式下且當(dāng)前CPU為備用時，預(yù)設(shè)功能有效，直接賦值。前者跟蹤當(dāng)前開度傳感器的開度值，后者跟蹤主用CPU，以便在控制模式切換或主用CPU故障時無擾動切換。

（2）一次調(diào)頻補償開度值FOD： 頻差值除以轉(zhuǎn)差系數(shù)就是一次調(diào)頻補償開度值，即

上面得到的導(dǎo)葉設(shè)定值，再與另一個值比較，取較小值。這個值是經(jīng)過水頭限制的開度減去一次調(diào)頻作用的量得到的數(shù)值。最后，再用這個值再加上一次調(diào)頻作用的量輸出。

2.3 發(fā)電工況停機控制策略

發(fā)電工況停機時，勵磁系統(tǒng)將無功減到最小值之后，調(diào)速器由功率控制轉(zhuǎn)為開度控制模式。按照固定的速率將導(dǎo)葉開度關(guān)閉至0，然后GCB斷開。機組轉(zhuǎn)速下降，在低于50%之后投入電氣制動，低于2%之后投入機械制動。正常發(fā)電停機時，分段關(guān)閉裝置雖然會正確動作，但卻不會起到分段關(guān)閉的作用。這是由于電調(diào)發(fā)出的控制命令使得導(dǎo)葉關(guān)閉速率很慢，相當(dāng)于主配壓閥的開度很小，即使主配壓閥下游側(cè)的分段關(guān)閉電磁閥動作，也不會對主配壓閥的過流量造成影響，所以，正常停機過程中關(guān)閉速率是不會變化的，只有在事故情況下，主配壓閥的開度和過流量很大時才會體現(xiàn)出分段關(guān)閉的作用。圖6為正常發(fā)電工況停機曲線圖。

2.4 水泵工況啟動控制策略

SFC工況啟動時，調(diào)速器按照固定的速率將導(dǎo)葉開啟到協(xié)聯(lián)的開度值。這個協(xié)聯(lián)的開度值是根據(jù)限制之后的水頭和死區(qū)后的頻率確定出來的。水頭越高、頻率越低，開度越小；水頭越低、頻率越高，開度越大。圖7為不同網(wǎng)頻時水泵開度與機組水頭關(guān)系曲線圖。

協(xié)聯(lián)開度值作為預(yù)設(shè)值送給設(shè)定值模塊，在水泵開度控制模式有效時，按照2%/s的速率進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)水頭協(xié)聯(lián)開度設(shè)定值與當(dāng)前接力器開度設(shè)定值之差小于0.2°，則輸出設(shè)定值達(dá)到有效的信號。

BTB啟動時，拖動機導(dǎo)葉開度要足夠大，以保證發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩大于發(fā)電機的摩擦阻力矩；但發(fā)電機機械轉(zhuǎn)矩過大，會導(dǎo)致發(fā)電機與電動機脫開而單獨加速，造成啟動失敗。所以拖動機導(dǎo)葉啟動開度的大小是背靠背啟動成功的重要因素。另外，導(dǎo)葉開啟速率對能否成功啟動也有影響，導(dǎo)葉開啟速率不能過小，因為水輪機的推力軸承不允許長期低速運行，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，推力軸承中軸瓦上不能形成油膜，干摩擦損壞軸瓦；同時，導(dǎo)葉開啟速度也不能過大，因為導(dǎo)葉開啟速度越快，啟動電流越大，啟動就越不穩(wěn)定。因此，為了保證抽水蓄能機組背靠背啟動成功，在調(diào)速器控制軟件中要對拖動機確定合適的啟動開度，并設(shè)定導(dǎo)葉的開啟速率。瑯琊山電站機組作為拖動機時工作在孤網(wǎng)模式下，選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式，以當(dāng)前的電網(wǎng)頻率作為設(shè)定的目標(biāo)值，啟動開度為8°。

2.5 抽水工況穩(wěn)態(tài)運行控制策略

當(dāng)出現(xiàn)調(diào)速器內(nèi)部水泵工況啟動令時，按照20°作為預(yù)設(shè)值輸出，但是調(diào)速器內(nèi)部水泵工況啟動令并不能保持多長時間，只要開限最小值（-5%）一消失，內(nèi)部水泵工況啟動令就會消失。內(nèi)部水泵工況啟動令信號消失后，水頭協(xié)聯(lián)的開度值就成了預(yù)設(shè)值。預(yù)設(shè)值按照2%/s的速率變化輸出。如果運行期間有通過人機界面送來的加減開度的信號，則按照0.5deg/s的速率調(diào)節(jié)變化。

2.6 抽水工況停機控制策略

機組停機令發(fā)出后，勵磁無功調(diào)節(jié)投入，水泵模式消失，調(diào)速器泵—水輪機限制有效。調(diào)速器按照2%/s的固定關(guān)閉速率將導(dǎo)葉關(guān)閉至0，然后GCB斷開。圖8為抽水工況停機曲線圖。

2.7 調(diào)相工況運行控制策略

機組調(diào)相時，調(diào)速器將導(dǎo)葉固定在某一個固定的開度保持不變，不進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)相模式無效時，跟蹤當(dāng)前導(dǎo)葉開度；當(dāng)調(diào)相模式有效時，如果在水泵轉(zhuǎn)向，則導(dǎo)葉開度目標(biāo)設(shè)定值dv為1.5%；如果在水輪機轉(zhuǎn)向，則導(dǎo)葉開度目標(biāo)設(shè)定值dv為-5.0%。

3 導(dǎo)葉緊急關(guān)閉與分段關(guān)閉裝置

事故情況緊急關(guān)閉時，如圖9所示，電磁閥+MG20-Y01動作，電磁閥油路切換至平行位，緊急關(guān)閉滑閥1702上腔接通壓力油，下腔接通回油，滑閥換位，上油孔接通壓力油，下油孔接通回油。這樣的話，輔助接力器的上腔聯(lián)通了壓力油，下腔聯(lián)通了回油，主配壓閥的閥芯下移至極限全關(guān)位置，完全不受引導(dǎo)閥和反饋杠桿的控制影響，導(dǎo)葉以最快速度關(guān)至全關(guān)位置。

導(dǎo)葉關(guān)閉為二段關(guān)閉規(guī)律，第一階段：分段關(guān)閉控制電磁閥+MG20-Y02未動作，插裝閥3203上腔接通回油，3202和3203均可以在回油的壓力迫使下開啟，以快速規(guī)律關(guān)閉；第二階段：分段關(guān)閉控制電磁閥+MG20-Y02動作，油路換位，插裝閥3203上腔接通壓力油，3203關(guān)閉，3202在回油的壓力迫使下開啟，相當(dāng)于回油回路的流通面積減小，導(dǎo)葉以慢速規(guī)律關(guān)閉。

發(fā)電工況和抽水工況停機時采用的是同一套分段關(guān)閉裝置，只是投入的拐點不同：發(fā)電工況停機時在大于60%開度時為快速關(guān)閉，低于60%開度時分段關(guān)閉電磁閥動作，為慢速關(guān)閉；抽水工況停機時在大于30%開度時為快速關(guān)閉，低于30%開度時為慢速關(guān)閉。

4 結(jié)束語

調(diào)速器系統(tǒng)是抽水蓄能機組的重要組成部分，本文主要介紹了瑯琊山抽水蓄能電站調(diào)速器系統(tǒng)在發(fā)電、抽水、調(diào)相等不同工況下的控制策略，并對導(dǎo)葉緊急關(guān)閉和分段關(guān)閉裝置的設(shè)計做了闡述。本文可為大中型抽水蓄能電站調(diào)速器系統(tǒng)運行維護(hù)及國產(chǎn)化設(shè)備設(shè)計、研制提供相關(guān)借鑒。

[1]蔡衛(wèi)江，等．大型抽水蓄能機組啟動及緊急關(guān)閉調(diào)速器控制策略研究及實現(xiàn)，抽水蓄能電站工程建設(shè)論文集，2015，225-229．CAI Weijiang，et al． Research and Implementation of Control Strategy for Starting and Emergency Shutdown Governor of Large Pumped Storage Unit，Proceedings of Construction of Pumped Storage Power Station，2015，225-229．

[2]魏守平．現(xiàn)代水輪機調(diào)節(jié)技術(shù)[M]．華中科技大學(xué)出版社，2001．WEI Shouping． Modern Technology of Hydraulic Turbine Regulation[M]． Huazhong University of Science and Technology Press，2001．

[3]金玉成，劉國富．一種適用于抽水蓄能機組的微機調(diào)速器設(shè)計[J]，工藝設(shè)計改造及檢測檢修，2014，20：93．JIN Yucheng，LIU Guofu． Design of a Microcomputer Governor for Pumped Storage Units[J]． Process Design Modification and Inspection and Maintenance，2014，20：93．

2016-10-03

2017-03-10

秦曉康（1986—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站機械設(shè)備運行、維護(hù)與檢修。E-mail：qin_xiaokang@sina．com

熊續(xù)平（1979—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站運維管理。E-mail：xiongxuping@sgcc．com．cn

王大強（1982—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站運維管理。E-mail：wangdaqiang@sgcc．com．cn

張 雷（1980—），男，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站機械設(shè)備檢修維護(hù)。E-mail：zhanglei@sgcc．com．cn

Study on Control Strategy of Unit Governor of Langyashan Pumped Storage Power Station

QIN Xiaokang，XIONG Xuping，WANG Daqiang，ZHANG Lei
（Huadong Langyashan pumped storage Co., Ltd., Chuzhou 239000，China）

This paper describes the different control strategiesofgovernor systemunder various conditions in Langyashan pumped storage power station，the design of the emergency shutdown and the closing device of the guide vane is described.

governor；emergency shutdown； closing device of the guide vane

TV72

A學(xué)科代碼：570．15

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．020