可變速抽水蓄能機組調速器的控制策略

蔡衛江，許棟，徐宋成，何林波

（國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 210003）

可變速抽水蓄能機組調速器的控制策略

蔡衛江，許棟，徐宋成，何林波

（國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 210003）

可變速機組由于其轉換效率高、適應水頭和出力范圍寬、調節性能優越等特點越來越受到研究重視。本文從可變速機組的系統組成、調節原理出發，針對機組水泵、水輪機不同工況，提出了機組效率尋優、功率調節、一次調頻控制、調速勵磁的聯合控制等方面的控制策略，對于可變速機組的控制調節做出了一些有益探索，可供大型抽水蓄能電站可變速機組的控制研究提供一定參考。

可變速抽水蓄能機組；效率尋優；一次調頻；協聯控制；控制策略

0 引言

隨著蓄能機組技術的發展，水輪機的振動、空蝕、泥沙磨損以及運行效率問題越來越受重視。為提高水輪機的運行效率，增加系統的穩定裕度，需讓水輪機組變速運行。常規發電電動機運行于恒速恒頻方式，水泵水輪機選擇轉速通常只能偏離水泵運行工況和水輪機工況的最高效率點使兩者綜合效率最高，其運行工況單值決定于水頭和負荷。而采用交流勵磁的可變速電機能擴大水泵水輪機運行水頭與揚程比范圍并獲得最佳性能指標[1]，于是可變速抽水蓄能電站機組應運而生。抽水蓄能電站的可變速機組的變速方式大體分為兩種，一種是分檔調速（一般為兩檔），包括變極變速和雙轉子雙定子轉速；另一種是連續調速，包括定子側變頻調速和變頻交流勵磁調速，目前應用較多的是連續調速，而近年來發展較快的是變頻交流勵磁調速。

1 原理概述

變頻交流勵磁調速系統由水泵—水輪機、發電—電動機、變頻器、控制系統組成。其中發電—電動機和變頻器不同于常規同步電機的發電—電動機和變頻器，發電—電動機為隱極轉子，具有與定子繞組一樣的三相分布勵磁繞組。變頻器輸出三相，低頻大電流饋電發電—電動機勵磁用的轉子繞組，系統的組成如圖1所示。

當繞組通三相勵磁電流時，即使轉子在機械靜止的條件下，也產生旋轉磁場。若機械轉速、定子電壓頻率、交流電流頻率的百分數分別定義為Km、K1、K2，可給出等式：Km+K2=K1。這就意味著機械轉速加上交流電流頻率等于電網同步轉速。機械轉速不依賴于電網頻率，是整個發電—電動機和水泵—水輪機和輸出能量平衡的結果。當水輪機輸出和發電機輸出平衡時，轉速穩定。如果水輪機輸出比發電機輸出大時，轉速就會增大，其中發電機輸出可由勵磁系統控制。勵磁系統可連續控制勵磁電流頻率以平衡K1和Km之差，這就是變頻交流勵磁調速的基本原理。控制系統不僅能控制有功和無功功率，還能控制機組轉速，在每個工況下通過微處理器獲得最佳值對其進行控制[2]。

圖1 可變速機組調節系統組成示意圖Fig.1 Component diagram of governor for variable speed pumped storage unit

2 效率尋優策略

電力系統任何時刻的總能量都是平衡的。由于電力系統的負荷在不停地波動，電能不能大量儲存，負荷功率的變化將引起頻率的相應變化。水輪發電機頻率f與轉速n之間的關系為：

式中：P——發電機磁極對數；

n——轉速；

f——頻率。

發電機的轉速由作用在轉軸上的轉矩決定，其運動方程式見式（2）：

式中：J——水輪機轉動部分的轉動慣量；

ω——機組旋轉角速度；

Mt——水輪機轉矩；

Mg——發電機負荷阻力轉矩。

式（2）表明，只有在水輪機轉矩與負荷阻轉矩相等的時候，機組的轉速才能穩定。否則，機組角速度將發生變化，由此引起頻率波動。

水輪機轉矩的表達式見式（3）：

式中：γ——水的重度；

Q——通過水輪機的流量；

H——水輪機凈水頭；

ηt——水輪機效率。

可見，改變水輪機轉矩的最有效方法是通過調速器改變水輪機的流量，即改變導葉開度。

水輪機單位流量表達式見式（4）：

式中：HP——設計水頭；

QP——設計流量。當水輪機工作水頭變化時，可以通過調速器的調節調整導葉開度，從而達到調節流量的目的，使得單位流量Q11保持恒定。

水輪機單位轉速表達式見式（5）：

式中：HP——設計水頭；

nP——設計水頭和設計流量下的設計額定轉速。

常規機組并網運行，當水頭變化時，轉速不能調整，脫離最優效率點，可變速機組可以通過交流勵磁設備調節轉速，使得n11保持恒定，從而保持較高效率運行。

圖2 水輪機綜合特性曲線圖Fig. 2 Diagram of turbine synthetic characteristic curve

從圖2可以看出，橫坐標為單位流量Q11，縱坐標為單位轉速n11，故當水輪機工作水頭變化時，可以通過調速器（調整流量）和勵磁（調整轉速）的綜合協調作用，使得水輪機的運行工作點始終與設計工況點相符合，從而保證水輪機在最優工況下運行（見圖2），獲得最大效率[3][4]。

3 變速機組調速的運行控制策略

采用變速的發電電動機，機組轉速可以在額定轉速Ne±10%范圍內連續可調，通過導葉開度與水頭（揚程）及機組轉速的配合，可以大幅度提高低水頭下水輪機的運行效率，大幅度提高發電機組的運行水頭范圍，使其運行在較優工況，與常規機組相比，能獲得更大的輸出功率。如何獲得最佳效率，需要研究變速機組調速系統的控制策略、調速與勵磁、監控、保護系統的協調配合，以及對電網一次調頻的作用等。

3.1 水泵工況下的控制策略研究

水泵工況下，采用變速發電電動機，通過導葉開度、揚程、轉速三者的適當配合，使機組的運行工況達到最佳。參見圖3，定速機組隨著水泵揚程升高開度沿曲線A減小，偏離了水泵最優工況，可能造成機組振動、汽蝕，而變速機組可以調整轉速和開度，可以根據水輪機運轉綜合特性曲線自動尋優，揚程變化時，自動尋找匹配的最優開度和轉速，一般在低揚程時采用較低轉速及較大的導葉開度運行；高揚程時采用較高轉速及稍小的導葉開度運行，使得在整個揚程范圍內機組均可獲得較高效率，同時轉輪室水流較平緩，減少了汽蝕對水泵的影響。與一般分檔調速的機組相比，不存在變速時揚程的搭接區域，避免了兩種轉速之間的頻繁操作。

圖3 水泵工況下的控制策略圖Fig. 3 Diagram of control strategy for pump

3.2 發電工況下的控制策略研究

發電工況下，水輪機的出力效率與工作水頭密切相關，一般設計水頭下機組帶額定負荷時效率最高，水頭低于設計水頭越遠時，效率成快速下降趨勢，高于設計水頭時，下降較平緩。特別是當水頭較低時，常規機組所帶負荷在50%以下時，機組的振動加大，穩定性變差。采用變速發電電動機，通過導葉開度、水頭、轉速三者的適當配合，可以使得機組獲得較優的運行工況，機組穩定運行范圍可以擴大到30%～100%[1]，如圖4所示。一般較低水頭情況下，在機組低負荷區，可以適當降低機組的轉速，采用較小的導葉開度；高負荷時，增加機組轉速，增大導葉開度，從而使機組的出力調節范圍得到擴展，使得機組在低水頭下也能穩定運行，同樣其水輪機汽蝕特性也得到很大改善。水頭接近或高于設計水頭時，機組負荷超過50%時，可以讓機組運行于額定轉速附近，通過調節導葉開度來調整機組出力，低于50%負荷時，同樣可以采用適當降低轉速的辦法獲得機組較好的運行工況。

圖4 發電下的運行范圍示意圖Fig. 4 Diagram of operating range for turbine

3.3 變速機組的一次調頻策略

一次調頻功能是穩定電網頻率的重要技術手段，而抽水蓄能機組現有快速且持久的一次調頻能力，是保障電網穩定運行的寶貴資源。一次調頻相當于控制系統的前饋作用，機組直接根據頻率變化來調節發電負荷，響應速度快。

3.3.1 水泵工況

固定轉速的機組抽水工況下，因導葉開關時，電力損失與機械振動均較大，無法對電網的頻率變化進行調節。而變速機組，在抽水工況下，同樣可以自動跟蹤電網頻率的變化，通過調節機組轉速，調節水泵的輸入功率，使得水泵入力在85%～110%額定負荷范圍內平滑的調節，從而對電網的頻率產生一定調節作用。詳細調節原理圖見下，系統實時檢測機組轉速，換算成機組頻率反饋，與50Hz頻率設定值比較，計算出偏差，經過人工死區環節，輸入PID調節環，再通過調差BP環節反饋，最終換算成相應的轉速調整量輸出，經過限制后轉換為轉速設定值，通過勵磁系統將轉速調節到相應值（見圖5）。

3.3.2 發電工況

圖5 水泵工況一次調頻示意圖Fig. 5 Diagram of primary frequency control for pump

圖6 發電工況一次調頻示意圖Fig. 6 Diagram of primary frequency control for generator

常規定速抽水蓄能機組，其機組轉速只能通過調速器來調節，勵磁系統對機組轉速無直接影響；而對于抽水蓄能變速機組，調速器可以通過調節導葉開度實現機組轉速控制，交流勵磁系統也可以通過快速改變勵磁輸出頻率來對機組轉速進行調節，需要對兩者的相互影響、相互配合進行研究。當電力系統頻率偏差超過設定死區時，通過改變導葉開度或機組轉速，都可以起到類似一次調頻的效果。通過改變轉速和調節導葉開度的聯合作用，使得機組的出力在一定范圍內調整，即使頻率偏差較大時，也可以使得機組在較優效率區運行，避免進入振動區。詳細調節原理大致如下圖（本圖暫不考慮勵磁系統的轉速調節），機組頻率偏差，經過人工死區，輸入PID調節環節后，再通過調差反饋環節，換算成相應的導葉調整量輸出，經過限制后轉換為導葉設定值，通過調速系統將導葉調節到相應位置（見圖6）。

3.4 調速器與勵磁系統有功功率協聯控制策略

一般抽水蓄能電站具有水頭高、水頭變幅大、日調節和一管多機等特點，對于變速抽蓄機組的抽蓄電站，其水頭變幅會更大，由于機組功率由水頭和導葉開度共同決定，形成三維關系，變速機組的功率—頻率調節特性將存在更嚴重的非線性特征。

3.4.1 有功功率協聯關系

常規定速抽水蓄能機組，其機組輸出有功調節只能通過調速器對機械輸入功率的調節來完成，勵磁系統控制機端電壓及無功功率輸出；而對于抽水蓄能變速機組，機組功率則可以通過調速器控制及交流勵磁控制兩種途徑來實現調節，交流勵磁對有功功率的控制，會引起調速器對機組功率的調節，而調速器對機組功率的控制又會影響勵磁系統對機組有功功率的調節，存在機組調速器與勵磁系統控制有功功率的協調問題。抽蓄變速機組有發電及抽水等工況，由于不同工況機組的運行方式及控制要求不同，調速器與勵磁系統控制的相協調的要求也不盡相同，需要對該問題進行深入研究，以期為變速機組運行控制提供支持。

3.4.2 機組在不同水頭、不同轉速及不同工況下的控制技術

變速抽水蓄能機組由于轉子采用變頻交流勵磁，使其能夠適應不同水頭高度、不同的功率而變速運行，極大提升抽蓄機組的運行效率；完善的機組控制方案對于保證變速機組的優秀特性是必需的前提條件。根據功率指令、當前水頭信息，基于機組運行曲線生成最優導葉開度信號、最優轉速信號，這些信號控制機組調速及交流勵磁輸出，以使機組在最佳運行效率下盡快運行于所要求工作點。抽蓄變速機組有發電及抽水等工況，由于不同工況機組的運行方式及控制要求不同，還需要對不同工況、不同水頭、不同轉速條件下的機組控制區別處理。

3.5 機組功率（有功、無功）控制技術

變速抽蓄機組勵磁磁場的大小及相對轉子的位置決定于勵磁電壓的大小、頻率及其與定子電壓的相位，采用適當的控制策略后，可使電機輸出的有功、無功功率獨立調節，實現解耦控制，且無功功率的調節是一個純粹的電磁過程，過渡過程短，不同工況下控制策略不同。

3.5.1 發電工況下有功、無功功率控制

在轉速有少量變化時，輸入或輸出功率就會大幅度改變，電力系統需要變速抽水蓄能機組具有自動跟蹤電網頻率變化調整機組出力的功能。當機組參與調頻時，有功控制功能按照功率—頻率下垂特性形成有功功率指令值，當不參與系統調頻時，有功控制功能按一定的規則給出有功功率指令值。

相似的，當機組參與系統調壓時，無功控制按照無功—電壓曲線形成無功功率指令值，對于無功功率指令生成技術進行研究；當不參與系統調壓時，無功控制功能按一定的規則給出無功功率指令值。

3.5.2 水泵工況下有功無功控制

當機組參與調頻時，有功控制功能按照功率—頻率上揚特性形成有功功率指令值；當不參與系統調頻時，有功控制功能按一定的規則給出有功功率指令值。相似的，當機組參與系統調壓時，無功控制按照無功—電壓曲線形成無功功率指令值；當不參與系統調壓時，無功控制功能按一定的規則給出無功功率指令值。

4 結束語

日本目前是應用變速機組最多的國家，曾經做過研究，若系統中變速機組的配置達到7%，可以使電網頻率控制在額定±0.1Hz范圍內的幾率增加3%以上[1]。隨著我國抽水蓄能電站建設的快速迅速，可變速機組由于其轉換效率高、適應水頭和出力范圍寬、調節性能獨特等優點越來越受到重視。但由于國內還沒有掌握可變速機組主機及輔機控制設備的制造技術，目前還沒有應用先例。本文通過對可變速機組的機組效率尋優、功率調節、一次調頻控制策略、調速勵磁的聯合控制等方面做出了一些有益探索，可供大型抽水蓄能電站可變速機組的控制研究提供一定參考。

[1] 王國玉. 可變速抽水蓄能機組特點[J]. 水電站機電技術，2012，35（6）：18-20.

[2] 陳建華，孟慶國，陳振武.抽水蓄能電站變頻調速機組的應用現狀及發展趨勢[C].抽水蓄能電站工程建設文集（2010），2010： 185-188.

[3] 暢欣等. FSC可變速抽水蓄能在含大規模風光發電系統中的應用[C].抽水蓄能電站工程建設文集（2015），2015：71-74.

[4] 李輝.雙饋水輪發電機系統建模與仿真及其智能控制策略的研究[M].重慶大學博士研究生論文，2004： 36-40.

[5] 喻冉.淺談變頻交流勵磁抽水蓄能機組的意義[J]. 水電與抽水蓄能，2015，1（2）：72-75.

[6] Yanagisawa H，Kageyama T，Okamura K，et al. Transient Analysis of a Converter-fed Adjustable Speed Generator-motor for the Pumped Storage Power Plant[J]. Electrical Engineering in Japan，1996，116（2）： 63-76.

[7] Kuwabara T，Shibuya A. Furuta H，et al. Design and Dynamic Response Characteristics of 400 MW Adjustable Speed Pumped Storage Unit for Ohkawachi Power Station [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion，1996，11（2）： 376-384.

Analysis of the Governor Control Strategy of Variable Speed Pump-turbine

CAI Weijiang，XU Dong，XU Songcheng，HE Linbo
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China）

Due to its high conversion efficiency，wide adjustment of water-head and wide power-output range，superior performance，the variable speed turbine generator has been paid more and more attention. This paper introduces the composition and the adjustment principle of the variable speed turbine generator，according to different conditions of the turbine generator in the pumping or power generation，the paper puts forward the control strategy of unit efficiency optimization，power-output regulation，primary frequency regulation control strategy，combined control of Governor system and Excitation system，beneficial explorations are made for controlling the variable speed turbine generator，which can provide reference for the controlling research of the variable speed turbine generator.

variable speed pump-turbine；efficiency optimization；primary frequency regulation ； combination control；control strategy

TV734.4

A

570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.013

2016-07-12

2017-01-03

蔡衛江（1970—），男，研究員級高級工程師，主要研究方向：水電站水輪機控制及穩定性分析、綜合自動化控制裝置的研究和設計等。E-mail：caiweijiang@sgepri.sgcc.com.cn

許 棟（1984—），男，工程師，主要研究方向：水電站水輪機調速系統、綜合自動化控制裝置的研究和設計等。E-mail：xudong@sgepri.sgcc.com.cn

徐宋成（1983—），男，工程師，主要研究方向：水電站水輪機調速系統、綜合自動化控制產品的設計和銷售等。E-mail：xusongcheng@sgepri.sgcc.com.cn

何林波（1982—），男，高級工程師，主要研究方向：水電站水輪機調速系統、綜合自動化控制裝置的研究和設計等。E-mail：helinbo@sgepri.sgcc.com.cn