小水電自動控制器開機時間的優化

李湛　歐陽本凱　余子健

摘要：小水電作為一種可再生能源，在水利資源豐富地區得到了大量應用，并逐步實現了無人值守的自動化控制，而自動控制器作為其核心技術，在開機過程中啟動勵磁時頻率會下降，而且不同水頭的水電站，頻率變化率差異較大。針對這兩個問題，提出了優化頻率調節的措施，分別是在起勵的同時增加導葉開度、根據不同的水頭自適應調節頻率、采用反時限設置導葉控制時間，以更快地調整頻率，達到優化開機時間的效果。

關鍵詞：頻率調節;開機時間;自動控制器;小水電

0 引言

我國小水電資源豐富，廣泛分布于各個省份，其中桂、川、貴、滇、鄂五省的小水電可開發量較大，目前我國小水電裝機容量為1億kW左右，年發電量3 000億kWh左右，小水電的建設和發展對于節約能源資源、減少溫室氣體排放、優化能源戰略布局和促進地方經濟發展等具有重要意義。小水電投資小、周期短、見效快，為解決無電、缺電地區人口用電問題，促進農村經濟社會發展和農民脫貧致富做出了歷史性貢獻[1-6]。

小水電無人值守已成發展趨勢，而要實現無人值守的自動控制，關鍵技術是自動控制器，目前的自動控制器仍存在調整頻率時間較長的問題，影響自動開機的速度[7-8]。

本文先介紹小水電的開機過程，再針對自動開機操作時間較長的問題進行分析，并提出自動調整頻率的優化措施，從而達到快速開機并網的效果。

1 開機流程分析

小水電自動控制器開機程序如圖1所示。調速器觸發方式分為水位觸發和人工觸發。水位觸發通過檢測水位高度實現，人工觸發通過操作把手實現。調速器啟動后，導葉打開，逐漸進水，頻率上升，接著啟動自動勵磁裝置，電壓調整至額定值，這個過程頻率會下降，需要繼續調整頻率。若頻率過低，則加大調速器出力;頻率過高，則減小出力，直至頻率達到額定值。當頻率和電壓符合要求后進行同期并網，并網成功后，繼續調整調速器出力，讓水電出力達到目標值[9]。

2 開機優化措施

開機調頻過程受勵磁影響，在起勵后頻率會有一定幅度的下降，如果水頭較小，單次調節率較低，那么整個頻率調節的時間會比較長，開機過程會比較慢[10-11]。為了優化開機時間，本文提出了3種措施。

2.1? ? 措施一：在起勵的同時增加導葉開度，以縮短頻率調節時間

有學者研究了勵磁調節和轉速調節之間的相互影響[12-14]，指出勵磁調節對轉速的影響是存在的，并且得出在發電機端電壓有較高穩態電壓精度的前提下，勵磁調節的影響與電壓調節器綜合放大系數KV的取值有關。當KV≥10時，變化很小，可以不用考慮此影響;當KV<10時，要考慮此影響。

若電壓調節器綜合放大系數較小，勵磁調節的影響較大，開機時間會更長，則此優化措施的效果更突出[15]。

優化后的開機流程圖如圖2所示。觸發開機后導葉打開，調速器工作，待頻率上升到起勵頻率時啟動自動勵磁裝置，并同時調速，增加開導葉時間，等起勵穩定后，檢測電壓和頻率，若滿足條件則進行并網操作，開機完成。

2.2? ? 措施二：調速器開導葉的時間根據頻率的變化自動調整，實現自適應

水輪發電機組的運動方程式：

式中：Mt為水輪機主動力矩;Mg為發電機阻力矩;J為發電機的慣量常數;ω為角速度。

式中：λ為水的密度;Q為水輪機引用流量;H為水輪機工作水頭;η為水輪機效率。

由公式（1）（2）可得，水輪機主動力矩大于發電機阻力矩時，機組轉速上升，而水輪機主動力矩又與水輪機引用流量、工作水頭和機組效率等參數正相關，且水頭和效率一般是不能改變的，只能通過改變水輪機引用流量Q來調節主動力矩Mt，從而調節頻率。對于中大型的水輪發電機組，可以通過改變導葉開度來調節水流量;而對于小水電的水輪發電機組，只能通過調整開導葉時間來調節水流量。而且若水頭較小，單次的頻率變化量就會比較小，那么整個開機過程會比較耗時;若水頭較大，則頻率上升太快，不易控制，所以本文提出了一種導葉開通時間自適應的優化措施。

假設一般小水電水輪機組開機后調速器一直打開，頻率到達精調頻率門檻后根據起勵之前頻率的變化率來自動調整開導葉時間。若頻率變化率較大，說明水頭較大，則減小開導葉時間;若頻率變化率較小，說明水頭較小，則增大開導葉時間。

若上一次頻率大于50 Hz，經過減速調整后，超調導致頻率小于50 Hz，再經過加速調整后，頻率又大于50 Hz，那么此時減速階段自適應，減少減速時間。同樣，若下次頻率又小于50 Hz需要加速調整，則加速階段自適應，減少加速時間，以此確保水輪機轉速能夠快速調整并穩定在50 Hz附近。

優化后的自適應開機流程圖如圖3所示。觸發開機后，調速器打開，當頻率升高到一定程度時，啟動自動勵磁裝置，結合優化措施一，起勵時給予調速器反饋，電壓升高的同時抑制頻率下降。當頻率上升至精調頻率門檻時，開導葉時間根據起勵之前的頻率變化率自適應調整。若頻率變化率過大，則適當減小開導葉時間;若頻率變化率過小，則適當增大開導葉時間，即負向調節。最后檢測頻率，同期并網。

開導葉時間的自適應調整類似一種前饋控制，前饋控制是指通過觀察情況、收集整理信息從而掌握規律、預測趨勢，正確預計未來可能出現的問題，提前采取措施，將可能發生的偏差消除在萌芽狀態中。而本優化措施的自適應控制就是在前面調速的階段得出頻率變化規律，使后面的精調階段有規可循，從而縮短開機時間，并防止頻率上升過快超過額定值造成沖擊，達到優化的目的。

2.3? ? 措施三：采用反時限設置導葉控制時間

同步發電機轉子機械角加速度與作用在轉子軸上的不平衡轉矩之間的關系可以用如下方程描述：

由此可得，當水輪機有功缺額ΔP固定時，其角速度與時間為一個二階方程，在控制發電機調速過程中由此構建一個反時限公式關系，用發電機機端頻率代替發電機轉速，其反時限特征方程為：

式中：Δf為頻率變化率;tp為根據不同水輪機設置的參數，對應發電機的慣性時間常數。

頻率接近50 Hz之后，調整導葉開度使得發電機頻率穩定在50 Hz附近，如果穩定時間為定時限固定時間，那么當調整導葉開度之后若頻率仍在變化，則需要等待固定時間才能再次調整，導致時間難以設置;如果穩定時間為反時限時間，其穩定時間實際上是上述反時限公式中的時間因子tp，而每次調整導葉開度后，等待的穩定時間呈現出反時限特性，若頻率持續增大或減小，則立即進入下次調整程序，實際調整控制更快速，適應性更強，魯棒性更高。反時限特性曲線如圖4所示。

3 結語

本文研究了小水電自動控制器的開機流程，針對勵磁階段、頻率精調階段和頻率穩定時間，提出了3種優化措施，以縮短開機時間。在啟動自動勵磁裝置時，給予調速器一個反饋，在起勵階段同時調速，以抑制頻率的下降;當頻率達到精調頻率門檻后，根據前面的頻率變化規律自適應調整導葉開啟時間，減少水頭帶來的影響，達到優化開機時間的效果;利用反時限控制導葉調節，減少等待延時，快速調整頻率。經實際工程應用證明，以上措施可有效縮短水電機組開機時間，有較好的推廣應用價值。

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收稿日期：2021-01-27

作者簡介：李湛（1983—），男，廣東湛江人，工程師，研究方向：自動化控制。