績溪抽水蓄能機組調速系統的設計特點

于紅巖，初云鵬，楊曉文

（南瑞集團有限公司，江蘇 南京 210000）

1 引言

近10年，風電、光伏[1]等清潔能源在電網中的比重不斷增加，截止到2019年已經有近8%。同時，為了保障電力系統功率平衡，儲能也隨之更為重要。抽水蓄能作為大型儲能機組，在電網中發揮著重要的作用。目前各類儲能技術已經開始用于電力系統，常見的方式有電池、鹽洞儲能、壓縮空氣及抽水蓄能儲能等。這些技術的能量密度，功率密度及使用壽命等特性不盡相同。近年來抽水蓄能系統的研究主要是在不斷提高儲能技術的控制性能，降低成本，大大提高了系統穩定性，并改善了電能質量。當前我國對各種儲能技術都進行了大量的廠內試驗和示范工程，而最具有商業價值的還是抽水蓄能[2]。

作為確保電力系統安全運行的有效手段，抽水蓄能具有調峰、調頻、調相等多種功能。未來10年，將成為抽水蓄能大力發展的黃金階段[3]。

2 調速器系統設計特點

安徽績溪抽水蓄能電站坐落于安徽績溪縣。電站安裝了6臺單機容量300 MW的抽水蓄能機組，總裝機容量1 800 MW，年均發電量將達到30億kW·h，年抽水電量將達到40億kW·h。該電站主回路接入華東電網，承擔電網的調峰、填谷、調頻、調相等任務。該電站主要建筑物包含上下水庫、水道系統、廠房及開關站等。

2.1 調速器系統基本組成

抽水蓄能電站調速系統設備組成與常規水電機組調速系統基本相同，主要包括調速器電氣控制柜、機械液壓操作柜、主配壓閥及其電液隨動控制系統、油壓裝置及其控制柜、分段關閉裝置（閥）、事故配壓閥、接力器等。作為調速器系統的核心，電氣控制柜采集抽水蓄能機組的導葉開度、有功功率、轉速、水頭等信息，通過控制流程和程序計算出相應的導葉開度給定，并轉換成相應的電氣量輸送到液壓操作柜。液壓操作柜主要配置比例伺服閥放大器和手動增減、停機等操作回路，主要將電氣控制柜信號進行傳遞和放大，并對液壓系統進行各種控制操作。液壓隨動系統主要配置了比例伺服閥和主配壓閥，主要對電氣控制柜信號進行電液轉換，并進行液壓放大。事故配壓閥主要在調速系統電氣或液壓隨動系統失靈時，能夠緊急關閉導葉。分段裝置根據調保計算值整定，實現一段或二段關閉。油壓裝置主要包括壓力罐和回油箱及其附屬自動化元件，主要為調試系統提供工作油壓，油壓裝置控制柜主要功能是通過對油泵的啟停控制和自動補氣控制來維持壓力罐的油壓穩定和合理的油氣比[4]。

2.2 電氣調節柜控制系統

績溪抽水蓄能電站調速器系統，采用南瑞SWT系列中SAFR2000H電氣控制柜，該裝置硬件采用貝加萊X20控制器，軟件采用全新變結構PID控制策略，已經在混流式機組、軸流轉槳式機組、沖擊式機組和抽水蓄能機組上有大量應用業績[3]。尤其對于抽水蓄能機組，已經在響水澗、響洪甸、周寧等多個電站穩定運行，經歷了長時間的考驗，被認定為國內抽水蓄能核心控制設備。除此之外，在即將投產的沂蒙、荒溝、梅州等抽水蓄能電站，又將大范圍應用。

控制柜的PLC核心部分，選用了貝加萊X20系列模塊作為硬件核心，主要配置X20CP1585為調速控制器CPU模塊，該模塊功能強大，具有1個RS232 接口、1個 Ethernet接口、1個 POWERLINK、2個USB接口，并配備512M內存。基于水電站運行特點，該系統采用相互獨立工作且處于熱備用狀態的雙套控制器互為冗余配置，大大增強了系統運行的穩定可靠性。

開關量輸入采用X20DI9371，可同時采集開停機、并網、增速、減速等外部開入量，開關量輸出采用X20DO9322，可以同時輸出手自動、調頻動作和故障等開出量。模擬量輸入采用X20AI4622，可同時采集導葉反饋信號、功率反饋信號等模入量，模擬量輸出采用X20AO4622，可同時輸出導葉控制、功率反饋量等信號。測頻環節采用X20DS1319模塊，精度為10-7數量級，每個模塊提供四路獨立工作的測頻通道，滿足對機頻、網頻的測量[1]。

雙機切換為第三方PLC實現方案，采用歐姆龍ZEN[4]系列PLC，輸入輸出簡單可靠，故障率低，有超過200臺套無故障運行記錄。

人機界面采用貝加萊AP1120系列工控機，核心控制器沿用貝加萊傳統系統，采用貝加萊B&R語言編程，與主控制器X20CP1585采用同樣的編程語言，方便了項目開發的可移植性和延續性。

采用上述配置組成的雙機冗余系統，兩套獨立的PCC控制器互為熱備用，在一套故障時，通過智能切換PLC判斷能無擾動的切換至另一套運行。另外，兩套控制器采用獨立的電源和反饋通道，當一套發生故障或需要檢修時，完全不影響另一套的運行。

電氣控制主要特點：

（1）電氣控制系統為雙冗余熱備用配置，能夠實現智能無擾動切換。

（2）智能PID控制策略，控制程序采用變結構、變參數的自適應控制方法，具備一次調頻、參數辨識等功能。

（3）方便實用的人機界面集調試與運行功能于一體，能自動錄制試驗曲線。

（4）X20 PCC具有更快的運算速度、更大的內存和更豐富的通訊接口。

（5）完全獨立的測頻通道，測頻精度和可靠性得到大大提升。

2.3 機械液壓操作系統

績溪抽水蓄能電站機械液壓操作系統，采用改進型MB智能控制模塊，實現對各種反饋量的采集和閉環控制。正常情況下，智能控制模塊采集伺服閥反饋、主配反饋、導葉反饋等信息實現閉環信號采集，配合功放版實現閉環控制。在出現伺服閥卡澀、主配壓閥卡澀時，還能輸出卡澀故障信號。當一套出現卡澀時候，系統報警給調速器控制系統，實現無擾動的切換至另一套控制模塊運行，保持導葉開度信號不變[5]。

液壓操作柜內兩套獨立的伺服系統互為冗余，同時接受來自電氣控制柜主機PCC的導葉控制信號。系統采用BOCSH的伺服比例閥，實現調速器自動和電手動兩種操作方式，兩個伺服比例閥通過切換閥實現主從切換。

液壓控制主要特點：

（1）監測伺服比例閥、主配壓閥和接力器各裝置的位置反饋信號。

（2）主配反饋環節增強了系統的速動性和穩定性。

（3）采用雙比例伺服閥，互為熱備用，控制單元可自動進行切換。

（4）兩個位置閉環控制，主配閉環（內環）、接力器閉環（外環），采用數字PID控制。

2.4 液壓控制部分

績溪抽水蓄能電站的液壓系統控制部分，主配控制部分采用常規的控制方法，配置雙比例伺服閥加單緊急停機閥共同控制阿爾斯通主配壓閥，事故配壓閥采用南瑞常規4個插裝閥結構的設計方式，由純機械過速保護裝置和液控閥串聯控制。其中，分段關閉系統的設計采用了新型的設計思路，下文做了詳細的分析。

績溪抽水蓄能電站導葉關閉規律：水泵工況采用一段關閉規律，導葉由100%關閉到0，時間15 s;水輪機工況采用兩段關閉規律，第一段導葉由100%關閉到65%，時間32 s，第二段導葉由65%關閉到0，時間21 s，兩段共歷經時間53 s。

分段關閉系統原理圖參考圖1，該系統由4部分組成，分別是分段關閉裝置1、分段關閉裝置2、分段關閉集成塊和行程閥1。對于水泵工況，導葉采用一段關閉的規律，只需要投入分段關閉裝置1的13EM01換向閥至a位，分段關閉集成塊的13EM02換向閥至a位，驅動分段裝置1和分段關閉裝置2處于非節流狀態，即可實現。對于水輪機工況，分段關閉裝置1的13EM01閥一直處于b位，分段關閉裝置1一直處于節流狀態，分段關閉集成塊的13EM02閥一直處于b位；當導葉開度位于100%到65%的第一段，行程閥1處于a位，分段關閉集成塊13EM03閥處于b位，驅動分段關閉裝置13HV02至b位，即分段關閉裝置2處于節流狀態，實現第一段關機；當導葉開度位于65%到0的第二段，行程閥1處于b位，分段關閉集成塊13EM03閥處于b位，驅動分段關閉裝置13HV02至a位，即分段關閉裝置2處于非節流狀態，實現第二段關機。第二段關閉規律，還可以驅動分段關閉集成塊的13EM03閥處于a位，通過電氣控制實現。

圖1 分段關閉系統原理圖

3 結束語

績溪抽水蓄能電站調速系統采用了進口貝加萊控制器，核心軟件由南瑞自主開發，配合阿爾斯通主配，構成了一個完整的調速系統。通過績溪電廠6臺調速系統的設計分析，我們積累了抽水蓄能機組設計方面的大量經驗，為開發功能更完備、調節性能更靈敏、性價比更高的調速系統設備奠定了基礎。