全功率變速抽水蓄能機組變速變功率協同控制策略研究

姜海軍，戎 剛，史華勃，單鵬珠，陳善貴，陳 剛

［1．南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106；2．國網四川省電力公司電力科學研究院，四川省成都市 610095；3．安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽省宣城市 245300］

0 引言

抽水蓄能電站具有調峰、填谷、調頻、調相及事故備用等功能，是當前解決電力系統調峰問題以及確保電力系統安全穩定運行的最為經濟有效的手段之一[1]。

與定速抽水蓄能機組相比，變速抽水蓄能機組具有抽水工況有功功率及轉速可調節，發電工況運行效率更高，功率調節速度快，滿足電力系統連續、快速、準確進行頻率調節和調整有功功率的要求等優點，已在國外得到廣泛應用，我國也開始應用[2、3]。

變速抽水蓄能機組主要有兩種方式，一種是雙饋型變速抽水蓄能機組，一種是全功率型變速抽水蓄能機組，當前對雙饋型變速抽水蓄能機組控制系統的關鍵技術開展了大量研究[4-8]，但對全功率型變速抽水蓄能機組控制系統的關鍵技術研究較少[9-10]，特別是全功率變速抽水蓄能機組有功功率與轉速協同控制的研究甚少[11]。

全功率變速抽水蓄能機組變流器和調速器都可以調節機組有功功率和轉速，存在相互影響需要協調控制問題。本文針對全功率變速抽水蓄能機組有功功率與轉速之間的協調控制問題，提出了一種全功率變速抽水蓄能機組變速變功率協同控制策略，研制了全功率變速抽水蓄能機組協同控制器樣機，并搭建了RTDS仿真試驗平臺，對全功率變速抽水蓄能機組變速變功率協同控制策略進行了仿真試驗驗證。

1 全功率變速抽水蓄能機組組成

全功率變速抽水蓄能機組主要由水泵水輪機、發電電動機、變流器、調速器、勵磁系統、協同控制器、監控系統等組成，系統結構如圖1所示。全功率變速抽水蓄能機組通過變流器與電網連接，發電時，將機組發出的電壓、頻率不同的電能，經過交/直/交變換后，變成與電網電壓、頻率相同的電能，輸入電網；抽水時，將電網的電能，經過交/直/交變換后，變成電壓、頻率不同的電能，輸入機組，實現變速變功率運行。

圖1 全功率變速抽水蓄能機組組成Figure 1 Composition of full power variable speed pumped storage unit

2 協同控制問題

全功率變速抽水蓄能機組變流器控制發電電動機三相定子電壓/電流可以調節機組有功功率和轉速，調速器控制水泵水輪機導葉開度也可以調節機組有功功率和轉速，存在相互影響，引發有功功率與轉速振蕩，導致機組無法運行。為此需要設置協同控制器，負責協調變流器和調速器之間的有功功率與轉速控制。

3 協同控制策略

變流器控制定子電壓/電流調節機組有功功率和轉速，屬于電氣量控制，具有速度快的優勢，而調速器控制導葉開度調節機組有功功率和轉速，屬于機械量控制，速度慢。根據變流器和調速器調節機組有功功率和轉速的特點，本文提出了一種全功率變速抽水蓄能機組變速變功率協同控制策略，即：監控系統下發有功功率指令和無功功率指令給協同控制器，協同控制器根據有功功率指令和水頭測值，計算出最優轉速和最優導葉開度，然后將有功功率指令、無功功率指令、最優導葉開度指令和最優轉速指令下發給變流器和調速器，變流器控制三相定子電壓/電流實現機組有功功率和轉速的細調，調速器控制機組導葉開度實現機組有功功率和轉速的粗調，從而實現全功率變速抽水蓄能機組變速變功率協同控制。協同控制策略如圖2所示。

圖2 全功率變速抽水蓄能機組變速變功率協同控制策略Figure 2 Coordinated control strategy of full power variable speed pumped storage unit

4 協同控制器樣機

根據上述協同控制策略，我們采用南瑞N500系列可編程邏輯控制器研制了全功率變速抽水蓄能機組協同控制器樣機，主要由電源模塊、CPU模塊及I/O模塊組成，如圖3所示，其中：電源模塊PSM0501提供工作電源，CPU模塊CPU5021負責數據處理和運算功能，并通過網口與人機界面和監控系統通信，開關量輸入模件DIM3201負責開關量輸入信號采集，模擬量輸入模件AIM0801負責模擬量輸入信號采集，開關量輸出模件DOM3201負責開關量信號輸出，模擬量輸出模件AOM0403負責模擬量信號輸出。

圖3 全功率變速抽水蓄能機組協同控制器Figure 3 Coordinated controller of full power variable speed pumped storage unit

5 協同控制仿真試驗

為了驗證全功率變速抽水蓄能機組變速變功率協同控制策略，本文搭建了全功率變速抽水蓄能機組控制系統RTDS仿真試驗平臺（如圖4所示），變流器、調速器、協同控制器和監控系統為實體樣機，全功率變速抽水蓄能機組仿真模型建立在RTDS機柜中，對全功率變速抽水蓄能機組變速變功率協同控制策略進行仿真試驗驗證。

圖4 全功率變速抽水蓄能機組仿真試驗平臺Figure 4 Simulation platform of full power variable speed pumped storage unit

本文以春廠壩全功率變速抽水蓄能機組為研究對象，開展全功率變速抽水蓄能機組變速變功率協同控制策略仿真試驗，機組參數為：水泵水輪機正常出力范圍為2.657～6.7 MW，水頭范圍130～165m，轉速調節范圍791.8～1003.3 r/min，導葉開度范圍10.0°～35.5°；水泵水輪機正常入力范圍為5.55～6.7 MW，揚程范圍159.8～165m，轉速調節范圍1005～1030r/min，導葉開度范圍18.0°～30.0°，機組發電/抽水工況特性曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 全功率變速抽水蓄能機組發電工況特性曲線Figure 5 Characteristic curve under generating condition of full power variable speed pumped storage unit

圖6 全功率變速抽水蓄能機組抽水工況特性曲線Figure 6 Characteristic curve under pumping condition of full power variable speed pumped storage unit

5．1 發電工況協同控制仿真試驗

全功率變速抽水蓄能機組發電工況開機過程為：首先，啟動機組輔助設備，待機組輔助設備啟動后，開啟進水蝶閥，當進水蝶閥全開后，啟動調速器發電開機，調速器控制機組從靜止升速到當前水頭空載轉速；接著，啟動勵磁建壓，待機組電壓升到當前水頭空載轉速對應的電壓后，啟動變流器發電運行，變流器合上機側開關，控制機側變流器發脈沖，使機組發電運行；然后，監控系統設定機組有功功率和無功功率給協同控制器，協同控制器計算出對應的最優轉速和最優導葉開度，下發給變流器和調速器，分別控制發電電動機三相定子電壓/電流和水泵水輪機導葉開度，進行發電工況有功功率與轉速的協同控制。

全功率變速抽水蓄能機組發電工況有功功率與轉速協同控制有兩種方式，分別為：變流器控制轉速和調速器控制有功功率方式、變流器控制有功功率和調速器控制轉速方式，下面分別對這兩種方式進行RTDS仿真試驗。

5.1.1 變流器控制轉速和調速器控制有功功率方式

在變流器控制轉速和調速器控制有功功率方式下，水頭158m不變，監控系統有功功率設定值從6.3MW降到3.5MW，再從3.5 MW升到6.3MW，協同控制器計算出對應的最優轉速由983r/min降到873r/min，再從873r/min升到983r/min，最優導葉開度由66.1%減小到31.9%，再從31.9%增大到66.1%，變流器根據轉速設定值控制三相定子電壓/電流進行轉速調節，調速器根據有功功率設定值控制機組導葉開度進行有功功率調節，轉速調節時間為20s，有功功率調節時間為22s。試驗波形如圖7所示。

圖7 發電工況變流器控制轉速和調速器控制有功功率方式變速變功率試驗波形Figure 7 Test waveform of converter control speed and governor control power mode under generating condition

5.1.2 變流器控制有功功率和調速器控制轉速方式

在變流器控制有功功率和調速器控制轉速方式下，水頭158m不變，監控系統有功功率設定值從6.0MW降到5.5MW，再從5.5 MW升到6.0MW，協同控制器計算出對應的最優轉速由968r/min降到941r/min，再從941r/min升到968r/min，最優導葉開度由61.1%減小到52.1%，再從52.1%增大到61.1%，變流器根據有功功率設定值控制三相定子電壓/電流進行有功功率調節，調速器根據轉速設定值控制機組導葉開度進行轉速調節，有功功率調節時間為0.2s，轉速調節時間為48s。試驗波形如圖8所示。

圖8 發電工況變流器控制有功功率和調速器控制轉速方式變速變功率試驗波形Figure 8 Test waveform of converter control power and governor control speed mode under generating condition

從發電工況變速變功率試驗波形，可以看出：變流器控制有功功率和調速器控制轉速方式下，有功功率具有階躍調節能力，但機組轉速調節相對緩慢，持續時間48s，且可能會出現轉速振蕩；變流器控制轉速和調速器控制有功功率方式下，機組轉速調節迅速，利于最優轉速控制，但有功功率調節相對較慢，持續時間22s，不具備有功功率瞬時階躍調節能力。因此，推薦機組發電工況變速變功率協同控制策略為：機組發電工況啟停過程采用變流器控制轉速和調速器控制有功功率方式，待有功功率穩定后，可切換至變流器控制有功功率和調速器控制轉速方式，兼顧機組高效穩定運行，并具備快速功率調節能力。

5．2 抽水工況協同控制仿真試驗

全功率變速抽水蓄能機組抽水開機過程為：首先，啟動機組輔助設備，待機組輔助設備啟動后，開啟進水蝶閥，當進水蝶閥全開后，啟動勵磁，發變流器抽水啟動令，變流器合上機側開關，控制機側變流器發脈沖，拖動機組從靜止升速到造壓轉速，當機組造壓壓力達到后，啟動調速器抽水開機，調速器開啟導葉；然后，監控系統設定機組有功功率和無功功率給協同控制器，協同控制器計算出對應的最優轉速和最優導葉開度，下發給變流器和調速器，分別控制發電電動機三相定子電壓/電流和水泵水輪機導葉開度，進行抽水工況有功功率與轉速的協同控制。

全功率變速抽水蓄能機組抽水工況有功功率與轉速協同控制有兩種方式，分別為：變流器控制轉速和調速器控制有功功率方式、變流器控制轉速和調速器控制導葉開度方式，下面分別對這兩種方式進行RTDS仿真試驗。

5.2.1 變流器控制轉速和調速器控制有功功率方式

在變流器控制轉速和調速器控制有功功率方式下，水頭162m不變，監控系統有功功率設定值從-5.6MW升到-6.0 MW，再從-6.0 MW降到-5.6MW，協同控制器計算出對應的最優轉速由1003r/min升到1013r/min，再從1013r/min降到1003r/min，最優導葉開度由51.6%減小到41.9%，再從41.9%增大到51.6%，變流器根據轉速設定值控制三相定子電壓/電流進行轉速調節，調速器根據有功功率設定值控制機組導葉開度進行有功功率調節，轉速調節時間為4s，有功功率調節時間為22s。試驗波形如圖9所示。

圖9 抽水工況變流器控制轉速和調速器控制有功功率方式變速變功率試驗波形Figure 9 Test waveform of converter control speed and governor control power mode under pumping condition

5.2.2 變流器控制轉速和調速器控制導葉開度方式

在變流器控制轉速和調速器控制導葉開度方式下，水頭160m不變，監控系統有功功率設定值從-6.5MW降到-5.0 MW，再從-5.0 MW升到-6.5MW，協同控制器計算出對應的最優轉速由1030r/min降到1003r/min，再從1003r/min升到1030r/min，最優導葉開度由75.0%減小到43.9%，再從43.9%增大到75.0%，變流器根據轉速設定值控制三相定子電壓/電流進行轉速調節，調速器根據導葉開度設定值控制機組導葉開度，導葉開度調節時間為3s，轉速調節時間為9s，有功功率調節時間為9s。試驗波形如圖10所示。

圖10 抽水工況變流器控制轉速和調速器控制導葉開度方式變速變功率試驗波形Figure 10 Test waveform of converter control speed and governor control guide vane mode under pumping condition

從抽水工況變速變功率試驗波形，可以看出：變流器控制轉速和調速器控制有功功率方式下，機組轉速調節迅速，但有功功率調節相對緩慢，持續時間22s；變流器控制轉速和調速器控制導葉開度方式下，機組導葉開度調節迅速，機組轉速和有功功率調節快，利于機組高效穩定運行。因此，推薦機組抽水工況變速變功率協同控制策略采用變流器控制轉速和調速器控制導葉開度方式。

6 結語

本文針對全功率變速抽水蓄能機組有功功率與轉速之間的協調控制問題，提出了一種全功率變速抽水蓄能機組變速變功率協同控制策略，研制了全功率變速抽水蓄能機組協同控制器樣機，并搭建了仿真試驗平臺，對全功率變速抽水蓄能機組變速變功率協同控制策略進行了仿真試驗驗證，試驗結果表明：協同控制策略正確，能夠滿足工程應用需求，發電工況變速變功率協同控制策略推薦采用變流器控制轉速和調速器控制有功功率方式，待機組有功功率穩定后，可切換至變流器控制有功功率和調速器控制轉速方式，兼顧機組快速功率調節能力和高效穩定運行；抽水工況變速變功率協同控制策略推薦采用變流器控制轉速和調速器控制導葉開度方式，機組轉速和有功功率調節快，利于機組高效穩定運行。