變速恒頻水電機組調速系統研究及應用

李 娜，鄭楚艾，于尚北

（中國水利水電科學研究院中水科技公司，北京 100038）

目前，世界范圍內變速恒頻發電控制技術主要應用于抽水蓄能機組。其中，應用變速恒頻機組最早和最多的國家是日本和德國，迄今為止兩國已投運了數十個電站[1]。我國變速抽水蓄能機組的設計和制造起步較晚，僅在主機方面有若干理論及試驗成果，而對相應的水輪機調速系統及裝置的研究仍停留于理論探討及分析階段，尚未出現能夠應用于工程實際的產品[2-3]。引漢濟渭工程屬于跨流域調水工程，工程等別為Ⅰ等工程，工程規模為大（一）型。作為引漢濟渭工程兩個水源之一的三河口水利樞紐裝有2臺常規水輪發電機組和2臺可逆式水泵水輪機組，其總裝機容量為60 MW，其中常規水輪發電機組40 MW，可逆機組20 MW。根據工程設計要求，為了提高機組在低水頭工況下的機組效率，決定常規水電機組采用變速恒頻發電控制技術，這種工程應用在國內常規水電機組中尚屬首次。因此開展變速恒頻水電機組調速系統的研究具有非常重要的工程實際意義[4]。

1 三河口水利樞紐工程變速恒頻水電機組的兩種運行模式

引漢入渭三河口水利樞紐工程在供水期，水輪發電機組在55～99.3 m水頭范圍內按常規發電方式下375 r/min的額定轉速運行，發電機出口通過主變壓器直接與電網相聯，輸出額定頻率50 Hz、額定電壓10.5 kV的電力向電網送出。但在30～55 m水頭范圍內，機組如果仍按375 r/min額定轉速運行，則效率大幅下降、振動急劇增加，機組無法正常運行，只能放棄發電。鑒于此，為保證30～55 m低水頭下還能正常發電運行、保證經濟效益，需降低機組轉速，低轉速運行所輸出的電力頻率和電壓均低于額定值，此時，發電機不能通過主變壓器直接與電網相聯，只能通過變流器轉換為額定頻率50 Hz、額定電壓10.5 kV的工頻交流電后向電網輸出，即所謂的“變速-恒頻”發電。

低轉速運行時，機組目標轉速需隨工作水頭連續變化，水頭與轉速/頻率對應關系為：水頭30～55 m→ 轉速：225～297 r/min、頻率：30～39.6 Hz。此時機組與電網非剛性聯接，而是柔性聯接，對水輪機調速系統而言相當于孤立運行調節，既要保證機組轉速穩定，又要保證原動有功穩定。這對調速系統的要求很高，因為其穩定域很窄，參數整定難度大、難以穩定，因此需要對調節參數反復整定和優化，從而保證系統在變目標轉速條件下的穩定發電運行。

2 額定轉速與降轉速運行模式控制機理

2.1 額定轉速運行模式控制機理

在常規并網發電運行模式下，水輪發電機組無一例外地全部通過主變壓器與大電網聯接，此時發電機與電網之間相當于剛性聯接（假設勵磁系統工作正常）。由于電網容量遠大于機組單機容量，此時無論機組功率怎么變化，其機械轉速n（t）是不變的，始終為額定轉速

式中：fr——電網額定頻率，Hz；p——發電機磁極對數。

在此種運行模式下，水輪機導葉開度變化引起機組輸出功率變化，而機組轉速是不變的，即控制目標只有功率。

2.2 降轉速運行模式控制機理

在降轉速運行模式下，需借助變頻器聯網，目前在常規水電機組中尚無成功應用實例。但該技術在風電機組中應用廣泛，這是由于風電機組的機械轉速是時刻變化的，且發電運行方式下也允許機組的機械轉速n（t）為非恒定的隨機變化，這與水電機組完全不同。水電機組發電運行時，若轉速n（t）長時間非恒定、隨機變化，將導致機組及相關設備損壞，更不用提效率大幅下降了。這也是水電機組與風電機組的最大區別。

機組通過變頻器聯網運行，是借助于變頻器的“交流-直流-交流變換”，再與大電網相連的，這相當于柔性聯接，此時導葉開度變化將同時導致機組轉速與功率的變化，即如果要保證機組轉速n（t）為恒定的目標轉速值（三河口項目提出由水頭決定目標轉速），就無法把機組功率作為控制目標；反之，如果以機組功率作為控制目標，則轉速就無法穩定在恒定的目標值（由水頭決定不同的目標值）。此時，機組轉速n（t）與電網額定頻率fr沒有明確的對應關系。

從專業角度來講，從機組至變頻器的直流輸出過程，相當于孤網運行，此時水輪機調節系統將以機組轉速恒定為控制目標，此時無法同時將機組輸出功率也作為控制目標，除非允許轉速n（t）在相當大的范圍內隨機變化（但三河口項目要求每個水頭對應特定的固定轉速值）。

3 孤網調節試驗研究

如前文所述，變速恒頻水電機組在通過變頻器與外界電網相連接時采用的是孤網調節方式。孤網運行作為一種特殊的運行模式，對于機組調速系統的調節性能有更高的要求[5]。

3.1 孤網調節性能指標要求

當水電機組由大網運行進入單機帶負荷的孤立運行工況時，水輪機調速系統以頻率作為主控目標，開度及功率為輔控目標，在確保調節過程穩定的前提下，根據GB/T 9652.1-2019《水輪機調速系統技術條件》，需滿足下列要求：

（1）當外部負荷發生變化（不大于機組額定功率的15%）而引起頻率變化時，調節過程中頻率變化衰減度ψ應不大于30%；

（2）在無外部負荷突變的條件下，頻率擺動應在±3%范圍內。

3.2 孤網調節試驗方法

調速器通過傳感器等電氣元件采集機組功率、機組頻率、電網頻率、導葉開度等模擬量信號，再通過電氣隔離模塊經過A/D模塊送入電氣柜PLC控制器中，PLC控制器對上述信號進行數據存儲和試驗曲線記錄。調速器調節參數Kp、KI、KD、Ef、bp等在調節范圍內均可以調整，空載運行調節參數、孤網運行調節參數和并網運行調節參數需要通過試驗進行確定。調速器孤網試驗內容和流程如圖1所示。

圖1 孤網試驗流程

（1）空載擾動試驗方法

機組處于空載額定轉速運行工況，將調速器導葉控制置于手動狀態，手動增減導葉開度從而改變機組頻率。當機組頻率變化幅度Δf0超過2 Hz（即4%額定轉速）時，將調速器導葉控制切換至自動狀態，觀測并記錄機組頻率和導葉開度變化的過渡過程。在調節過程穩定的前提下，選取頻率過渡過程超調量小、收斂快、波動次數少，且轉速擺動值最小的一組調節參數作為空載調節參數和孤網初始調節參數，空載擾動響應試驗過程如圖2所示。

根據GB/T 9652.1-2019《水輪機調速系統技術條件》，空載擾動響應試驗過程的動態調節品質應滿足以下要求：

1）頻率變化衰減度ψ（與起始偏差符號相同的第2個頻率偏差峰值與起始偏差峰值之比）應不大于30%，即Δf1/Δfmax≤30%；

2）頻率最大超調量Δfmax不得超過擾動量Δf0的40%，即Δfmax/Δf0≤40%；

3）自階躍擾動開始，至調節穩定為止的調節時間TFR不得超過35 s；

4）在調節時間TFR內，頻差超過±0.5 Hz的波動次數Z（頻率的波峰個數與波谷個數之和的一半）不得超過2次。

圖2 空載頻率擾動響應試驗

（2）模擬孤網試驗方法

機組處于空載額定轉速運行工況，通過短接進入調速器的發電機出口斷路器干接點，使調速器處于模擬并網發電狀態。如圖2所示進行頻率擾動，先將調速器導葉控制置于手動狀態，隨后手動增減導葉開度從而改變機組頻率，當頻率擾動的偏差絕對值超過2 Hz時，將調速器導葉控制切換至自動狀態，驗證孤網初始調節參數，并在此基礎上重新整定，以獲取一組調節效果較好的參數作為孤網調節參數。

（3）實際孤網試驗方法

機組處于并網運行工況，所帶負荷不小于25%額定負荷，且運行平穩。此時保持發電機出口斷路器閉合狀態不變，突然斷開主變高壓側斷路器，使機組切入孤網狀態，觀測并記錄機組頻率和導葉開度變化的過渡過程，驗證調節過程的穩定性，同時對模擬孤網試驗得到的調節參數進一步調整和優化，確定最終的孤網運行調節參數。

4 三河口水利樞紐工程機組孤網調節試驗

如前文所述，三河口水利樞紐工程2臺常規機組在低轉速運行時，目標轉速跟隨工作水頭變化。此時調速器相當于在進行孤立調節，通過調節頻率，實現機組所發有功功率與用電負荷之間的動態平衡。雖然機組在空載運行和孤網運行模式下，調速器均采用頻率調節方式，但由于孤網運行時，外部負荷的變化無法預知，因此孤網運行的控制難度遠大于空載運行[6]。通過進行機組空載擾動試驗，可以得到空載調節參數和孤網調節初始參數，而最終的較為理想的孤網運行調節參數則需通過實際孤網試驗后才能確定。

4.1 機組空載擾動試驗

采用試驗尋優法，得到三河口水利樞紐工程機組空載穩定運行的最優調節參數Kp=1.63、KI=0.12 s-1、KD=0.15 s、bp=0、Ef=0.01，孤網調節初始參數Kp=1.63、KI=0.14 s-1、KD=0.16 s、bp=2、Ef=0.5。如圖3 a為空載擾動上擾試驗曲線，圖3 b為空載擾動下擾試驗曲線，空載擾動試驗性能指標如表1所示。

表1 空載擾動試驗性能指標

4.2 機組孤網試驗

當水頭在30～55m范圍內時，三河口水利樞紐工程常規機組以270 r/min的低轉速運行，此時機組與電網柔性聯接，對水輪機調節系統而言相當于孤網運行工況。

（1）第一次孤網試驗

根據上述空載擾動試驗確定的孤網初始調節參數，即Kp=1.63、KI=0.14 s-1、KD=0.16 s、bp=2、Ef=0.5，開展第一次孤網試驗。孤網試驗曲線如圖4。從圖中可見在該組參數下，孤網系統頻率持續發散震蕩無法收斂，不能滿足穩定運行的要求，因此需要對調節參數進一步整定和優化。

圖4 機組第一次孤網試驗曲線

（2）第二次孤網試驗

針對第一次孤網試驗存在的問題，經過仔細分析和反復試驗，發現孤網PID調節參數的整定不宜太靈敏，否則容易引起頻率振蕩；同時，孤網Kp的取值宜稍大一點，而孤網KI的取值宜稍小一點；人工死區Ef的整定，既不能太大，也不能太小，否則容易造成系統不穩定。

基于以上原則，對調節參數進一步整定和優化，最終確定一組效果較為理想的孤網調節參數Kp=0.78、KI=0.06 s-1、KD=0.39 s、bp=1、Ef=0.3。如圖5為該組參數下的試驗曲線，頻率擺動值

由公式（2）計算可得頻率擺動值δxf=±0.85%，滿足GB/T 9652.1-2019中δxf≤±3%的規定，因此該組參數可以滿足機組在孤網狀態下穩定運行的要求。

圖5 機組第二次孤網試驗曲線

5 結論

將變速恒頻發電控制技術應用于常規水電機組調速系統中在國內雖屬首次，但是通過試驗研究和分析證明其是完全可行的，這種應用具有非常重要的工程實際意義。文中所有的分析都是基于勵磁系統始終處于理想狀態下的假想之上，而實際上通過變頻器聯接發電時，勵磁系統可能也會面臨若干問題，且極有可能出現機組、勵磁、保護與調速問題相互影響，導致調節過程不穩定，甚至振蕩。此時涉及的因素更復雜，后續可與其它專業聯合做一些探討和研究。