可变速抽水蓄能机组调速器的控制策略

可变速抽水蓄能机组调速器的控制策略

杨瀚凯王化禹

单位名称：内蒙古呼和浩特抽水蓄能发电有限责任公司 单位省市：内蒙古呼和浩特市 单位邮编：010010

单位：内蒙古电力集团蒙电信息通信产业有限责任公司 省市：内蒙古自治区呼和浩特市邮编：010000

摘要：可变速机组因其高转换效率、广泛适应水头和出力范围以及卓越的调节性能而备受关注。本研究从可变速机组的系统组成和调节原理入手，针对不同工况下的机组水泵和水轮机，提出了一系列控制策略。这些策略包括机组效率优化、功率调节、一次调频控制和调速励磁的联合控制。通过实施这些控制策略，我们对大型抽水蓄能电站中可变速机组的控制调节进行了深入研究，并取得了一些有益的探索成果。本研究的结果为该领域的进一步发展提供了有价值的参考，并为实际应用中的可变速机组控制提供了实用的技术指导。

关键词：可变速抽水蓄能机组;效率寻优;一次调频;协联控制;控制策略;

1 原理概述

变频交流励磁调速系统包括水泵-水轮机、发电-电动机、变频器和控制系统。发电-电动机采用隐极转子，具有与定子绕组相同的三相分布励磁绕组，与常规同步电机不同。变频器输出三相低频大电流供应给发电-电动机的励磁转子绕组。

即使在转子静止状态下，当绕组通入三相励磁电流时，也会产生旋转磁场。我们定义机械转速、定子电压频率和交流电流频率的百分比为Km、K1和K2，满足等式：Km + K2 = K1。这表示机械转速与交流电流频率之和等于电网的同步转速。机械转速不依赖于电网的频率，而是由发电-电动机、水泵-水轮机和输出能量平衡所决定。当水轮机输出与发电机输出平衡时，转速将保持稳定。如果水轮机输出超过发电机输出，转速将增加，而发电机输出可以通过励磁系统进行控制。励磁系统能够连续调节励磁电流的频率，以平衡K1和Km之间的差异，这是变频交流励磁调速的基本原理。控制系统不仅能够控制有功和无功功率，还能够控制机组的转速。在每个工况下，通过微处理器获取最佳数值，并进行相应的控制。这种调速系统能够实现精确而灵活的调节，以满足不同工况下的运行要求。

2 效率寻优策略

电力系统的总能量在任何时刻都是平衡的。负荷功率的波动会引起频率的变化，因为电能无法大量储存。水轮发电机的频率f与转速n之间的关系可以表示为:

P：发电机磁极对数； n：转速； f：频率。

发电机的转速受到转矩的影响，稳定的转速需要保持水轮机转矩与负荷阻力转矩平衡。转矩不平衡会导致机组角速度的变化，引起频率波动。为了调节水轮机转矩，最有效的方法是通过调速器调节导叶开度，从而改变单位流量，实现对水轮机流量的调节。调速器和励磁设备的综合协调作用能够保持转速恒定，实现高效率的运行。通过调速器和励磁的协调调节，可以确保水轮机始终在设计工况点运行，达到最佳效率。

3 变速机组调速的运行控制策略

3.1 水泵工况下的控制策略

在水泵工况下，变速机组可以通过协调导叶开度、扬程和转速来实现最佳运行工况。相比之下，定速机组在增加水泵扬程时，导叶开度减小，偏离了最佳工况，可能导致机组振动和汽蚀。变速机组可以根据水轮机的运行特性曲线自动调整转速和开度，以寻找最佳状态。

3.2 发电工况下的控制策略

在发电工况下，水轮机的出力效率与工作水头密切相关。通常在设计水头下，机组在额定负荷下具有最高效率。当水头低于设计水头时，效率迅速下降，而高于设计水头时，下降速度相对缓慢。特别是在水头较低的情况下，常规机组在50%以下的负荷下会增加振动，稳定性变差。采用变速发电电动机，通过适当调整导叶开度、水头和转速的配合，可以使机组达到较优的运行工况，并且机组的稳定运行范围可扩大至30%~100%。在较低水头情况下，可以适度降低转速并采用较小的导叶开度，在高负荷时增加转速和导叶开度，以扩展机组的出力调节范围，实现低水头下的稳定运行。

3.3 变速机组的一次调频策略

3.3.1 水泵工况

在固定转速的机组抽水工况下，导叶开关会导致较大的电力损失和机械振动，无法对电网频率变化进行调节。相比之下，变速机组可以在抽水工况下自动跟踪电网频率的变化，通过调节机组转速来调节水泵的输入功率，实现对电网频率的调节作用。调节原理如下：系统实时检测机组转速，并将其转换成机组频率反馈信号，与设定频率进行比较，计算出偏差。然后经过环节处理，输入PID调节环节，并通过反馈环节调整转速，最终将转速设定为相应的值。

3.3.2 发电工况

常规定速抽水蓄能机组的机组转速只能通过调速器进行调节，励磁系统对机组转速没有直接影响。而对于抽水蓄能变速机组，调速器可以通过调节导叶开度来控制机组转速，交流励磁系统也可以通过改变励磁输出频率来调节机组转速。当电力系统频率偏差超过设定的死区时，通过改变导叶开度或机组转速，可以实现类似一次调频的效果。通过联合改变转速和调节导叶开度，可以在一定范围内调整机组的输出，使机组在较优效率区运行，避免进入振动区。调节原理如下：机组频率偏差经过处理后，输入到PID调节环节中，并通过反馈环节输出相应的导叶调整量。输出经过限制后转换为导叶设定值，通过调速系统将导叶调节到相应位置。

3.4 调速器与励磁系统有功功率协联控制策略

3.4.1 有功功率协联关系

常规定速抽水蓄能机组的机组输出有功调节只能通过调速器对机械输入功率的调节来完成，励磁系统控制机端电压及无功功率输出。而对于抽水蓄能变速机组，机组功率可以通过调速器和交流励磁系统两种途径来调节，交流励磁对有功功率的控制会影响调速器对机组功率的调节，而调速器对机组功率的控制也会影响励磁系统对机组有功功率的调节。因此，需要研究调速器和励磁系统之间的协调问题。抽蓄变速机组在发电和抽水等工况下具有不同的运行方式和控制要求，需要针对不同工况进行深入研究，以支持变速机组的运行控制。

3.4.2 机组在不同工况下的控制技术

变速抽水蓄能机组采用变频交流励磁，使其能够适应不同水头高度和功率进行变速运行，从而提高机组的运行效率。完善的机组控制方案对于保证变速机组的优秀特性至关重要。根据功率指令和当前水头信息，基于机组运行曲线生成最优导叶开度和最优转速信号，这些信号控制机组调速和交流励磁输出，使机组能够在最佳运行效率下快速达到所需工作点。抽蓄变速机组在不同工况、不同水头和不同转速条件下的控制要求有所差异，需要针对不同情况进行处理。

3.5 机组功率控制技术

3.5.1 发电工况下的有功和无功功率控制

在变速抽蓄机组参与调频时，有功控制按照功率-频率下垂特性形成有功功率指令值；当不参与系统调频时，根据一定规则给出有功功率指令值。类似地，在机组参与系统调压时，无功控制按照无功-电压曲线形成无功功率指令值；当不参与系统调压时，根据一定规则给出无功功率指令值。

3.5.2 水泵工况下的有功和无功功率控制

在机组参与调频时，有功控制按照功率-频率上扬特性形成有功功率指令值；当不参与系统调频时，根据一定规则给出有功功率指令值。类似地，在机组参与系统调压时，无功控制按照无功-电压曲线形成无功功率指令值；当不参与系统调压时，根据一定规则给出无功功率指令值。

4 结语

综上所述，随着我国抽水蓄能电站建设迅速发展，可变速机组因其高转换效率、宽水头和出力范围的适应性以及独特的调节性能等优点逐渐受到关注。然而，由于缺乏国内可变速机组主机和辅助设备制造技术，目前还没有相关的应用案例。本文在可变速机组的机组效率优化、功率调节、一次调频控制策略和调速励磁的联合控制等方面进行了一些有益的探索，为大型抽水蓄能电站的可变速机组控制研究提供了一定的参考。

参考文献：

[1] 定速抽水蓄能机组工况转换及控制流程综述[J]. 孙凯;舒琼;薛峰.水电与抽水蓄能,2020(06)

[2] 变速抽水蓄能机组有功功率与转速协调控制研究[J]. 姜海军;张高高;徐青;梁廷婷;陈晓刚.水力发电,2021(04)

[3] 抽水蓄能机组调速器的设计思考[J]. 朱国平.科技展望,2015(17)

[4] 抽水蓄能机组调速器智能启动策略探讨[J]. 刘明华.电子制作,2016(14)