姜海軍，張高高，徐 青，梁廷婷，陳曉剛

(1.南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100005；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007)

0 引 言

抽水蓄能電站具有調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等功能，是當(dāng)前解決電力系統(tǒng)調(diào)峰問題以及確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的最為經(jīng)濟(jì)有效的手段之一[1]。

與定速抽水蓄能機(jī)組相比，變速抽水蓄能機(jī)組具有抽水工況有功功率及轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)，發(fā)電工況運(yùn)行效率更高，功率調(diào)節(jié)速度快，滿足電力系統(tǒng)連續(xù)、快速、準(zhǔn)確進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)和調(diào)整有功功率的要求等優(yōu)點(diǎn)[2]，已在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用。

目前，我國(guó)對(duì)變速抽水蓄能機(jī)組及其控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)開展了大量研究，對(duì)于變速抽水蓄能機(jī)組控制系統(tǒng)的研究主要集中在機(jī)組交流勵(lì)磁控制系統(tǒng)，對(duì)雙饋型變速抽水蓄能機(jī)組調(diào)速器控制技術(shù)的研究也相對(duì)完善[3-5]；但對(duì)變速機(jī)組控制系統(tǒng)中的交流勵(lì)磁控制系統(tǒng)和調(diào)速器二者之間的協(xié)調(diào)控制研究相對(duì)較少，特別是變速機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速控制過程中，存在相互影響需要協(xié)調(diào)控制的研究甚少。

本文針對(duì)變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速之間的協(xié)調(diào)控制問題，分析了變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制原理，提出了變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制方法，并搭建了變速抽水蓄能機(jī)組控制系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(RTDS)仿真試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行了仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 協(xié)調(diào)控制原理

變速抽水蓄能機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由水泵水輪機(jī)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)、調(diào)速器、交流勵(lì)磁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)組協(xié)調(diào)控制裝置組成。水泵水輪機(jī)是系統(tǒng)的負(fù)載或原動(dòng)機(jī)，受調(diào)速器控制。發(fā)電電動(dòng)機(jī)為雙饋型感應(yīng)電機(jī)，可工作在發(fā)電和電動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率f1變化時(shí)，控制交流勵(lì)磁電流頻率f2保證定子輸出頻率f不變，即f=f1+f2，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的恒頻變速運(yùn)行[6-7]。

圖1 變速抽水蓄能機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)變速抽水蓄能機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立變速抽水蓄能機(jī)組控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制模型，如圖2所示，該模型主要由交流勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器、監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)組協(xié)調(diào)控制裝置組成，其中：監(jiān)控系統(tǒng)將機(jī)組有功功率設(shè)定值和實(shí)時(shí)工作水頭下發(fā)給機(jī)組協(xié)調(diào)控制裝置，機(jī)組協(xié)調(diào)控制裝置根據(jù)機(jī)組有功功率設(shè)定值和實(shí)時(shí)工作水頭計(jì)算出對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開度和機(jī)組轉(zhuǎn)速，下發(fā)給調(diào)速器和交流勵(lì)磁系統(tǒng)，調(diào)速器控制機(jī)組導(dǎo)葉開度實(shí)現(xiàn)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的粗調(diào)，交流勵(lì)磁系統(tǒng)控制三相勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的細(xì)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制。

圖2 變速抽水蓄能機(jī)組控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制模型

2 協(xié)調(diào)控制方法

從上述變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制原理可知：變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵點(diǎn)在于機(jī)組轉(zhuǎn)速N、導(dǎo)葉開度y分別與有功功率P和水頭H之間的關(guān)系。

根據(jù)國(guó)外某電站變速抽水蓄能機(jī)組發(fā)電工況運(yùn)行特性曲線和抽水工況運(yùn)行特性曲線[8]，采用徑向基函數(shù)插值法[9]擬合推導(dǎo)出變速抽水蓄能機(jī)組發(fā)電工況有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制數(shù)學(xué)模型(見式(1))和抽水工況有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制數(shù)學(xué)模型(見式(2))[10]。

(1)

式中，aj和bi為插值系數(shù)；(Hj，Pj)和(Hi，Pi)分別為插值數(shù)據(jù)樣本中j和i插值點(diǎn)的靜水頭值和有功功率值；α和β為形狀參數(shù)；(H，P)為當(dāng)前的靜水頭值和有功功率值。

(2)

式中，cj和di為插值系數(shù)；(Hj，Pj)和(Hi，Pi)分別為插值數(shù)據(jù)樣本中j和i插值點(diǎn)的靜水頭值和有功功率值；δ和ξ為形狀參數(shù)；(H，P)為當(dāng)前的靜水頭值和有功功率值。

當(dāng)機(jī)組處于發(fā)電工況或抽水工況，有功功率設(shè)定值或水頭值發(fā)生變化時(shí)，機(jī)組協(xié)調(diào)控制裝置根據(jù)上述有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制數(shù)學(xué)模型計(jì)算出對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開度值與轉(zhuǎn)速值，下發(fā)給調(diào)速器和交流勵(lì)磁系統(tǒng)，調(diào)速器控制機(jī)組導(dǎo)葉開度實(shí)現(xiàn)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的粗調(diào)，交流勵(lì)磁系統(tǒng)控制三相勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的細(xì)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制。

3 仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制方法，我們搭建了變速抽水蓄能機(jī)組控制系統(tǒng)聯(lián)合RTDS仿真試驗(yàn)平臺(tái)(如圖3所示)，對(duì)變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。變速抽水蓄能機(jī)組仿真模型建立在RTDS機(jī)柜中，模型參數(shù)為：系統(tǒng)最大輸出功率320 MW、系統(tǒng)最大輸入功率400 MW、額定電壓15.75 kV、轉(zhuǎn)速330～390 rad/min、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2.23 MWs/(MV·A)、定子電阻(標(biāo)幺值)0.002、定子電感(標(biāo)幺值)0.112、轉(zhuǎn)子電阻(標(biāo)幺值)0.003、轉(zhuǎn)子電感(標(biāo)幺值)0.143、勵(lì)磁電感(標(biāo)幺值)2.701，交流勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器和監(jiān)控系統(tǒng)將控制調(diào)節(jié)信號(hào)送至RTDS機(jī)柜，RTDS機(jī)柜將變速抽水蓄能機(jī)組反饋信號(hào)送至交流勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器和監(jiān)控系統(tǒng)，且監(jiān)控系統(tǒng)與交流勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器之間也通過電纜進(jìn)行信號(hào)交互連接。

圖3 變速抽水蓄能機(jī)組控制系統(tǒng)RTDS仿真試驗(yàn)平臺(tái)

3.1 發(fā)電工況仿真試驗(yàn)

變速抽水蓄能機(jī)組停機(jī)到發(fā)電開機(jī)過程為：首先，監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)機(jī)組輔助設(shè)備，合發(fā)電工況換相刀閘，待發(fā)電工況換相刀閘合閘后監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置調(diào)速器水輪機(jī)模式，啟動(dòng)調(diào)速器發(fā)電開機(jī)，調(diào)速器控制機(jī)組從靜止升速到90%額定轉(zhuǎn)速；接著，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置勵(lì)磁發(fā)電機(jī)模式，啟動(dòng)交流勵(lì)磁系統(tǒng)，交流勵(lì)磁系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)子側(cè)變換器發(fā)脈沖，使機(jī)組定子側(cè)輸出電壓上升到額定電壓，當(dāng)機(jī)組滿足同期合閘條件時(shí)，交流勵(lì)磁系統(tǒng)合上機(jī)組出口斷路器，機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行；然后，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定機(jī)組有功功率和無功功率給機(jī)組協(xié)調(diào)控制裝置，經(jīng)機(jī)組協(xié)調(diào)控制裝置計(jì)算出對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開度值與轉(zhuǎn)速值，下發(fā)給調(diào)速器和交流勵(lì)磁系統(tǒng)控制RTDS中搭建的水泵水輪機(jī)模型和發(fā)電電動(dòng)機(jī)模型，進(jìn)行發(fā)電工況有功功率與轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制試驗(yàn)。

從圖2變速抽水蓄能機(jī)組控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制模型可知，發(fā)電工況有功功率調(diào)節(jié)有三種方式，分別為：交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器有功功率閉環(huán)方式、交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器開度閉環(huán)方式、交流勵(lì)磁系統(tǒng)有功功率閉環(huán)和調(diào)速器轉(zhuǎn)速閉環(huán)方式，下面分別對(duì)這三種方式進(jìn)行聯(lián)合RTDS仿真試驗(yàn)。

3.1.1 交流勵(lì)磁轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器功率閉環(huán)方式

在交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)、調(diào)速器有功功率閉環(huán)方式下，水頭值不變，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定有功功率從240 MW階躍到300 MW，協(xié)調(diào)控制裝置根據(jù)有功功率設(shè)定值和水頭值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速由0.941(p.u.)上升到0.959(p.u.)，導(dǎo)葉開度由75.26%增大到89.47%，交流勵(lì)磁系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值控制三相勵(lì)磁電流進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)速器根據(jù)有功功率設(shè)定值控制機(jī)組導(dǎo)葉開度進(jìn)行有功功率閉環(huán)調(diào)節(jié)。功率階躍過程的有功功率、轉(zhuǎn)速變化等的試驗(yàn)波形如圖4所示，其中調(diào)速器有功功率調(diào)節(jié)時(shí)間為10 s，交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間為26 s。

圖4 發(fā)電工況交流勵(lì)磁轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器功率閉環(huán)方式有功功率調(diào)節(jié)試驗(yàn)波形

3.1.2 交流勵(lì)磁轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器開度閉環(huán)方式

在交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)、調(diào)速器開度閉環(huán)方式下，水頭值不變，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定有功功率從240 MW階躍到300 MW，協(xié)調(diào)控制裝置根據(jù)有功功率設(shè)定值和水頭值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速由0.941(p.u.)上升到0.959(p.u.)，導(dǎo)葉開度由75.26%增大到89.47%，交流勵(lì)磁系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值控制三相勵(lì)磁電流進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)速器根據(jù)開度設(shè)定值控制機(jī)組導(dǎo)葉開度進(jìn)行開度閉環(huán)調(diào)節(jié)。功率階躍過程的有功功率、轉(zhuǎn)速變化等的試驗(yàn)波形如圖5所示，其中，調(diào)速器導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)時(shí)間為10 s，交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間為28 s，機(jī)組有功功率調(diào)節(jié)時(shí)間為13 s。

圖5 發(fā)電工況交流勵(lì)磁轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器開度閉環(huán)方式有功功率調(diào)節(jié)試驗(yàn)波形

3.1.3 交流勵(lì)磁功率閉環(huán)和調(diào)速器轉(zhuǎn)速閉環(huán)方式

在交流勵(lì)磁系統(tǒng)功率閉環(huán)、調(diào)速器轉(zhuǎn)速閉環(huán)方式下，水頭值不變，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定有功功率從290 MW階躍到260 MW，協(xié)調(diào)控制裝置根據(jù)有功功率設(shè)定值和水頭值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速由0.948(p.u.)上升到0.938 (p.u.)，交流勵(lì)磁系統(tǒng)根據(jù)有功功率設(shè)定值控制三相勵(lì)磁電流進(jìn)行功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)速器根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值控制機(jī)組導(dǎo)葉開度進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)。功率階躍過程的有功功率、轉(zhuǎn)速變化等的試驗(yàn)波形如圖6所示，其中，交流勵(lì)磁系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)時(shí)間為0.1 s，調(diào)速器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間為26 s。

圖6 發(fā)電工況交流勵(lì)磁功率閉環(huán)和調(diào)速器轉(zhuǎn)速閉環(huán)方式有功功率調(diào)節(jié)試驗(yàn)波形

從變速抽水蓄能機(jī)組發(fā)電工況有功功率調(diào)節(jié)試驗(yàn)波形，可以看出：

(1)交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器功率閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，交流勵(lì)磁系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)速，調(diào)速器控制有功功率，有功功率從240 MW階躍到300 MW，有功功率調(diào)節(jié)精度高、速度較快，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定較快，且不受交流勵(lì)磁系統(tǒng)容量限制，可以進(jìn)行大范圍有功功率調(diào)節(jié)。該方式適用于大范圍有功功率精確快速調(diào)節(jié)應(yīng)用場(chǎng)合。

(2)交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器開度閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，交流勵(lì)磁系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)速，調(diào)速器控制導(dǎo)葉開度，有功功率從240 MW階躍到300 MW，有功功率調(diào)節(jié)速度較快，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定較快，且不受交流勵(lì)磁系統(tǒng)容量限制，但由于不以有功功率為調(diào)節(jié)目標(biāo)導(dǎo)致有功功率調(diào)節(jié)精度較低。該方式適用于大范圍有功功率調(diào)節(jié)但有功功率調(diào)節(jié)精度不高應(yīng)用場(chǎng)合。

(3)交流勵(lì)磁系統(tǒng)功率閉環(huán)和調(diào)速器轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，交流勵(lì)磁系統(tǒng)控制有功功率，調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速，有功功率從290 MW階躍到260 MW，有功功率調(diào)節(jié)精度高、速度快，但轉(zhuǎn)速穩(wěn)定較慢，且受交流勵(lì)磁系統(tǒng)容量限制，僅能在交流勵(lì)磁系統(tǒng)容量范圍內(nèi)進(jìn)行快速有功功率調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍小。該方式適用于小范圍有功功率精確快速調(diào)節(jié)應(yīng)用場(chǎng)合。

基于上述分析，考慮變速抽水蓄能機(jī)組發(fā)電工況時(shí)需進(jìn)行大范圍有功功率精確快速調(diào)節(jié)，因此變速抽水蓄能機(jī)組發(fā)電工況有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制宜采用交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器有功功率閉環(huán)控制方式。同時(shí)考慮到3種方式適用場(chǎng)合，設(shè)置了3種方式相互切換功能，運(yùn)行操作人員可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合操作切換到相應(yīng)調(diào)節(jié)方式，以充分發(fā)揮3種方式各自優(yōu)勢(shì)。

3.2 抽水工況仿真試驗(yàn)

變速抽水蓄能機(jī)組停機(jī)到抽水開機(jī)過程為：首先，監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)機(jī)組輔助設(shè)備，合抽水工況換相刀閘；接著，監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行充氣壓水，待水位低于轉(zhuǎn)輪后設(shè)置交流勵(lì)磁系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)模式、設(shè)置調(diào)速器調(diào)相模式，啟動(dòng)交流勵(lì)磁系統(tǒng)，交流勵(lì)磁系統(tǒng)閉合機(jī)組定子短路開關(guān)，控制轉(zhuǎn)子側(cè)變換器發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)機(jī)組定子短路起動(dòng)，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速后，關(guān)斷轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，分開定子短路開關(guān)，當(dāng)機(jī)組滿足同期合閘條件時(shí)，交流勵(lì)磁系統(tǒng)合上機(jī)組出口斷路器，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行[11]；然后，監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行排氣回水，當(dāng)造壓成功后復(fù)歸調(diào)速器調(diào)相模式，啟動(dòng)調(diào)速器抽水開機(jī)，并設(shè)定有功功率和無功功率給機(jī)組協(xié)調(diào)控制裝置，經(jīng)協(xié)調(diào)控制裝置計(jì)算出對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開度值與轉(zhuǎn)速值，下發(fā)給調(diào)速器和交流勵(lì)磁系統(tǒng)控制RTDS中搭建的水泵水輪機(jī)模型和發(fā)電電動(dòng)機(jī)模型，進(jìn)行抽水工況有功功率與轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制試驗(yàn)。

從變速抽水蓄能機(jī)組控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制模型可知，抽水工況有功功率調(diào)節(jié)也有三種方式，分別為：交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器有功功率閉環(huán)方式、交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器開度閉環(huán)方式、交流勵(lì)磁系統(tǒng)有功功率閉環(huán)和調(diào)速器轉(zhuǎn)速閉環(huán)方式，下面分別對(duì)這三種方式進(jìn)行聯(lián)合RTDS仿真試驗(yàn)。

3.2.1 交流勵(lì)磁轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器功率閉環(huán)方式

在交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)、調(diào)速器有功功率閉環(huán)方式下，水頭值不變，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定有功功率從-220 MW階躍到-300 MW，協(xié)調(diào)控制裝置根據(jù)有功功率設(shè)定值和水頭值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速由0.919 (p.u.)上升到0.981(p.u.)，導(dǎo)葉開度由63.59%增大到85.84%，交流勵(lì)磁系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值控制三相勵(lì)磁電流進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)速器根據(jù)有功功率設(shè)定值控制機(jī)組導(dǎo)葉開度進(jìn)行有功功率閉環(huán)調(diào)節(jié)。功率階躍過程的有功功率、轉(zhuǎn)速變化等的試驗(yàn)波形如圖7所示，其中，調(diào)速器有功功率調(diào)節(jié)時(shí)間為24 s，交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間為34 s。

圖7 抽水工況交流勵(lì)磁轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器功率閉環(huán)方式有功功率調(diào)節(jié)試驗(yàn)波形

3.2.2 交流勵(lì)磁轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器開度閉環(huán)方式

在交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)、調(diào)速器開度閉環(huán)方式下，水頭值不變，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定有功功率從-220 MW階躍到-300 MW，協(xié)調(diào)控制裝置根據(jù)有功功率設(shè)定值和水頭值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速由0.919(p.u.)上升到0.981(p.u.)，導(dǎo)葉開度由63.59%增大到85.84%，交流勵(lì)磁系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值控制三相勵(lì)磁電流進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)速器根據(jù)開度設(shè)定值控制機(jī)組導(dǎo)葉開度進(jìn)行開度閉環(huán)調(diào)節(jié)。功率階躍過程的有功功率、轉(zhuǎn)速變化等的試驗(yàn)波形如圖8所示，其中：調(diào)速器導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)時(shí)間為5 s，交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間為18 s，機(jī)組有功功率調(diào)節(jié)時(shí)間為8 s。

圖8 抽水工況交流勵(lì)磁轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器開度閉環(huán)方式有功功率調(diào)節(jié)試驗(yàn)波形

3.2.3 交流勵(lì)磁功率閉環(huán)和調(diào)速器轉(zhuǎn)速閉環(huán)方式

在交流勵(lì)磁系統(tǒng)功率閉環(huán)、調(diào)速器轉(zhuǎn)速閉環(huán)方式下，水頭值不變，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定有功功率從-300 MW到-270 MW，協(xié)調(diào)控制裝置根據(jù)有功功率設(shè)定值和水頭值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速由0.981 (p.u.)下降到0.977 (p.u.)，交流勵(lì)磁系統(tǒng)根據(jù)有功功率設(shè)定值控制三相勵(lì)磁電流進(jìn)行功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)速器根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值控制機(jī)組導(dǎo)葉開度進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)。功率階躍過程的有功功率、轉(zhuǎn)速變化等的試驗(yàn)波形如圖9所示，其中，交流勵(lì)磁系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)時(shí)間為0.1 s，調(diào)速器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間為26 s。

圖9 抽水工況交流勵(lì)磁功率閉環(huán)和調(diào)速器轉(zhuǎn)速閉環(huán)方式有功功率調(diào)節(jié)試驗(yàn)波形

從變速抽水蓄能機(jī)組抽水工況有功功率調(diào)節(jié)試驗(yàn)波形，可以看出：

(1)交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器功率閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，交流勵(lì)磁系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)速，調(diào)速器控制有功功率，有功功率從-220 MW階躍到-300 MW，有功功率調(diào)節(jié)精度高，且不受交流勵(lì)磁系統(tǒng)容量限制，可以進(jìn)行大范圍有功功率調(diào)節(jié)，但有功功率調(diào)節(jié)速度較慢，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定較慢。該方式適用于大范圍有功功率精確調(diào)節(jié)但速度較慢應(yīng)用場(chǎng)合。

(2)交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器開度閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，交流勵(lì)磁系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)速，調(diào)速器控制導(dǎo)葉開度，有功功率從-220 MW階躍到-300 MW，有功功率調(diào)節(jié)速度較快，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定較快，且不受交流勵(lì)磁系統(tǒng)容量限制，但由于不以有功功率為調(diào)節(jié)目標(biāo)導(dǎo)致有功功率調(diào)節(jié)精度較低。該方式適用于大范圍有功功率調(diào)節(jié)但有功功率調(diào)節(jié)精度不高應(yīng)用場(chǎng)合。

(3)交流勵(lì)磁系統(tǒng)功率閉環(huán)和調(diào)速器轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，交流勵(lì)磁系統(tǒng)控制有功功率，調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速，有功功率從-300 MW到-270 MW，有功功率調(diào)節(jié)精度高且速度快，但轉(zhuǎn)速穩(wěn)定較慢，且受交流勵(lì)磁系統(tǒng)容量限制，僅能在交流勵(lì)磁系統(tǒng)容量范圍內(nèi)進(jìn)行快速有功功率調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍?。辉摲绞竭m用于小范圍有功功率精確快速調(diào)節(jié)應(yīng)用場(chǎng)合。

基于上述分析，考慮變速抽水蓄能機(jī)組抽水工況時(shí)需進(jìn)行大范圍有功功率快速調(diào)節(jié)，精度要求不高，因此變速抽水蓄能機(jī)組抽水工況有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制宜采用交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器開度閉環(huán)控制方式。同時(shí)考慮到3種方式適用場(chǎng)合，設(shè)置了3種方式相互切換功能，運(yùn)行操作人員可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合操作切換到相應(yīng)調(diào)節(jié)方式，以充分發(fā)揮3種方式各自優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速之間的協(xié)調(diào)控制問題，分析了變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制原理，提出了變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制方法，并搭建了變速抽水蓄能機(jī)組控制系統(tǒng)聯(lián)合RTDS仿真試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行了聯(lián)合仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：發(fā)電工況有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制宜采用交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器有功功率閉環(huán)控制方式，抽水工況有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制宜采用交流勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和調(diào)速器開度閉環(huán)方式。同時(shí)考慮到不同控制方式適用場(chǎng)合，設(shè)置了控制方式相互切換功能，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合操作切換到相應(yīng)調(diào)節(jié)方式，以充分發(fā)揮各種控制方式優(yōu)勢(shì)。