周 敏，衣傳寶，孫 靜，陳曉剛，牛翔宇

(1.南瑞集團有限公司(國網(wǎng)電力科學研究院有限公司)，江蘇 南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761；4.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007)

0 引 言

抽水蓄能機組因其能削峰填谷的運行特點，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。相比于常規(guī)機組，采用交流勵磁系統(tǒng)的變速抽水蓄能機組具有變速恒頻的運行特性，可以始終運行在最優(yōu)轉(zhuǎn)速，能夠更好地適應(yīng)環(huán)境水頭，提高機組的運行效率，降低對電站的選址要求，在國外應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，在國內(nèi)目前仍處于起步階段，具有較大的發(fā)展前景[1-2]。

變速抽水蓄能機組能夠?qū)崿F(xiàn)其良好運行特性的關(guān)鍵在于其交流勵磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制，根據(jù)各自控制目標的不同，分為2種控制模式：交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組輸出的無功功率和機組轉(zhuǎn)速，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組輸出的有功功率；交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組輸出的有功和無功功率，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速。本文推導建立了這2種控制模式下變速抽蓄機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，基于RTDS半實物仿真平臺，搭建一臺容量為300 MW的變速抽蓄機組仿真模型，控制系統(tǒng)采用實物控制柜，對2種控制模式下機組的運行性能進行仿真分析，對后期的實際工程應(yīng)用具有一定的參考價值[3-12]。

1 交流勵磁矢量控制系統(tǒng)

變速抽蓄機組中，交流勵磁系統(tǒng)采用基于矢量定向的雙閉環(huán)控制策略，內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)子電流環(huán)，外環(huán)根據(jù)控制目標的不同，采用有功和無功功率控制環(huán)，或者轉(zhuǎn)速和無功功率控制環(huán)，定向矢量可以采用定子磁鏈定向。

對于內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)子電流環(huán)，根據(jù)同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電機基本方程，電機轉(zhuǎn)子電壓電流的關(guān)系式為

(1)

根據(jù)式(1)，采用前饋補償?shù)姆绞娇梢詫崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓電流d、q軸分量的解耦，因此，對轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)控制采用PI調(diào)節(jié)器，根據(jù)轉(zhuǎn)子電流d、q軸分量參考值和反饋值的誤差，得到轉(zhuǎn)子電壓對應(yīng)分量的控制目標值，轉(zhuǎn)子電流環(huán)的控制方程為

(2)

對于外環(huán)的功率環(huán)，根據(jù)電機基本方程，并網(wǎng)運行時電機定子側(cè)輸出功率與轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系式為

(3)

式中，P、Q分別為機組定子側(cè)輸出的有功和無功功率；usd、usq分別為定子電壓的d、q軸分量；us為定子電壓矢量的幅值。

根據(jù)式(3)，對機組輸出的有功、無功功率閉環(huán)控制采用PI調(diào)節(jié)器，根據(jù)機組輸出有功、無功功率參考值和反饋值的誤差，得到轉(zhuǎn)子電流q、d軸分量的參考值，有功、無功功率環(huán)的控制方程為

(4)

式中，KPP、KPI分別為功率環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；P*、Q*分別為機組輸出有功功率P、無功功率Q的參考值。

對于外環(huán)的轉(zhuǎn)速環(huán)，根據(jù)電機基本方程，并網(wǎng)運行時機組轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系式為

(5)

式中，J為機組的轉(zhuǎn)動慣量；np為機組中電機的極對數(shù)；TL為水輪機提供給電機的機械力矩。

根據(jù)式(5)，對機組轉(zhuǎn)速采用PI調(diào)節(jié)器閉環(huán)控制，根據(jù)機組轉(zhuǎn)速參考值和反饋值的誤差，得到轉(zhuǎn)子電流q軸分量的參考值，轉(zhuǎn)速環(huán)的控制方程為

(6)

2 變速抽蓄機組控制系統(tǒng)

變速抽蓄機組的控制系統(tǒng)分為兩種控制模式：交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速和輸出的無功功率，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)有功功率；交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組輸出的有功和無功功率，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速。其中，交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組輸出的有功功率或者機組的轉(zhuǎn)速，本質(zhì)上是通過機組旋轉(zhuǎn)的動能和機組輸出的電能之間的相互轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)的。

在交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組輸出的有功和無功功率，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速的模式下，考慮到交流勵磁系統(tǒng)直接調(diào)節(jié)的是電機的轉(zhuǎn)子側(cè)電壓這個電氣量，調(diào)節(jié)速度遠快于調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)水輪機導葉開度這個機械量，當機組需要輸出的有功功率參考值發(fā)生較大階躍時，由于輸入輸出側(cè)調(diào)節(jié)速度不匹配，容易導致機組轉(zhuǎn)速發(fā)生較大波動，超出允許的變速運行范圍，影響機組運行的穩(wěn)定性。因此，對交流勵磁系統(tǒng)的有功功率環(huán)需要進行軟起限幅處理，根據(jù)監(jiān)測到的機組轉(zhuǎn)速，限制有功功率的調(diào)節(jié)速度。

在這種控制模式下，機組的交流勵磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)有功模式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速和輸出的無功功率，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)有功功率的模式下，根據(jù)水輪機的運行特性，當輸出有功功率參考值增大時，機組的最優(yōu)轉(zhuǎn)速也會增大。此時，一方面，由于交流勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度遠快于調(diào)速系統(tǒng)，當轉(zhuǎn)速參考值增大時，在轉(zhuǎn)速環(huán)的PI調(diào)節(jié)作用下，交流勵磁系統(tǒng)為促使機組轉(zhuǎn)速上升，將降低機組輸出的有功功率；另一方面，水輪機自身的水擊作用導致存在反調(diào)現(xiàn)象。因此，當機組需要輸出的有功功率發(fā)生正向階躍時，短時間內(nèi)機組實際輸出的有功功率會出現(xiàn)反向減小的情況。同樣，當機組需要輸出的有功功率向下階躍時，短時間內(nèi)機組實際輸出的有功功率會出現(xiàn)反向增大的情況。

為解決在這種控制模式下，機組運行過程中功率調(diào)節(jié)存在反向波動的問題，本文針對交流勵磁系統(tǒng)雙閉環(huán)控制器中的轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器進行優(yōu)化。

根據(jù)電機的基本方程，可以得到并網(wǎng)運行時，機組的轉(zhuǎn)速與輸出的有功功率之間的關(guān)系式為

(7)

因此，在交流勵磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速參考值給定上疊加一個輸入為機組輸出的有功功率的參考值和反饋值，輸出為機組轉(zhuǎn)速的比例調(diào)節(jié)器，疊加的有功功率環(huán)控制方程為

(8)

此時，內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)子電流q軸環(huán)的參考值變?yōu)?/p>

(9)

優(yōu)化后的交流勵磁控制系統(tǒng)仍然是一個雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)，復雜程度并沒有增加，只是此時的轉(zhuǎn)子電流q分量給定值是由有功功率調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出之和來給定，交流勵磁系統(tǒng)在調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速的同時兼顧了對有功功率的調(diào)節(jié)。

在這種控制模式下，機組的交流勵磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速模式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 RTDS仿真

基于RTDS搭建機組模型，監(jiān)控、調(diào)速和交流勵磁控制系統(tǒng)采用實物控制器，通過半實物仿真，對本文提出的協(xié)調(diào)控制策略進行驗證。

搭建的仿真模型機組容量設(shè)定為300 MW，仿真運行時，監(jiān)控系統(tǒng)向交流勵磁系統(tǒng)與調(diào)速系統(tǒng)下發(fā)機組運行工況、控制模式、起機命令，以及并網(wǎng)運行時機組輸出功率和機組轉(zhuǎn)速的參考值。

發(fā)電工況下，并網(wǎng)運行階段，在交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組輸出的有功功率、調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速的模式下，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定的有功功率參考值從290 MW階躍到250 MW，機組定子側(cè)輸出有功功率與機組轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)有功、調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速模式下輸出功率和機組轉(zhuǎn)速仿真波形

根據(jù)運行結(jié)果可以看出，在這種控制模式下，可以實現(xiàn)對機組有功功率的快速調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)的幅度有限，仿真中，當機組的功率參考值發(fā)生40 MW的階躍時，交流勵磁系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)引起的轉(zhuǎn)速瞬間波動幅度達到8%以上。

在交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速、調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組輸出的有功功率的模式下，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定的有功功率參考值從300 MW階躍到240 MW，當交流勵磁系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速外環(huán)參考值不疊加有功功率調(diào)節(jié)時，仿真結(jié)果如圖4a所示；當交流勵磁系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速外環(huán)參考值疊加有功功率調(diào)節(jié)時，仿真結(jié)果如圖4b所示。

圖4 交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)有功模式下輸出功率和轉(zhuǎn)速仿真波形

根據(jù)運行結(jié)果可以看出，在這種控制模式下，有功功率調(diào)節(jié)速度較慢，但機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平穩(wěn)，能夠確保機組的穩(wěn)定運行?？刂葡到y(tǒng)未優(yōu)化時，機組的輸出有功功率的反向波動達到30 MW，優(yōu)化后，有功功率的反向波動降低到6 MW。

對比2種控制模式運行結(jié)果，當機組輸出有功功率的調(diào)節(jié)范圍較小時，采用交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)有功、調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，能夠更快地實現(xiàn)對機組功率的調(diào)節(jié)，但會導致機組轉(zhuǎn)速存在較大波動；當機組輸出有功功率的調(diào)節(jié)范圍較大時，采用交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)有功，能夠更好地實現(xiàn)對機組有功和轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，并且，優(yōu)化后的交流勵磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)能夠有效抑制調(diào)節(jié)過程中機組輸出有功功率的反向波動。

采用優(yōu)化后的交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速、調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組輸出有功功率的協(xié)調(diào)控制模式，機組在發(fā)電和抽水2種工況下，從靜止啟動到并網(wǎng)運行的完整仿真過程如圖5所示。

圖5 交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)有功模式下機組仿真波形

圖5中，從上到下依次為電網(wǎng)線電壓、定子線電壓、轉(zhuǎn)子電流、定子電流、輸出有功和無功功率、轉(zhuǎn)速。根據(jù)運行結(jié)果可以看出，機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。

4 結(jié) 論

本文研究變速抽蓄機組的控制策略，建立了交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組輸出的有功和無功功率、調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速，和交流勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組的轉(zhuǎn)速和輸出的無功功率、調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)有功功率這2種控制模式下，變速抽蓄機組的控制系統(tǒng)，并對第2種控制模式下交流勵磁系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)進行了優(yōu)化，改善了機組的輸出性能。

基于RTDS平臺，本文實現(xiàn)了對300 MW級變速抽蓄機組的半實物仿真運行，為大容量變速抽蓄機組實際的工程應(yīng)用提供了一定的參考價值。