于紅巖，袁鵬展，張海嘯

（南瑞集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000）

收稿日期：2021-06-24

作者簡介：于紅巖（1985-），男，工程師，從事水輪機(jī)調(diào)速器的設(shè)備研制、項(xiàng)目管理、工程應(yīng)用等工作。

1 引言

根據(jù)“十四五”規(guī)劃，風(fēng)電、光伏等可再生能源的比重將快速增加[1]，這將加大電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，為了確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，抽水蓄能作為可再生儲(chǔ)能方式，將發(fā)揮重要作用。抽水蓄能是以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，抽水蓄能電站利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能抽水至上水庫，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫發(fā)電的水電站，可將電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)的多余電能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時(shí)期的高價(jià)值電能，運(yùn)行靈活、反應(yīng)快速，能夠適應(yīng)負(fù)荷快速變化，具備調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等多種用途，對(duì)提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平、電網(wǎng)供電質(zhì)量和可靠性具有重要作用，有效避免“棄風(fēng)、棄光”現(xiàn)象發(fā)生，被譽(yù)為“綠色充電寶”[2]。

近年來，國家電網(wǎng)公司高度重視抽水蓄能發(fā)展，已建成抽蓄電站22座，在運(yùn)、在建裝機(jī)規(guī)模達(dá)6 229萬kW，“十四五”期間目標(biāo)是新增開工2 000萬kW以上。南瑞集團(tuán)依托自身優(yōu)勢，強(qiáng)化核心技術(shù)攻關(guān),以技術(shù)創(chuàng)新破新能源消納難題，研制監(jiān)控系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、變頻啟動(dòng)系統(tǒng)（SFC）、保護(hù)系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備，在多個(gè)抽蓄電站實(shí)施應(yīng)用，形成抽蓄二次系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品打破國外壟斷，成為該行業(yè)的領(lǐng)跑者。以下主要介紹安徽績溪抽水蓄能電站調(diào)速器系統(tǒng)的主要應(yīng)用情況。

2 調(diào)速器系統(tǒng)概述

抽水蓄能電站調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備組成與常規(guī)水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)基本相同，主要包括調(diào)速器電氣控制柜、機(jī)械液壓操作柜、主配壓閥及其電液隨動(dòng)控制系統(tǒng)、油壓裝置及其控制柜、分段關(guān)閉裝置（閥）、事故配壓閥、接力器等[3]。作為調(diào)速器系統(tǒng)的核心，電氣控制柜采集抽水蓄能機(jī)組的導(dǎo)葉開度、有功功率、轉(zhuǎn)速、水頭等信息，通過控制流程和程序計(jì)算出相應(yīng)的導(dǎo)葉開度給定，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電氣量輸送到液壓操作柜。液壓操作柜主要配置比例伺服閥放大器和手動(dòng)增減、停機(jī)等操作回路，主要將電氣控制柜信號(hào)進(jìn)行傳遞和放大，并對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行各種控制操作。液壓隨動(dòng)系統(tǒng)主要配置了比例伺服閥和主配壓閥，主要對(duì)電氣控制柜信號(hào)進(jìn)行電液轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行液壓放大。事故配壓閥主要在調(diào)速系統(tǒng)電氣或液壓隨動(dòng)系統(tǒng)失靈時(shí)，能夠緊急關(guān)閉導(dǎo)葉。分段裝置根據(jù)調(diào)保計(jì)算值整定，實(shí)現(xiàn)一段或二段關(guān)閉。油壓裝置主要包括壓力罐和回油箱及其附屬自動(dòng)化元件，主要為調(diào)試系統(tǒng)提供工作油壓；油壓裝置控制柜主要功能是通過對(duì)油泵的啟停控制和自動(dòng)補(bǔ)氣控制來維持壓力罐的油壓穩(wěn)定和合理的油氣比[4]。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

從2020年1月至2021年2月,績溪抽水蓄能電站實(shí)現(xiàn)6臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)，自首臺(tái)機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行以來，調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，為機(jī)組運(yùn)行提供了強(qiáng)力保障。下面就績溪1號(hào)機(jī)組現(xiàn)場試驗(yàn)情況進(jìn)行介紹，以備后期對(duì)該系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)際性能做參考。

3.1 導(dǎo)葉擾動(dòng)試驗(yàn)

該系統(tǒng)在具備無水試驗(yàn)的條件下，進(jìn)行了導(dǎo)葉擾動(dòng)試驗(yàn)，分別進(jìn)行了1%、5%、30%等各個(gè)梯級(jí)段的導(dǎo)葉擾動(dòng)試驗(yàn)，如圖1所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，調(diào)速器無論是1%的小擾動(dòng)還是15%大擾動(dòng)，調(diào)速系統(tǒng)的擾動(dòng)均可靠、穩(wěn)定，主配壓閥的精度高，對(duì)比DL/T 1549-2016《可逆式水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)條件》,滿足導(dǎo)葉開度設(shè)定值與導(dǎo)葉電氣反饋值偏差小于0.4%的要求，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、靈敏度高，能滿足能調(diào)速系統(tǒng)的開機(jī)、空載、并網(wǎng)等各項(xiàng)調(diào)節(jié)的要求[5]。

圖1 導(dǎo)葉擾動(dòng)試驗(yàn)錄波曲線

3.2 空載擾動(dòng)及自動(dòng)開機(jī)試驗(yàn)

績溪抽水蓄能電站空載擾動(dòng)試驗(yàn)，前后進(jìn)行了多次試驗(yàn)，分別對(duì)A機(jī)和B機(jī)進(jìn)行了±1 Hz、±2 Hz、±4 Hz等空載擾動(dòng)試驗(yàn)項(xiàng)目，如圖2所示。PID參數(shù)也進(jìn)行了多組選擇，通過現(xiàn)場分析和對(duì)比，選擇了最優(yōu)的PID調(diào)節(jié)參數(shù)（Kp=0.4,Ki=0.2,Kd=1），額定水頭工況下行，機(jī)組處于手動(dòng)狀態(tài)，測得3 min內(nèi)空載擺動(dòng)為±0.15%。參數(shù)選定后，投入自動(dòng)，空載轉(zhuǎn)速擺動(dòng)穩(wěn)定在±0.14%范圍，優(yōu)于DL/T 1549-2016規(guī)定的±0.2%。從機(jī)組自動(dòng)開機(jī)錄波（見圖3）可以看出，調(diào)速器分三段開機(jī)：第一段，導(dǎo)葉以1.5 %/s的速度增加至理論空載開度的4/5；頻率達(dá)到35 Hz后，導(dǎo)葉以1.5 %/s的速度增加至理論空載開度；等頻率達(dá)到49 Hz，進(jìn)入空載調(diào)節(jié)，投入PID控制。整個(gè)過程轉(zhuǎn)速上升平穩(wěn)，幾乎沒有超調(diào)量，機(jī)組振動(dòng)較小，約80 s轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到額定，滿足抽水蓄能啟動(dòng)及迅速并網(wǎng)要求。

圖2 機(jī)組空載擺動(dòng)試驗(yàn)

圖3 機(jī)組自動(dòng)開機(jī)試驗(yàn)

3.3 一次調(diào)頻試驗(yàn)

當(dāng)機(jī)組發(fā)電運(yùn)行時(shí)，機(jī)組頻率跟隨電網(wǎng)頻率。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)頻率在50 Hz附近小幅波動(dòng)，頻差較小。電科院采用仿真儀輸出仿真頻率進(jìn)行試驗(yàn)，通過修改電氣調(diào)節(jié)柜內(nèi)部控制邏輯為試驗(yàn)程序，在軟件中實(shí)現(xiàn)頻率偏差的模擬。

現(xiàn)對(duì)績溪抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)組的一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果做簡要分析。1號(hào)機(jī)組在165 MW時(shí)，分別進(jìn)行±0.1 Hz、±0.15 Hz、±0.2 Hz的一次調(diào)頻擾動(dòng)試驗(yàn)，頻差信號(hào)產(chǎn)生后15 s內(nèi)機(jī)組處理響應(yīng)均滿足要求變化處理的90%以上；頻差信號(hào)產(chǎn)生45 s內(nèi)，機(jī)組實(shí)際出力與機(jī)組響應(yīng)目標(biāo)偏差的平均值，均在機(jī)組額定有功處理的±2%以內(nèi)；頻差信號(hào)產(chǎn)生后，功率響應(yīng)滯后實(shí)際2 s以內(nèi)。以上數(shù)據(jù)均滿足DL/T 1549-2016的相關(guān)規(guī)定。

通過圖4、圖5錄波數(shù)據(jù)可以看出，績溪1號(hào)機(jī)組的一次調(diào)頻響應(yīng)數(shù)據(jù)均滿足DL/T 1549-2016的相關(guān)規(guī)定。

圖4 165 MW高水頭、-0.15 Hz一次調(diào)頻響應(yīng)曲線

圖5 165 MW高水頭、0.15 Hz 一次調(diào)頻響應(yīng)曲線

3.4 甩負(fù)荷試驗(yàn)

績溪抽水蓄能電站甩負(fù)荷試驗(yàn)在各負(fù)荷下，每臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了4次，其中甩25%額定負(fù)荷時(shí)接力器不動(dòng)時(shí)間測得0.19 s（國標(biāo)規(guī)定不超過0.2 s）。圖6中可以看出，甩負(fù)荷試驗(yàn)里調(diào)速器控制還是比較理想的，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于國標(biāo)規(guī)定（調(diào)節(jié)次數(shù)小于2次，調(diào)節(jié)時(shí)間小于40 s）。

圖6 機(jī)組25%甩負(fù)荷試驗(yàn)

通過現(xiàn)場試驗(yàn)和運(yùn)行驗(yàn)證，績溪抽水蓄能電站調(diào)速系統(tǒng)質(zhì)量可靠、功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定，具有很好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到或優(yōu)于國標(biāo)，為績溪抽水蓄能電站機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保障。

4 結(jié)束語

績溪抽水蓄能電站調(diào)速系統(tǒng)采用了南瑞自主開發(fā)的調(diào)速器系統(tǒng)，配合阿爾斯通主配，構(gòu)成了一個(gè)完整的調(diào)速系統(tǒng)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，該系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)均滿足設(shè)備運(yùn)行需要。國產(chǎn)抽水蓄能機(jī)組近年來發(fā)展比較迅速，希望績溪電站的投運(yùn)能為抽水蓄能電站的完全國產(chǎn)化提供工程經(jīng)驗(yàn)。