姜海軍，戎 剛，史華勃，單鵬珠，陳善貴，陳 剛

［1．南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106；2．國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川省成都市 610095；3．安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽省宣城市 245300］

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)，已在國外得到廣泛應(yīng)用，我國也開始應(yīng)用[2、3]。

變速抽水蓄能機(jī)組主要有兩種方式，一種是雙饋型變速抽水蓄能機(jī)組，一種是全功率型變速抽水蓄能機(jī)組，當(dāng)前對雙饋型變速抽水蓄能機(jī)組控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)開展了大量研究[4-8]，但對全功率型變速抽水蓄能機(jī)組控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究較少[9-10]，特別是全功率變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)同控制的研究甚少[11]。

全功率變速抽水蓄能機(jī)組變流器和調(diào)速器都可以調(diào)節(jié)機(jī)組有功功率和轉(zhuǎn)速，存在相互影響需要協(xié)調(diào)控制問題。本文針對全功率變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速之間的協(xié)調(diào)控制問題，提出了一種全功率變速抽水蓄能機(jī)組變速變功率協(xié)同控制策略，研制了全功率變速抽水蓄能機(jī)組協(xié)同控制器樣機(jī)，并搭建了RTDS仿真試驗(yàn)平臺，對全功率變速抽水蓄能機(jī)組變速變功率協(xié)同控制策略進(jìn)行了仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 全功率變速抽水蓄能機(jī)組組成

全功率變速抽水蓄能機(jī)組主要由水泵水輪機(jī)、發(fā)電電動機(jī)、變流器、調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)、協(xié)同控制器、監(jiān)控系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。全功率變速抽水蓄能機(jī)組通過變流器與電網(wǎng)連接，發(fā)電時，將機(jī)組發(fā)出的電壓、頻率不同的電能，經(jīng)過交/直/交變換后，變成與電網(wǎng)電壓、頻率相同的電能，輸入電網(wǎng)；抽水時，將電網(wǎng)的電能，經(jīng)過交/直/交變換后，變成電壓、頻率不同的電能，輸入機(jī)組，實(shí)現(xiàn)變速變功率運(yùn)行。

圖1 全功率變速抽水蓄能機(jī)組組成Figure 1 Composition of full power variable speed pumped storage unit

2 協(xié)同控制問題

全功率變速抽水蓄能機(jī)組變流器控制發(fā)電電動機(jī)三相定子電壓/電流可以調(diào)節(jié)機(jī)組有功功率和轉(zhuǎn)速，調(diào)速器控制水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉開度也可以調(diào)節(jié)機(jī)組有功功率和轉(zhuǎn)速，存在相互影響，引發(fā)有功功率與轉(zhuǎn)速振蕩，導(dǎo)致機(jī)組無法運(yùn)行。為此需要設(shè)置協(xié)同控制器，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)變流器和調(diào)速器之間的有功功率與轉(zhuǎn)速控制。

3 協(xié)同控制策略

變流器控制定子電壓/電流調(diào)節(jié)機(jī)組有功功率和轉(zhuǎn)速，屬于電氣量控制，具有速度快的優(yōu)勢，而調(diào)速器控制導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機(jī)組有功功率和轉(zhuǎn)速，屬于機(jī)械量控制，速度慢。根據(jù)變流器和調(diào)速器調(diào)節(jié)機(jī)組有功功率和轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，本文提出了一種全功率變速抽水蓄能機(jī)組變速變功率協(xié)同控制策略，即：監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)有功功率指令和無功功率指令給協(xié)同控制器，協(xié)同控制器根據(jù)有功功率指令和水頭測值，計算出最優(yōu)轉(zhuǎn)速和最優(yōu)導(dǎo)葉開度，然后將有功功率指令、無功功率指令、最優(yōu)導(dǎo)葉開度指令和最優(yōu)轉(zhuǎn)速指令下發(fā)給變流器和調(diào)速器，變流器控制三相定子電壓/電流實(shí)現(xiàn)機(jī)組有功功率和轉(zhuǎn)速的細(xì)調(diào)，調(diào)速器控制機(jī)組導(dǎo)葉開度實(shí)現(xiàn)機(jī)組有功功率和轉(zhuǎn)速的粗調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)全功率變速抽水蓄能機(jī)組變速變功率協(xié)同控制。協(xié)同控制策略如圖2所示。

圖2 全功率變速抽水蓄能機(jī)組變速變功率協(xié)同控制策略Figure 2 Coordinated control strategy of full power variable speed pumped storage unit

4 協(xié)同控制器樣機(jī)

根據(jù)上述協(xié)同控制策略，我們采用南瑞N500系列可編程邏輯控制器研制了全功率變速抽水蓄能機(jī)組協(xié)同控制器樣機(jī)，主要由電源模塊、CPU模塊及I/O模塊組成，如圖3所示，其中：電源模塊PSM0501提供工作電源，CPU模塊CPU5021負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算功能，并通過網(wǎng)口與人機(jī)界面和監(jiān)控系統(tǒng)通信，開關(guān)量輸入模件DIM3201負(fù)責(zé)開關(guān)量輸入信號采集，模擬量輸入模件AIM0801負(fù)責(zé)模擬量輸入信號采集，開關(guān)量輸出模件DOM3201負(fù)責(zé)開關(guān)量信號輸出，模擬量輸出模件AOM0403負(fù)責(zé)模擬量信號輸出。

圖3 全功率變速抽水蓄能機(jī)組協(xié)同控制器Figure 3 Coordinated controller of full power variable speed pumped storage unit

5 協(xié)同控制仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證全功率變速抽水蓄能機(jī)組變速變功率協(xié)同控制策略，本文搭建了全功率變速抽水蓄能機(jī)組控制系統(tǒng)RTDS仿真試驗(yàn)平臺（如圖4所示），變流器、調(diào)速器、協(xié)同控制器和監(jiān)控系統(tǒng)為實(shí)體樣機(jī)，全功率變速抽水蓄能機(jī)組仿真模型建立在RTDS機(jī)柜中，對全功率變速抽水蓄能機(jī)組變速變功率協(xié)同控制策略進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖4 全功率變速抽水蓄能機(jī)組仿真試驗(yàn)平臺Figure 4 Simulation platform of full power variable speed pumped storage unit

本文以春廠壩全功率變速抽水蓄能機(jī)組為研究對象，開展全功率變速抽水蓄能機(jī)組變速變功率協(xié)同控制策略仿真試驗(yàn)，機(jī)組參數(shù)為：水泵水輪機(jī)正常出力范圍為2.657～6.7 MW，水頭范圍130～165m，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍791.8～1003.3 r/min，導(dǎo)葉開度范圍10.0°～35.5°；水泵水輪機(jī)正常入力范圍為5.55～6.7 MW，揚(yáng)程范圍159.8～165m，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍1005～1030r/min，導(dǎo)葉開度范圍18.0°～30.0°，機(jī)組發(fā)電/抽水工況特性曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 全功率變速抽水蓄能機(jī)組發(fā)電工況特性曲線Figure 5 Characteristic curve under generating condition of full power variable speed pumped storage unit

圖6 全功率變速抽水蓄能機(jī)組抽水工況特性曲線Figure 6 Characteristic curve under pumping condition of full power variable speed pumped storage unit

5．1 發(fā)電工況協(xié)同控制仿真試驗(yàn)

全功率變速抽水蓄能機(jī)組發(fā)電工況開機(jī)過程為：首先，啟動機(jī)組輔助設(shè)備，待機(jī)組輔助設(shè)備啟動后，開啟進(jìn)水蝶閥，當(dāng)進(jìn)水蝶閥全開后，啟動調(diào)速器發(fā)電開機(jī)，調(diào)速器控制機(jī)組從靜止升速到當(dāng)前水頭空載轉(zhuǎn)速；接著，啟動勵磁建壓，待機(jī)組電壓升到當(dāng)前水頭空載轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電壓后，啟動變流器發(fā)電運(yùn)行，變流器合上機(jī)側(cè)開關(guān)，控制機(jī)側(cè)變流器發(fā)脈沖，使機(jī)組發(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協(xié)同控制器，協(xié)同控制器計算出對應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速和最優(yōu)導(dǎo)葉開度，下發(fā)給變流器和調(diào)速器，分別控制發(fā)電電動機(jī)三相定子電壓/電流和水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉開度，進(jìn)行發(fā)電工況有功功率與轉(zhuǎn)速的協(xié)同控制。

全功率變速抽水蓄能機(jī)組發(fā)電工況有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)同控制有兩種方式，分別為：變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制有功功率方式、變流器控制有功功率和調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速方式，下面分別對這兩種方式進(jìn)行RTDS仿真試驗(yàn)。

5.1.1 變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制有功功率方式

在變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制有功功率方式下，水頭158m不變，監(jiān)控系統(tǒng)有功功率設(shè)定值從6.3MW降到3.5MW，再從3.5 MW升到6.3MW，協(xié)同控制器計算出對應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速由983r/min降到873r/min，再從873r/min升到983r/min，最優(yōu)導(dǎo)葉開度由66.1%減小到31.9%，再從31.9%增大到66.1%，變流器根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值控制三相定子電壓/電流進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(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)行有功功率調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時間為20s，有功功率調(diào)節(jié)時間為22s。試驗(yàn)波形如圖7所示。

圖7 發(fā)電工況變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制有功功率方式變速變功率試驗(yàn)波形Figure 7 Test waveform of converter control speed and governor control power mode under generating condition

5.1.2 變流器控制有功功率和調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速方式

在變流器控制有功功率和調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速方式下，水頭158m不變，監(jiān)控系統(tǒng)有功功率設(shè)定值從6.0MW降到5.5MW，再從5.5 MW升到6.0MW，協(xié)同控制器計算出對應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速由968r/min降到941r/min，再從941r/min升到968r/min，最優(yōu)導(dǎo)葉開度由61.1%減小到52.1%，再從52.1%增大到61.1%，變流器根據(jù)有功功率設(shè)定值控制三相定子電壓/電流進(jìn)行有功功率調(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)速調(diào)節(jié)，有功功率調(diào)節(jié)時間為0.2s，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時間為48s。試驗(yàn)波形如圖8所示。

圖8 發(fā)電工況變流器控制有功功率和調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速方式變速變功率試驗(yàn)波形Figure 8 Test waveform of converter control power and governor control speed mode under generating condition

從發(fā)電工況變速變功率試驗(yàn)波形，可以看出：變流器控制有功功率和調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速方式下，有功功率具有階躍調(diào)節(jié)能力，但機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)相對緩慢，持續(xù)時間48s，且可能會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速振蕩；變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制有功功率方式下，機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)迅速，利于最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制，但有功功率調(diào)節(jié)相對較慢，持續(xù)時間22s，不具備有功功率瞬時階躍調(diào)節(jié)能力。因此，推薦機(jī)組發(fā)電工況變速變功率協(xié)同控制策略為：機(jī)組發(fā)電工況啟停過程采用變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制有功功率方式，待有功功率穩(wěn)定后，可切換至變流器控制有功功率和調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速方式，兼顧機(jī)組高效穩(wěn)定運(yùn)行，并具備快速功率調(diào)節(jié)能力。

5．2 抽水工況協(xié)同控制仿真試驗(yàn)

全功率變速抽水蓄能機(jī)組抽水開機(jī)過程為：首先，啟動機(jī)組輔助設(shè)備，待機(jī)組輔助設(shè)備啟動后，開啟進(jìn)水蝶閥，當(dāng)進(jìn)水蝶閥全開后，啟動勵磁，發(fā)變流器抽水啟動令，變流器合上機(jī)側(cè)開關(guān)，控制機(jī)側(cè)變流器發(fā)脈沖，拖動機(jī)組從靜止升速到造壓轉(zhuǎn)速，當(dāng)機(jī)組造壓壓力達(dá)到后，啟動調(diào)速器抽水開機(jī)，調(diào)速器開啟導(dǎo)葉；然后，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定機(jī)組有功功率和無功功率給協(xié)同控制器，協(xié)同控制器計算出對應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速和最優(yōu)導(dǎo)葉開度，下發(fā)給變流器和調(diào)速器，分別控制發(fā)電電動機(jī)三相定子電壓/電流和水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉開度，進(jìn)行抽水工況有功功率與轉(zhuǎn)速的協(xié)同控制。

全功率變速抽水蓄能機(jī)組抽水工況有功功率與轉(zhuǎn)速協(xié)同控制有兩種方式，分別為：變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制有功功率方式、變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制導(dǎo)葉開度方式，下面分別對這兩種方式進(jìn)行RTDS仿真試驗(yàn)。

5.2.1 變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制有功功率方式

在變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制有功功率方式下，水頭162m不變，監(jiān)控系統(tǒng)有功功率設(shè)定值從-5.6MW升到-6.0 MW，再從-6.0 MW降到-5.6MW，協(xié)同控制器計算出對應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速由1003r/min升到1013r/min，再從1013r/min降到1003r/min，最優(yōu)導(dǎo)葉開度由51.6%減小到41.9%，再從41.9%增大到51.6%，變流器根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值控制三相定子電壓/電流進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(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)行有功功率調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時間為4s，有功功率調(diào)節(jié)時間為22s。試驗(yàn)波形如圖9所示。

圖9 抽水工況變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制有功功率方式變速變功率試驗(yàn)波形Figure 9 Test waveform of converter control speed and governor control power mode under pumping condition

5.2.2 變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制導(dǎo)葉開度方式

在變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制導(dǎo)葉開度方式下，水頭160m不變，監(jiān)控系統(tǒng)有功功率設(shè)定值從-6.5MW降到-5.0 MW，再從-5.0 MW升到-6.5MW，協(xié)同控制器計算出對應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速由1030r/min降到1003r/min，再從1003r/min升到1030r/min，最優(yōu)導(dǎo)葉開度由75.0%減小到43.9%，再從43.9%增大到75.0%，變流器根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值控制三相定子電壓/電流進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，調(diào)速器根據(jù)導(dǎo)葉開度設(shè)定值控制機(jī)組導(dǎo)葉開度，導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)時間為3s，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時間為9s，有功功率調(diào)節(jié)時間為9s。試驗(yàn)波形如圖10所示。

圖10 抽水工況變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制導(dǎo)葉開度方式變速變功率試驗(yàn)波形Figure 10 Test waveform of converter control speed and governor control guide vane mode under pumping condition

從抽水工況變速變功率試驗(yàn)波形，可以看出：變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制有功功率方式下，機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)迅速，但有功功率調(diào)節(jié)相對緩慢，持續(xù)時間22s；變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制導(dǎo)葉開度方式下，機(jī)組導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)迅速，機(jī)組轉(zhuǎn)速和有功功率調(diào)節(jié)快，利于機(jī)組高效穩(wěn)定運(yùn)行。因此，推薦機(jī)組抽水工況變速變功率協(xié)同控制策略采用變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制導(dǎo)葉開度方式。

6 結(jié)語

本文針對全功率變速抽水蓄能機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)速之間的協(xié)調(diào)控制問題，提出了一種全功率變速抽水蓄能機(jī)組變速變功率協(xié)同控制策略，研制了全功率變速抽水蓄能機(jī)組協(xié)同控制器樣機(jī)，并搭建了仿真試驗(yàn)平臺，對全功率變速抽水蓄能機(jī)組變速變功率協(xié)同控制策略進(jìn)行了仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：協(xié)同控制策略正確，能夠滿足工程應(yīng)用需求，發(fā)電工況變速變功率協(xié)同控制策略推薦采用變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制有功功率方式，待機(jī)組有功功率穩(wěn)定后，可切換至變流器控制有功功率和調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速方式，兼顧機(jī)組快速功率調(diào)節(jié)能力和高效穩(wěn)定運(yùn)行；抽水工況變速變功率協(xié)同控制策略推薦采用變流器控制轉(zhuǎn)速和調(diào)速器控制導(dǎo)葉開度方式，機(jī)組轉(zhuǎn)速和有功功率調(diào)節(jié)快，利于機(jī)組高效穩(wěn)定運(yùn)行。