宋洪歌

（華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州 450045；浙江水利水電學(xué)院水利與海洋工程研究所，浙江 杭州 310018）

可變速水力機(jī)組自20 世紀(jì)60 年代以來(lái)受到了廣泛關(guān)注。世界范圍內(nèi)，前蘇聯(lián)在1972 年首次將交流勵(lì)磁調(diào)速技術(shù)用于依奧夫斯克電站的水電機(jī)組中，從20世紀(jì)80 年代初開始，日立、東芝等公司開始研究交流勵(lì)磁調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于抽水蓄能電站機(jī)組中，最終在20 kW 和4 000 kW 機(jī)組上進(jìn)行了模型試驗(yàn)。1987 年初，日立公司在日本成出電站成功應(yīng)用了首臺(tái)交流勵(lì)磁調(diào)速技術(shù)實(shí)用機(jī)組，于同年4 月投入商業(yè)運(yùn)行。從此之后，經(jīng)過(guò)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，日立和東芝公司相繼在矢木澤、高見、大河內(nèi)等抽水蓄能電站中建設(shè)可變速機(jī)組并成功投運(yùn)。

定速機(jī)組原理類似同步電機(jī)，正常工作時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定為同步轉(zhuǎn)速，變速機(jī)組原理則類似異步電機(jī)，工作時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速不等，可以在一定范圍內(nèi)變化。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，設(shè)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速（即定子的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速）為1，轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速為，轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)差）為2，以上三者關(guān)系滿足同步轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的矢量和，即為1=2+。機(jī)組變速的原理是通過(guò)變換器或調(diào)速器調(diào)節(jié)2 和，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近變化的同時(shí)保證機(jī)組發(fā)電頻率維持50 Hz。

可變速抽水蓄能機(jī)組主要分為2 種類型：一類是雙饋感應(yīng)電機(jī)，和異步電機(jī)類似，采用交流勵(lì)磁，在轉(zhuǎn)子側(cè)接入變流器且轉(zhuǎn)子和定子都與電網(wǎng)有能量傳遞交換；另一類是全功率變頻同步電機(jī)，類似同步電機(jī)，采用直流勵(lì)磁，僅在定子側(cè)接入變流器實(shí)現(xiàn)變速且只有定子與電網(wǎng)有能量交換，轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)不進(jìn)行能量交換。

1 可變速抽水蓄能機(jī)組控制理論

基于抽水蓄能機(jī)組調(diào)速器的控制理論已積累了較多文獻(xiàn)。可變速抽水蓄能機(jī)組是一個(gè)水機(jī)電控耦合的系統(tǒng)，包括可逆式水輪機(jī)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)、勵(lì)磁控制系統(tǒng)及輔助控制系統(tǒng)等部分，與傳統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)組相比控制更加困難。傳統(tǒng)的比例-積分-微分（PⅠD）控制器通常不能提供高質(zhì)量的控制，LⅠ等針對(duì)抽水蓄能機(jī)組提出了分?jǐn)?shù)階PⅠD 控制器（FOPⅠD），雖然FOPⅠD控制器比傳統(tǒng)的PⅠD 控制器更有效，但對(duì)于水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，F(xiàn)OPⅠD 控制器的參數(shù)優(yōu)化更為復(fù)雜。常鵬飛等基于矢量控制思想，對(duì)可變速抽水蓄能機(jī)組采用一種預(yù)測(cè)控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)最優(yōu)控制。模型預(yù)測(cè)控制方法（Model Predictive Control，MPC），設(shè)計(jì)了適用于該系統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制器，給出了一種節(jié)省在線計(jì)算時(shí)間的矢量選擇方法，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。為了使抽水蓄能機(jī)組達(dá)到足夠的性能要求，必須有一種確定抽水蓄能機(jī)組最佳工況切換時(shí)間的方法，LⅠANG 等提出了一種基于枚舉的模型預(yù)測(cè)控制（MPC）策略來(lái)確定抽水蓄能機(jī)組的最優(yōu)切換時(shí)間，以提高機(jī)組的運(yùn)行靈活性，并便于頻率調(diào)節(jié)，使MPC 控制器適合于實(shí)際應(yīng)用。LⅠ等將一種非線性廣義預(yù)測(cè)控制（ Nonlinear Generalized Predictive Control，NGPC）方法應(yīng)用于抽水蓄能機(jī)組的控制系統(tǒng)，對(duì) NGPC 控制器、PⅠD 控制器和分?jǐn)?shù)階 PⅠD 控制器進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，NGPC 控制器能有效抑制抽水蓄能機(jī)組不同工況下的轉(zhuǎn)速振蕩，具有更高的魯棒性和穩(wěn)定性。TAN 等根據(jù)水泵-水輪機(jī)運(yùn)行曲線，分析了雙饋?zhàn)兯俪樗钅軝C(jī)組的運(yùn)行特性和性能，提出了交流勵(lì)磁系統(tǒng)與調(diào)速器的協(xié)調(diào)控制策略，可以確定雙饋調(diào)速抽蓄機(jī)組的最佳轉(zhuǎn)速并快速調(diào)節(jié)，從而抑制電力系統(tǒng)頻率波動(dòng)。

2 可變速抽水蓄能機(jī)組控制方式

可變速抽水蓄能電站存在2 套控制系統(tǒng)，即轉(zhuǎn)速、功率2 個(gè)可調(diào)節(jié)的變量，因此整體控制可變速抽水蓄能機(jī)組的方法有2 種，分別是快速功率控制和快速轉(zhuǎn)速控制?？焖俟β士刂品绞绞峭ㄟ^(guò)大功率自動(dòng)變換器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)輸出功率，而水輪機(jī)調(diào)速器通過(guò)調(diào)整導(dǎo)葉開啟程度調(diào)節(jié)電機(jī)速度；快速轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式則是大功率自動(dòng)變換器調(diào)節(jié)電機(jī)速度，水輪機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)功率。關(guān)于各種調(diào)節(jié)方式的應(yīng)用工況，不同的學(xué)者有不同的看法。

可變速機(jī)組發(fā)電或抽水工況運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速優(yōu)先控制可減少導(dǎo)葉運(yùn)動(dòng)次數(shù)，會(huì)減少軸系磨損和水壓脈動(dòng)，減少換流器容量，而功率優(yōu)先控制方法所需勵(lì)磁調(diào)節(jié)容量相對(duì)較大，因此滕軍認(rèn)為發(fā)電工況可采用功率優(yōu)先控制方法和轉(zhuǎn)速優(yōu)先控制方法2 種方式，抽水工況時(shí)采用轉(zhuǎn)速優(yōu)先控制方式。由于機(jī)組電動(dòng)工況時(shí)轉(zhuǎn)速與水泵輸入功率的三次方成正比，通過(guò)轉(zhuǎn)速控制，能夠大范圍內(nèi)調(diào)整電動(dòng)工況下的輸入功率，而在發(fā)電工況時(shí)，有功功率的響應(yīng)速度要盡可能的最大化，所以發(fā)電工況應(yīng)采用功率優(yōu)先方式，在電動(dòng)工況應(yīng)采用轉(zhuǎn)速優(yōu)先方式。李輝等提出了功率由交流勵(lì)磁控制，轉(zhuǎn)速通過(guò)水輪機(jī)導(dǎo)葉控制的快速功率響應(yīng)調(diào)節(jié)方式。然而，KUWABARA 等認(rèn)為可變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)發(fā)電控制較為重要，應(yīng)該優(yōu)先考慮有功功率響應(yīng)，相比于轉(zhuǎn)速優(yōu)先控制方法，功率優(yōu)先控制方法在負(fù)荷中斷時(shí)不需要切換控制方法，具有更高的可靠性，目前正投入運(yùn)行的日本大河內(nèi)電站4 號(hào)機(jī)組，其發(fā)電工況和電動(dòng)工況均采用功率優(yōu)先控制方法。所以，對(duì)于可變速抽水蓄能機(jī)組在每種運(yùn)行工況時(shí)應(yīng)該采取哪種控制方法，尚未形成定論，因此還需要結(jié)合控制策略的特性深入研究。

3 可變速抽水蓄能機(jī)組功率調(diào)節(jié)

關(guān)于可變速抽水蓄能機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)頻的研究也逐漸受到學(xué)者的重視。王松等以雙饋電機(jī)等效電路為基礎(chǔ)，研究機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)換流器的無(wú)功調(diào)節(jié)機(jī)理，并探討兩者的無(wú)功調(diào)節(jié)優(yōu)先級(jí)，給出合理的無(wú)功控制策略，但并未探討無(wú)功功率的影響因素。對(duì)于固定下垂系數(shù)控制存在抑制頻率波動(dòng)的阻尼不足的問(wèn)題，李輝等對(duì)固定系數(shù)控制策略存在不足提供了改進(jìn)思路，通過(guò)改變下垂系數(shù)以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻控制，并給出了參數(shù)整定方法。高曉光等認(rèn)為應(yīng)根據(jù)機(jī)組容量和功率偏差值自行整定PⅠD 參數(shù)，整定策略如下，對(duì)于小型發(fā)電機(jī)組，因?yàn)槠洳▌?dòng)幅度小所以無(wú)論偏差值大小，PⅠD參數(shù)均取較小值；而對(duì)于大中型發(fā)電機(jī)組，其容量大，當(dāng)功率指令偏差±10 MW 以上時(shí)PⅠD 整定值取小，功率偏差值在±10 MW 以下時(shí)PⅠD 整定值取大。彭天波等為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率快速無(wú)差別調(diào)節(jié)，提出了在電站調(diào)速器程序中額外設(shè)置一次調(diào)頻專用PⅠD 參數(shù)，獨(dú)立應(yīng)用于機(jī)組一次調(diào)頻，與其他PⅠD 參數(shù)分割取值整定，同時(shí)保留另外一組不影響負(fù)載的小電網(wǎng)和孤立電網(wǎng)調(diào)頻能力的PⅠD 參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組一次調(diào)頻自動(dòng)運(yùn)行，縮短了響應(yīng)時(shí)間，增強(qiáng)了調(diào)節(jié)能力。NASⅠR 等討論了可變速抽水蓄能電站中有功和無(wú)功功率控制，在電網(wǎng)側(cè)變流器仍保持原直流電壓的同時(shí)，提出了一種轉(zhuǎn)子側(cè)變流器有效控制有功和無(wú)功功率的方法，對(duì)于電站參與電網(wǎng)調(diào)頻提供了新思路。

雖然一些專家學(xué)者對(duì)變速水力機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的控制策略進(jìn)行了一定的研究，但變速機(jī)組參與一次調(diào)頻過(guò)程的特點(diǎn)及是否與定速機(jī)組有一致性尚不明確。為研究雙饋感應(yīng)電機(jī)在電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)中的作用，胡萬(wàn)豐等建立了雙饋感應(yīng)電機(jī)功率控制系統(tǒng)模型，可以調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流直接對(duì)定子有功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，定子功率能夠快速跟隨功率指令的變化，實(shí)現(xiàn)功率快速調(diào)節(jié)，有效縮減機(jī)組調(diào)節(jié)時(shí)間。為研究可變速機(jī)組運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)功率的控制作用，韓民曉等綜合考慮能量平衡、波動(dòng)負(fù)荷與可再生能源發(fā)電出力跟蹤控制及電壓穩(wěn)定控制的需求，采用-解耦方法實(shí)現(xiàn)可變速機(jī)組有功與無(wú)功功率的控制。為分析影響可變速抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)能力的因素，王德順等分析各指標(biāo)參數(shù)權(quán)重，計(jì)算各影響因素權(quán)重大小，建立功率調(diào)節(jié)能力評(píng)估體系，為可變速抽水蓄能機(jī)組的建設(shè)和實(shí)際運(yùn)行提供參考。

4 結(jié)論

關(guān)于可變速抽水蓄能電站應(yīng)用方面，日本可變速抽水蓄能技術(shù)應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟，目前生產(chǎn)可變速抽水蓄能機(jī)組的制造商有日立、東芝、三菱等公司，已經(jīng)成功應(yīng)用可變速抽水蓄能機(jī)組包括沖繩、蛇尾川、鹽源、奧清津、小丸川、葛野川等抽水蓄能電站，其裝機(jī)容量已超過(guò)500 萬(wàn)kVA；在德國(guó)、瑞士等西方國(guó)家可變速抽水蓄能機(jī)組也在大量投運(yùn)，如德國(guó)Konsortium Goldisthal 電站，瑞士 Grimsel 電站、Linthal電站等；中國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)容量是目前世界上在建和已建規(guī)模最大的國(guó)家，雖然可變速抽水蓄能機(jī)組還沒有正式應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，但河北豐寧電站已通過(guò)采用2 臺(tái)容量300 MW 的可變速抽水蓄能機(jī)組的方案，在未來(lái)可變速抽水蓄能電站必將迎來(lái)蓬勃發(fā)展。

關(guān)于可變速抽水蓄能機(jī)組調(diào)節(jié)特性方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)組的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)展開大量研究，控制策略與調(diào)節(jié)方法積累了許多文獻(xiàn)，為后續(xù)研究提供了便利條件。而可變速抽水蓄能機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)頻過(guò)程中，采用哪種控制方法如轉(zhuǎn)速控制或功率控制并沒有形成定論，還需結(jié)合電站實(shí)際運(yùn)行情況與控制方法特性進(jìn)行深入研究；相比定速抽水蓄能機(jī)組，可變速機(jī)組其參與調(diào)頻的規(guī)律，如何體現(xiàn)變速機(jī)組的優(yōu)勢(shì)及以什么樣的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)考核等問(wèn)題在今后的研究中需要深入探討；關(guān)于抽水蓄能機(jī)組采用同發(fā)同抽工況運(yùn)行，目前針對(duì)電站進(jìn)出水口之間的流場(chǎng)流態(tài)特性深入研究，在機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)頻方面并沒有相關(guān)報(bào)道，因此抽水蓄能電站采用同發(fā)同抽工況的可行性，是否能給電站帶來(lái)效益的問(wèn)題仍需繼續(xù)研究。