李 娜，鄭楚艾，于尚北

（中國水利水電科學(xué)研究院中水科技公司，北京 100038）

目前，世界范圍內(nèi)變速恒頻發(fā)電控制技術(shù)主要應(yīng)用于抽水蓄能機(jī)組。其中，應(yīng)用變速恒頻機(jī)組最早和最多的國家是日本和德國，迄今為止兩國已投運(yùn)了數(shù)十個電站[1]。我國變速抽水蓄能機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造起步較晚，僅在主機(jī)方面有若干理論及試驗(yàn)成果，而對相應(yīng)的水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及裝置的研究仍停留于理論探討及分析階段，尚未出現(xiàn)能夠應(yīng)用于工程實(shí)際的產(chǎn)品[2-3]。引漢濟(jì)渭工程屬于跨流域調(diào)水工程，工程等別為Ⅰ等工程，工程規(guī)模為大（一）型。作為引漢濟(jì)渭工程兩個水源之一的三河口水利樞紐裝有2臺常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組和2臺可逆式水泵水輪機(jī)組，其總裝機(jī)容量為60 MW，其中常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組40 MW，可逆機(jī)組20 MW。根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，為了提高機(jī)組在低水頭工況下的機(jī)組效率，決定常規(guī)水電機(jī)組采用變速恒頻發(fā)電控制技術(shù)，這種工程應(yīng)用在國內(nèi)常規(guī)水電機(jī)組中尚屬首次。因此開展變速恒頻水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的研究具有非常重要的工程實(shí)際意義[4]。

1 三河口水利樞紐工程變速恒頻水電機(jī)組的兩種運(yùn)行模式

引漢入渭三河口水利樞紐工程在供水期，水輪發(fā)電機(jī)組在55～99.3 m水頭范圍內(nèi)按常規(guī)發(fā)電方式下375 r/min的額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，發(fā)電機(jī)出口通過主變壓器直接與電網(wǎng)相聯(lián)，輸出額定頻率50 Hz、額定電壓10.5 kV的電力向電網(wǎng)送出。但在30～55 m水頭范圍內(nèi)，機(jī)組如果仍按375 r/min額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，則效率大幅下降、振動急劇增加，機(jī)組無法正常運(yùn)行，只能放棄發(fā)電。鑒于此，為保證30～55 m低水頭下還能正常發(fā)電運(yùn)行、保證經(jīng)濟(jì)效益，需降低機(jī)組轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)速運(yùn)行所輸出的電力頻率和電壓均低于額定值，此時，發(fā)電機(jī)不能通過主變壓器直接與電網(wǎng)相聯(lián)，只能通過變流器轉(zhuǎn)換為額定頻率50 Hz、額定電壓10.5 kV的工頻交流電后向電網(wǎng)輸出，即所謂的“變速-恒頻”發(fā)電。

低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，機(jī)組目標(biāo)轉(zhuǎn)速需隨工作水頭連續(xù)變化，水頭與轉(zhuǎn)速/頻率對應(yīng)關(guān)系為：水頭30～55 m→ 轉(zhuǎn)速：225～297 r/min、頻率：30～39.6 Hz。此時機(jī)組與電網(wǎng)非剛性聯(lián)接，而是柔性聯(lián)接，對水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)而言相當(dāng)于孤立運(yùn)行調(diào)節(jié)，既要保證機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，又要保證原動有功穩(wěn)定。這對調(diào)速系統(tǒng)的要求很高，因?yàn)槠浞€(wěn)定域很窄，參數(shù)整定難度大、難以穩(wěn)定，因此需要對調(diào)節(jié)參數(shù)反復(fù)整定和優(yōu)化，從而保證系統(tǒng)在變目標(biāo)轉(zhuǎn)速條件下的穩(wěn)定發(fā)電運(yùn)行。

2 額定轉(zhuǎn)速與降轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式控制機(jī)理

2.1 額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式控制機(jī)理

在常規(guī)并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行模式下，水輪發(fā)電機(jī)組無一例外地全部通過主變壓器與大電網(wǎng)聯(lián)接，此時發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間相當(dāng)于剛性聯(lián)接（假設(shè)勵磁系統(tǒng)工作正常）。由于電網(wǎng)容量遠(yuǎn)大于機(jī)組單機(jī)容量，此時無論機(jī)組功率怎么變化，其機(jī)械轉(zhuǎn)速n（t）是不變的，始終為額定轉(zhuǎn)速

式中：fr——電網(wǎng)額定頻率，Hz；p——發(fā)電機(jī)磁極對數(shù)。

在此種運(yùn)行模式下，水輪機(jī)導(dǎo)葉開度變化引起機(jī)組輸出功率變化，而機(jī)組轉(zhuǎn)速是不變的，即控制目標(biāo)只有功率。

2.2 降轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式控制機(jī)理

在降轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式下，需借助變頻器聯(lián)網(wǎng)，目前在常規(guī)水電機(jī)組中尚無成功應(yīng)用實(shí)例。但該技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組中應(yīng)用廣泛，這是由于風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械轉(zhuǎn)速是時刻變化的，且發(fā)電運(yùn)行方式下也允許機(jī)組的機(jī)械轉(zhuǎn)速n（t）為非恒定的隨機(jī)變化，這與水電機(jī)組完全不同。水電機(jī)組發(fā)電運(yùn)行時，若轉(zhuǎn)速n（t）長時間非恒定、隨機(jī)變化，將導(dǎo)致機(jī)組及相關(guān)設(shè)備損壞，更不用提效率大幅下降了。這也是水電機(jī)組與風(fēng)電機(jī)組的最大區(qū)別。

機(jī)組通過變頻器聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，是借助于變頻器的“交流-直流-交流變換”，再與大電網(wǎng)相連的，這相當(dāng)于柔性聯(lián)接，此時導(dǎo)葉開度變化將同時導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速與功率的變化，即如果要保證機(jī)組轉(zhuǎn)速n（t）為恒定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速值（三河口項(xiàng)目提出由水頭決定目標(biāo)轉(zhuǎn)速），就無法把機(jī)組功率作為控制目標(biāo)；反之，如果以機(jī)組功率作為控制目標(biāo)，則轉(zhuǎn)速就無法穩(wěn)定在恒定的目標(biāo)值（由水頭決定不同的目標(biāo)值）。此時，機(jī)組轉(zhuǎn)速n（t）與電網(wǎng)額定頻率fr沒有明確的對應(yīng)關(guān)系。

從專業(yè)角度來講，從機(jī)組至變頻器的直流輸出過程，相當(dāng)于孤網(wǎng)運(yùn)行，此時水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)將以機(jī)組轉(zhuǎn)速恒定為控制目標(biāo)，此時無法同時將機(jī)組輸出功率也作為控制目標(biāo)，除非允許轉(zhuǎn)速n（t）在相當(dāng)大的范圍內(nèi)隨機(jī)變化（但三河口項(xiàng)目要求每個水頭對應(yīng)特定的固定轉(zhuǎn)速值）。

3 孤網(wǎng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)研究

如前文所述，變速恒頻水電機(jī)組在通過變頻器與外界電網(wǎng)相連接時采用的是孤網(wǎng)調(diào)節(jié)方式。孤網(wǎng)運(yùn)行作為一種特殊的運(yùn)行模式，對于機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能有更高的要求[5]。

3.1 孤網(wǎng)調(diào)節(jié)性能指標(biāo)要求

當(dāng)水電機(jī)組由大網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)入單機(jī)帶負(fù)荷的孤立運(yùn)行工況時，水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以頻率作為主控目標(biāo)，開度及功率為輔控目標(biāo)，在確保調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定的前提下，根據(jù)GB/T 9652.1-2019《水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)條件》，需滿足下列要求：

（1）當(dāng)外部負(fù)荷發(fā)生變化（不大于機(jī)組額定功率的15%）而引起頻率變化時，調(diào)節(jié)過程中頻率變化衰減度ψ應(yīng)不大于30%；

（2）在無外部負(fù)荷突變的條件下，頻率擺動應(yīng)在±3%范圍內(nèi)。

3.2 孤網(wǎng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)方法

調(diào)速器通過傳感器等電氣元件采集機(jī)組功率、機(jī)組頻率、電網(wǎng)頻率、導(dǎo)葉開度等模擬量信號，再通過電氣隔離模塊經(jīng)過A/D模塊送入電氣柜PLC控制器中，PLC控制器對上述信號進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和試驗(yàn)曲線記錄。調(diào)速器調(diào)節(jié)參數(shù)Kp、KI、KD、Ef、bp等在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)均可以調(diào)整，空載運(yùn)行調(diào)節(jié)參數(shù)、孤網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)參數(shù)和并網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)參數(shù)需要通過試驗(yàn)進(jìn)行確定。調(diào)速器孤網(wǎng)試驗(yàn)內(nèi)容和流程如圖1所示。

圖1 孤網(wǎng)試驗(yàn)流程

（1）空載擾動試驗(yàn)方法

機(jī)組處于空載額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況，將調(diào)速器導(dǎo)葉控制置于手動狀態(tài)，手動增減導(dǎo)葉開度從而改變機(jī)組頻率。當(dāng)機(jī)組頻率變化幅度Δf0超過2 Hz（即4%額定轉(zhuǎn)速）時，將調(diào)速器導(dǎo)葉控制切換至自動狀態(tài)，觀測并記錄機(jī)組頻率和導(dǎo)葉開度變化的過渡過程。在調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定的前提下，選取頻率過渡過程超調(diào)量小、收斂快、波動次數(shù)少，且轉(zhuǎn)速擺動值最小的一組調(diào)節(jié)參數(shù)作為空載調(diào)節(jié)參數(shù)和孤網(wǎng)初始調(diào)節(jié)參數(shù)，空載擾動響應(yīng)試驗(yàn)過程如圖2所示。

根據(jù)GB/T 9652.1-2019《水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)條件》，空載擾動響應(yīng)試驗(yàn)過程的動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)應(yīng)滿足以下要求：

1）頻率變化衰減度ψ（與起始偏差符號相同的第2個頻率偏差峰值與起始偏差峰值之比）應(yīng)不大于30%，即Δf1/Δfmax≤30%；

2）頻率最大超調(diào)量Δfmax不得超過擾動量Δf0的40%，即Δfmax/Δf0≤40%；

3）自階躍擾動開始，至調(diào)節(jié)穩(wěn)定為止的調(diào)節(jié)時間TFR不得超過35 s；

4）在調(diào)節(jié)時間TFR內(nèi)，頻差超過±0.5 Hz的波動次數(shù)Z（頻率的波峰個數(shù)與波谷個數(shù)之和的一半）不得超過2次。

圖2 空載頻率擾動響應(yīng)試驗(yàn)

（2）模擬孤網(wǎng)試驗(yàn)方法

機(jī)組處于空載額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況，通過短接進(jìn)入調(diào)速器的發(fā)電機(jī)出口斷路器干接點(diǎn)，使調(diào)速器處于模擬并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)。如圖2所示進(jìn)行頻率擾動，先將調(diào)速器導(dǎo)葉控制置于手動狀態(tài)，隨后手動增減導(dǎo)葉開度從而改變機(jī)組頻率，當(dāng)頻率擾動的偏差絕對值超過2 Hz時，將調(diào)速器導(dǎo)葉控制切換至自動狀態(tài)，驗(yàn)證孤網(wǎng)初始調(diào)節(jié)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上重新整定，以獲取一組調(diào)節(jié)效果較好的參數(shù)作為孤網(wǎng)調(diào)節(jié)參數(shù)。

（3）實(shí)際孤網(wǎng)試驗(yàn)方法

機(jī)組處于并網(wǎng)運(yùn)行工況，所帶負(fù)荷不小于25%額定負(fù)荷，且運(yùn)行平穩(wěn)。此時保持發(fā)電機(jī)出口斷路器閉合狀態(tài)不變，突然斷開主變高壓側(cè)斷路器，使機(jī)組切入孤網(wǎng)狀態(tài)，觀測并記錄機(jī)組頻率和導(dǎo)葉開度變化的過渡過程，驗(yàn)證調(diào)節(jié)過程的穩(wěn)定性，同時對模擬孤網(wǎng)試驗(yàn)得到的調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化，確定最終的孤網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)參數(shù)。

4 三河口水利樞紐工程機(jī)組孤網(wǎng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)

如前文所述，三河口水利樞紐工程2臺常規(guī)機(jī)組在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，目標(biāo)轉(zhuǎn)速跟隨工作水頭變化。此時調(diào)速器相當(dāng)于在進(jìn)行孤立調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)頻率，實(shí)現(xiàn)機(jī)組所發(fā)有功功率與用電負(fù)荷之間的動態(tài)平衡。雖然機(jī)組在空載運(yùn)行和孤網(wǎng)運(yùn)行模式下，調(diào)速器均采用頻率調(diào)節(jié)方式，但由于孤網(wǎng)運(yùn)行時，外部負(fù)荷的變化無法預(yù)知，因此孤網(wǎng)運(yùn)行的控制難度遠(yuǎn)大于空載運(yùn)行[6]。通過進(jìn)行機(jī)組空載擾動試驗(yàn)，可以得到空載調(diào)節(jié)參數(shù)和孤網(wǎng)調(diào)節(jié)初始參數(shù)，而最終的較為理想的孤網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)參數(shù)則需通過實(shí)際孤網(wǎng)試驗(yàn)后才能確定。

4.1 機(jī)組空載擾動試驗(yàn)

采用試驗(yàn)尋優(yōu)法，得到三河口水利樞紐工程機(jī)組空載穩(wěn)定運(yùn)行的最優(yōu)調(diào)節(jié)參數(shù)Kp=1.63、KI=0.12 s-1、KD=0.15 s、bp=0、Ef=0.01，孤網(wǎng)調(diào)節(jié)初始參數(shù)Kp=1.63、KI=0.14 s-1、KD=0.16 s、bp=2、Ef=0.5。如圖3 a為空載擾動上擾試驗(yàn)曲線，圖3 b為空載擾動下擾試驗(yàn)曲線，空載擾動試驗(yàn)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 空載擾動試驗(yàn)性能指標(biāo)

4.2 機(jī)組孤網(wǎng)試驗(yàn)

當(dāng)水頭在30～55m范圍內(nèi)時，三河口水利樞紐工程常規(guī)機(jī)組以270 r/min的低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，此時機(jī)組與電網(wǎng)柔性聯(lián)接，對水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)而言相當(dāng)于孤網(wǎng)運(yùn)行工況。

（1）第一次孤網(wǎng)試驗(yàn)

根據(jù)上述空載擾動試驗(yàn)確定的孤網(wǎng)初始調(diào)節(jié)參數(shù)，即Kp=1.63、KI=0.14 s-1、KD=0.16 s、bp=2、Ef=0.5，開展第一次孤網(wǎng)試驗(yàn)。孤網(wǎng)試驗(yàn)曲線如圖4。從圖中可見在該組參數(shù)下，孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率持續(xù)發(fā)散震蕩無法收斂，不能滿足穩(wěn)定運(yùn)行的要求，因此需要對調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)一步整定和優(yōu)化。

圖4 機(jī)組第一次孤網(wǎng)試驗(yàn)曲線

（2）第二次孤網(wǎng)試驗(yàn)

針對第一次孤網(wǎng)試驗(yàn)存在的問題，經(jīng)過仔細(xì)分析和反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)孤網(wǎng)PID調(diào)節(jié)參數(shù)的整定不宜太靈敏，否則容易引起頻率振蕩；同時，孤網(wǎng)Kp的取值宜稍大一點(diǎn)，而孤網(wǎng)KI的取值宜稍小一點(diǎn)；人工死區(qū)Ef的整定，既不能太大，也不能太小，否則容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

基于以上原則，對調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)一步整定和優(yōu)化，最終確定一組效果較為理想的孤網(wǎng)調(diào)節(jié)參數(shù)Kp=0.78、KI=0.06 s-1、KD=0.39 s、bp=1、Ef=0.3。如圖5為該組參數(shù)下的試驗(yàn)曲線，頻率擺動值

由公式（2）計(jì)算可得頻率擺動值δxf=±0.85%，滿足GB/T 9652.1-2019中δxf≤±3%的規(guī)定，因此該組參數(shù)可以滿足機(jī)組在孤網(wǎng)狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

圖5 機(jī)組第二次孤網(wǎng)試驗(yàn)曲線

5 結(jié)論

將變速恒頻發(fā)電控制技術(shù)應(yīng)用于常規(guī)水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)中在國內(nèi)雖屬首次，但是通過試驗(yàn)研究和分析證明其是完全可行的，這種應(yīng)用具有非常重要的工程實(shí)際意義。文中所有的分析都是基于勵磁系統(tǒng)始終處于理想狀態(tài)下的假想之上，而實(shí)際上通過變頻器聯(lián)接發(fā)電時，勵磁系統(tǒng)可能也會面臨若干問題，且極有可能出現(xiàn)機(jī)組、勵磁、保護(hù)與調(diào)速問題相互影響，導(dǎo)致調(diào)節(jié)過程不穩(wěn)定，甚至振蕩。此時涉及的因素更復(fù)雜，后續(xù)可與其它專業(yè)聯(lián)合做一些探討和研究。