變速恒頻水電機組調速系統(tǒng)研究及應用

李 娜，鄭楚艾，于尚北

（中國水利水電科學研究院中水科技公司，北京 100038）

目前，世界范圍內變速恒頻發(fā)電控制技術主要應用于抽水蓄能機組。其中，應用變速恒頻機組最早和最多的國家是日本和德國，迄今為止兩國已投運了數(shù)十個電站[1]。我國變速抽水蓄能機組的設計和制造起步較晚，僅在主機方面有若干理論及試驗成果，而對相應的水輪機調速系統(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)能夠應用于工程實際的產(chǎn)品[2-3]。引漢濟渭工程屬于跨流域調水工程，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)電機組和2臺可逆式水泵水輪機組，其總裝機容量為60 MW，其中常規(guī)水輪發(fā)電機組40 MW，可逆機組20 MW。根據(jù)工程設計要求，為了提高機組在低水頭工況下的機組效率，決定常規(guī)水電機組采用變速恒頻發(fā)電控制技術，這種工程應用在國內常規(guī)水電機組中尚屬首次。因此開展變速恒頻水電機組調速系統(tǒng)的研究具有非常重要的工程實際意義[4]。

1 三河口水利樞紐工程變速恒頻水電機組的兩種運行模式

引漢入渭三河口水利樞紐工程在供水期，水輪發(fā)電機組在55～99.3 m水頭范圍內按常規(guī)發(fā)電方式下375 r/min的額定轉速運行，發(fā)電機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，機組如果仍按375 r/min額定轉速運行，則效率大幅下降、振動急劇增加，機組無法正常運行，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)電運行、保證經(jīng)濟效益，需降低機組轉速，低轉速運行所輸出的電力頻率和電壓均低于額定值，此時，發(fā)電機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。

低轉速運行時，機組目標轉速需隨工作水頭連續(xù)變化，水頭與轉速/頻率對應關系為：水頭30～55 m→ 轉速：225～297 r/min、頻率：30～39.6 Hz。此時機組與電網(wǎng)非剛性聯(lián)接，而是柔性聯(lián)接，對水輪機調速系統(tǒng)而言相當于孤立運行調節(jié)，既要保證機組轉速穩(wěn)定，又要保證原動有功穩(wěn)定。這對調速系統(tǒng)的要求很高，因為其穩(wěn)定域很窄，參數(shù)整定難度大、難以穩(wěn)定，因此需要對調節(jié)參數(shù)反復整定和優(yōu)化，從而保證系統(tǒng)在變目標轉速條件下的穩(wěn)定發(fā)電運行。

2 額定轉速與降轉速運行模式控制機理

2.1 額定轉速運行模式控制機理

在常規(guī)并網(wǎng)發(fā)電運行模式下，水輪發(fā)電機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)電機與電網(wǎng)之間相當于剛性聯(lián)接（假設勵磁系統(tǒng)工作正常）。由于電網(wǎng)容量遠大于機組單機容量，此時無論機組功率怎么變化，其機械轉速n（t）是不變的，始終為額定轉速

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

在此種運行模式下，水輪機導葉開度變化引起機組輸出功率變化，而機組轉速是不變的，即控制目標只有功率。

2.2 降轉速運行模式控制機理

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

機組通過變頻器聯(lián)網(wǎng)運行，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，這相當于柔性聯(lián)接，此時導葉開度變化將同時導致機組轉速與功率的變化，即如果要保證機組轉速n（t）為恒定的目標轉速值（三河口項目提出由水頭決定目標轉速），就無法把機組功率作為控制目標；反之，如果以機組功率作為控制目標，則轉速就無法穩(wěn)定在恒定的目標值（由水頭決定不同的目標值）。此時，機組轉速n（t）與電網(wǎng)額定頻率fr沒有明確的對應關系。

從專業(yè)角度來講，從機組至變頻器的直流輸出過程，相當于孤網(wǎng)運行，此時水輪機調節(jié)系統(tǒng)將以機組轉速恒定為控制目標，此時無法同時將機組輸出功率也作為控制目標，除非允許轉速n（t）在相當大的范圍內隨機變化（但三河口項目要求每個水頭對應特定的固定轉速值）。

3 孤網(wǎng)調節(jié)試驗研究

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

3.1 孤網(wǎng)調節(jié)性能指標要求

當水電機組由大網(wǎng)運行進入單機帶負荷的孤立運行工況時，水輪機調速系統(tǒng)以頻率作為主控目標，開度及功率為輔控目標，在確保調節(jié)過程穩(wěn)定的前提下，根據(jù)GB/T 9652.1-2019《水輪機調速系統(tǒng)技術條件》，需滿足下列要求：

（1）當外部負荷發(fā)生變化（不大于機組額定功率的15%）而引起頻率變化時，調節(jié)過程中頻率變化衰減度ψ應不大于30%；

（2）在無外部負荷突變的條件下，頻率擺動應在±3%范圍內。

3.2 孤網(wǎng)調節(jié)試驗方法

調速器通過傳感器等電氣元件采集機組功率、機組頻率、電網(wǎng)頻率、導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行數(shù)據(jù)存儲和試驗曲線記錄。調速器調節(jié)參數(shù)Kp、KI、KD、Ef、bp等在調節(jié)范圍內均可以調整，空載運行調節(jié)參數(shù)、孤網(wǎng)運行調節(jié)參數(shù)和并網(wǎng)運行調節(jié)參數(shù)需要通過試驗進行確定。調速器孤網(wǎng)試驗內容和流程如圖1所示。

圖1 孤網(wǎng)試驗流程

（1）空載擾動試驗方法

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

根據(jù)GB/T 9652.1-2019《水輪機調速系統(tǒng)技術條件》，空載擾動響應試驗過程的動態(tài)調節(jié)品質應滿足以下要求：

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）應不大于30%，即Δf1/Δfmax≤30%；

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

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

4）在調節(jié)時間TFR內，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 空載頻率擾動響應試驗

（2）模擬孤網(wǎng)試驗方法

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

（3）實際孤網(wǎng)試驗方法

機組處于并網(wǎng)運行工況，所帶負荷不小于25%額定負荷，且運行平穩(wěn)。此時保持發(fā)電機出口斷路器閉合狀態(tài)不變，突然斷開主變高壓側斷路器，使機組切入孤網(wǎng)狀態(tài)，觀測并記錄機組頻率和導葉開度變化的過渡過程，驗證調節(jié)過程的穩(wěn)定性，同時對模擬孤網(wǎng)試驗得到的調節(jié)參數(shù)進一步調整和優(yōu)化，確定最終的孤網(wǎng)運行調節(jié)參數(shù)。

4 三河口水利樞紐工程機組孤網(wǎng)調節(jié)試驗

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

4.1 機組空載擾動試驗

采用試驗尋優(yōu)法，得到三河口水利樞紐工程機組空載穩(wěn)定運行的最優(yōu)調節(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曲線，圖3 b為空載擾動下擾試驗曲線，空載擾動試驗性能指標如表1所示。

表1 空載擾動試驗性能指標

4.2 機組孤網(wǎng)試驗

當水頭在30～55m范圍內時，三河口水利樞紐工程常規(guī)機組以270 r/min的低轉速運行，此時機組與電網(wǎng)柔性聯(lián)接，對水輪機調節(jié)系統(tǒng)而言相當于孤網(wǎng)運行工況。

（1）第一次孤網(wǎng)試驗

根據(jù)上述空載擾動試驗確定的孤網(wǎng)初始調節(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。孤網(wǎng)試驗曲線如圖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)定運行的要求，因此需要對調節(jié)參數(shù)進一步整定和優(yōu)化。

圖4 機組第一次孤網(wǎng)試驗曲線

（2）第二次孤網(wǎng)試驗

針對第一次孤網(wǎng)試驗存在的問題，經(jīng)過仔細分析和反復試驗，發(fā)現(xiàn)孤網(wǎng)PID調節(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，而孤網(wǎng)KI的取值宜稍小一點；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，對調節(jié)參數(shù)進一步整定和優(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)下的試驗曲線，頻率擺動值

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

圖5 機組第二次孤網(wǎng)試驗曲線

5 結論

將變速恒頻發(fā)電控制技術應用于常規(guī)水電機組調速系統(tǒng)中在國內雖屬首次，但是通過試驗研究和分析證明其是完全可行的，這種應用具有非常重要的工程實際意義。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)機組、勵磁、保護與調速問題相互影響，導致調節(jié)過程不穩(wěn)定，甚至振蕩。此時涉及的因素更復雜，后續(xù)可與其它專業(yè)聯(lián)合做一些探討和研究。