琅琊山抽水蓄能电站机组调速器控制策略研究

秦晓康，熊续平，王大强，张 雷

（华东琅琊山抽水蓄能有限责任公司，安徽省滁州市 239000）

琅琊山抽水蓄能电站机组调速器控制策略研究

秦晓康，熊续平，王大强，张 雷

（华东琅琊山抽水蓄能有限责任公司，安徽省滁州市 239000）

本文阐述了琅琊山抽水蓄能电站调速器系统在各种工况下不同的控制策略，介绍了抽水蓄能机组的导叶紧急关闭和分段关闭装置的设计。

调速器；紧急关闭；分段关闭装置

0 引言

随着清洁能源的迅猛发展和坚强智能电网的加快建设，用于灵活调峰的抽水蓄能将迎来新的发展。抽水蓄能电站作为当前技术最成熟、最经济、不可替代的大规模储能装置，迎来了重要的发展战略机遇期。现在的抽水蓄能电站设备已逐步国产化，琅琊山抽水蓄能电站的设备主机为全套奥地利进口，调速器系统设备设计逻辑合理可靠，值得国产设备的借鉴。

琅琊山抽水蓄能电站位于安徽省滁州市，为安徽省“十五”重点能源项目，电站枢纽主要有上水库、输水系统、地下厂房、下水库和地面开关站五部分组成。电站装设四台15万kW单级可逆式抽水蓄能机组，总装机容量60万kW。电站工程总投资23.33亿元，2002年12月2日正式开工，2007年9月25日四台机组全部并网发电，在电网中主要担任调峰填谷、调频调相、事故备用等任务。调速器系统设备整体为奥地利安德里茨公司进口，设备设计科学合理，投产近10年来调速器系统运行稳定可靠。下面就机组启动、停机等各种工况下，调速器控制策略的研究做一介绍。

1 总体逻辑框图

琅琊山电站水轮机调速器的控制模式如图1所示。由于是抽水蓄能机组，机组工况较多，机组的控制包含有频率控制SPC、开度控制OPC、功率控制POC、水泵开度控制OCP、调相控制模式CSR等5种控制模式，在程序内部为平行结构模块。通过选择功能块SEL来选择确定某一具体运行控制模式，其程序计算出的信号经过开限功能块OPL传至导叶定位功能块WPO，最终实现对水轮机导叶开度的控制。

调节规律采用固定式参数PID调节规律，根据工况的不同，在调速器的调节过程中，具有频率控制、孤网运行、并网运行三套参数，以实现机组在不同工况下的调节品质的改善。

2 机组工况转换控制

2.1 水轮机工况启动控制策略

琅琊山电站调速器采用分段开机控制规律，在机组机械制动退出之后，水轮机由导叶间隙之间的漏水量将机组渐渐冲转起来，在机组转速小于5%期间没有投入任何控制模式，在这期间，转速控制的目标值一直跟踪当前开度，转速控制模式的开度设定也在跟踪当前的接力器开度值，使得在需要投入时可以无扰动切换。在机组转速大于5%之后，转速控制模式有效，PID调节投入，这时目标值为100%，与实际值5%相差较大，转速控制模式计算出的开度较大，由于这时调速器的开限小于转速控制模式计算出的开度，所以通过比较逻辑输出为启动开度，启动开度是机组水头的函数，其对应关系如图2所示。

调速器以5%/s的速率将导叶开启到启动开度，并保持这一开度保持不变，这时机组的转速迅速上升。随着机组转速上升，转速控制模式计算出的导叶开度在减小，当转速升到设定值90%时，转速控制模式计算出的导叶开度小于启动开度，导叶开始渐渐关闭至空载开度，并在空载开度附近不断调整，防止转速出现超调。一般认为在PID投入过早时，90%转速到额定还有一个较长的过程，此时转速偏差一直为正，积分宜累计过大直至饱和，机组易产生转速过冲和多次回调。从琅琊山电站机组的开机规律可见，启动时基于水头协联的启动开度限制，使得初始开度并不会很大，这样可以有效避免转速过冲和多次回调等问题的出现。

一般当导叶从较大的启动开度突然降到较小的空载开度时，会引起水压的较大变化，使管路产生较大的水力振荡，不利于机组的稳定运行。针对此问题，琅琊山电站调速器系统在转速PID控制模式中引入了前馈补偿控制，当压力钢管的水压有正的变化率时，补偿增大导叶开度，减小压力，当压力钢管压力有负的变化率时，补偿减小导叶开度，增大压力，可以有效抑制水力振荡的效应。

在机组成功并网之后导叶开限值开始放开，为了防止非同步导叶MGV故障时蜗壳内的水力波动及引起的振动等异常发生，调速器在非同步导叶MGV同步之前，开限设定为25%，当非同步导叶MGV成功同步之后，开限才逐步放开到90%的额定开度。图3为发电开机工况曲线图。

2.2 发电工况稳态运行控制策略

发电稳态工况下，一般有两种控制模式：功率控制和开度控制。正常一般并网之后默认选择功率控制，当功率变送器故障时，会转变为开度控制。下面分别就这两种控制模式进行逐一介绍。

2.2.1 功率控制模式

机组并网之后，调速器选择功率控制模式，在机组并网情况下，由于调频的作用，对于功率值的超前控制作用无实际意义，所以选用PI调节器。功率控制模式下，目标功率值由两部分相加组成：功率设定值PSP和一次调频补偿功率值FPD。

（1）功率设定值PSP：从同期装置或调速器触摸屏人机界面发来的增减功率信号，或者从监控系统发来的外部设定值信号，按照固定的增减速率达到设定值。当不在功率模式下或在功率模式下且当前CPU为备用时，预设功能有效，直接赋值。前者跟踪当前功率传感器的功率值，后者跟踪主用CPU，以便在控制模式切换或主用CPU故障时无扰动切换。

（2）一次调频补偿功率值FPD：频差值除以转差系数再乘以额定功率常数，即

然后经过±15MW的幅度限制，也就是一次调频补偿功率最大值不超过±15MW。逻辑图如图4所示。

目标功率值经过升降速率（在功率值小于90MW时为6.12MW/s，大于90MW时为0.222MW/s）处理后送PI调节器处理。PI调节器为平行结构，两个环节的量相互独立叠加在一起作用。目标功率与当前实际功率比较，得出的差值进入PID环节算法处理输出导叶的开度设定值。在当前CPU备用或者功率控制模式无效时，输出导叶的开度设定值直接跟踪当前的导叶开度值，进行无扰动切换。

为了防止水头波动情况下造成的功率波动，功率控制也引入了前馈补偿控制FWD，在相同的功率下，当水头越高时，前馈补偿值越小；当水头越低时，前馈补偿值越大。图5为前馈补偿控制规律。

2.2.2 开度控制模式

在开度控制模式下，导叶设定值也由两部分组成：开度设定值OSP和一次调频补偿开度值FOD。

（1）开度设定值OSP：在开度控制模式下，从同期装置或调速器触摸屏人机界面发来的增减开度信号，或者从监控系统发来的外部设定值信号，直接按照固定的增减速率进行设定。当不在开度模式下或在开度模式下且当前CPU为备用时，预设功能有效，直接赋值。前者跟踪当前开度传感器的开度值，后者跟踪主用CPU，以便在控制模式切换或主用CPU故障时无扰动切换。

（2）一次调频补偿开度值FOD： 频差值除以转差系数就是一次调频补偿开度值，即

上面得到的导叶设定值，再与另一个值比较，取较小值。这个值是经过水头限制的开度减去一次调频作用的量得到的数值。最后，再用这个值再加上一次调频作用的量输出。

2.3 发电工况停机控制策略

发电工况停机时，励磁系统将无功减到最小值之后，调速器由功率控制转为开度控制模式。按照固定的速率将导叶开度关闭至0，然后GCB断开。机组转速下降，在低于50%之后投入电气制动，低于2%之后投入机械制动。正常发电停机时，分段关闭装置虽然会正确动作，但却不会起到分段关闭的作用。这是由于电调发出的控制命令使得导叶关闭速率很慢，相当于主配压阀的开度很小，即使主配压阀下游侧的分段关闭电磁阀动作，也不会对主配压阀的过流量造成影响，所以，正常停机过程中关闭速率是不会变化的，只有在事故情况下，主配压阀的开度和过流量很大时才会体现出分段关闭的作用。图6为正常发电工况停机曲线图。

2.4 水泵工况启动控制策略

SFC工况启动时，调速器按照固定的速率将导叶开启到协联的开度值。这个协联的开度值是根据限制之后的水头和死区后的频率确定出来的。水头越高、频率越低，开度越小；水头越低、频率越高，开度越大。图7为不同网频时水泵开度与机组水头关系曲线图。

协联开度值作为预设值送给设定值模块，在水泵开度控制模式有效时，按照2%/s的速率进行设定。当水头协联开度设定值与当前接力器开度设定值之差小于0.2°，则输出设定值达到有效的信号。

BTB启动时，拖动机导叶开度要足够大，以保证发电机的机械转矩大于发电机的摩擦阻力矩；但发电机机械转矩过大，会导致发电机与电动机脱开而单独加速，造成启动失败。所以拖动机导叶启动开度的大小是背靠背启动成功的重要因素。另外，导叶开启速率对能否成功启动也有影响，导叶开启速率不能过小，因为水轮机的推力轴承不允许长期低速运行，当转速较低时，推力轴承中轴瓦上不能形成油膜，干摩擦损坏轴瓦；同时，导叶开启速度也不能过大，因为导叶开启速度越快，启动电流越大，启动就越不稳定。因此，为了保证抽水蓄能机组背靠背启动成功，在调速器控制软件中要对拖动机确定合适的启动开度，并设定导叶的开启速率。琅琊山电站机组作为拖动机时工作在孤网模式下，选择转速调节模式，以当前的电网频率作为设定的目标值，启动开度为8°。

2.5 抽水工况稳态运行控制策略

当出现调速器内部水泵工况启动令时，按照20°作为预设值输出，但是调速器内部水泵工况启动令并不能保持多长时间，只要开限最小值（-5%）一消失，内部水泵工况启动令就会消失。内部水泵工况启动令信号消失后，水头协联的开度值就成了预设值。预设值按照2%/s的速率变化输出。如果运行期间有通过人机界面送来的加减开度的信号，则按照0.5deg/s的速率调节变化。

2.6 抽水工况停机控制策略

机组停机令发出后，励磁无功调节投入，水泵模式消失，调速器泵—水轮机限制有效。调速器按照2%/s的固定关闭速率将导叶关闭至0，然后GCB断开。图8为抽水工况停机曲线图。

2.7 调相工况运行控制策略

机组调相时，调速器将导叶固定在某一个固定的开度保持不变，不进行调节。当调相模式无效时，跟踪当前导叶开度；当调相模式有效时，如果在水泵转向，则导叶开度目标设定值dv为1.5%；如果在水轮机转向，则导叶开度目标设定值dv为-5.0%。

3 导叶紧急关闭与分段关闭装置

事故情况紧急关闭时，如图9所示，电磁阀+MG20-Y01动作，电磁阀油路切换至平行位，紧急关闭滑阀1702上腔接通压力油，下腔接通回油，滑阀换位，上油孔接通压力油，下油孔接通回油。这样的话，辅助接力器的上腔联通了压力油，下腔联通了回油，主配压阀的阀芯下移至极限全关位置，完全不受引导阀和反馈杠杆的控制影响，导叶以最快速度关至全关位置。

导叶关闭为二段关闭规律，第一阶段：分段关闭控制电磁阀+MG20-Y02未动作，插装阀3203上腔接通回油，3202和3203均可以在回油的压力迫使下开启，以快速规律关闭；第二阶段：分段关闭控制电磁阀+MG20-Y02动作，油路换位，插装阀3203上腔接通压力油，3203关闭，3202在回油的压力迫使下开启，相当于回油回路的流通面积减小，导叶以慢速规律关闭。

发电工况和抽水工况停机时采用的是同一套分段关闭装置，只是投入的拐点不同：发电工况停机时在大于60%开度时为快速关闭，低于60%开度时分段关闭电磁阀动作，为慢速关闭；抽水工况停机时在大于30%开度时为快速关闭，低于30%开度时为慢速关闭。

4 结束语

调速器系统是抽水蓄能机组的重要组成部分，本文主要介绍了琅琊山抽水蓄能电站调速器系统在发电、抽水、调相等不同工况下的控制策略，并对导叶紧急关闭和分段关闭装置的设计做了阐述。本文可为大中型抽水蓄能电站调速器系统运行维护及国产化设备设计、研制提供相关借鉴。

[1]蔡卫江，等．大型抽水蓄能机组启动及紧急关闭调速器控制策略研究及实现，抽水蓄能电站工程建设论文集，2015，225-229．CAI Weijiang，et al． Research and Implementation of Control Strategy for Starting and Emergency Shutdown Governor of Large Pumped Storage Unit，Proceedings of Construction of Pumped Storage Power Station，2015，225-229．

[2]魏守平．现代水轮机调节技术[M]．华中科技大学出版社，2001．WEI Shouping． Modern Technology of Hydraulic Turbine Regulation[M]． Huazhong University of Science and Technology Press，2001．

[3]金玉成，刘国富．一种适用于抽水蓄能机组的微机调速器设计[J]，工艺设计改造及检测检修，2014，20：93．JIN Yucheng，LIU Guofu． Design of a Microcomputer Governor for Pumped Storage Units[J]． Process Design Modification and Inspection and Maintenance，2014，20：93．

2016-10-03

2017-03-10

秦晓康（1986—），男，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站机械设备运行、维护与检修。E-mail：qin_xiaokang@sina．com

熊续平（1979—），男，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站运维管理。E-mail：xiongxuping@sgcc．com．cn

王大强（1982—），男，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站运维管理。E-mail：wangdaqiang@sgcc．com．cn

张 雷（1980—），男，高级工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站机械设备检修维护。E-mail：zhanglei@sgcc．com．cn

Study on Control Strategy of Unit Governor of Langyashan Pumped Storage Power Station

QIN Xiaokang，XIONG Xuping，WANG Daqiang，ZHANG Lei
（Huadong Langyashan pumped storage Co., Ltd., Chuzhou 239000，China）

This paper describes the different control strategiesofgovernor systemunder various conditions in Langyashan pumped storage power station，the design of the emergency shutdown and the closing device of the guide vane is described.

governor；emergency shutdown； closing device of the guide vane

TV72

A学科代码：570．15

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．020