小水电自动控制器开机时间的优化

李湛　欧阳本凯　余子健

摘要：小水电作为一种可再生能源，在水利资源丰富地区得到了大量应用，并逐步实现了无人值守的自动化控制，而自动控制器作为其核心技术，在开机过程中启动励磁时频率会下降，而且不同水头的水电站，频率变化率差异较大。针对这两个问题，提出了优化频率调节的措施，分别是在起励的同时增加导叶开度、根据不同的水头自适应调节频率、采用反时限设置导叶控制时间，以更快地调整频率，达到优化开机时间的效果。

关键词：频率调节;开机时间;自动控制器;小水电

0 引言

我国小水电资源丰富，广泛分布于各个省份，其中桂、川、贵、滇、鄂五省的小水电可开发量较大，目前我国小水电装机容量为1亿kW左右，年发电量3 000亿kWh左右，小水电的建设和发展对于节约能源资源、减少温室气体排放、优化能源战略布局和促进地方经济发展等具有重要意义。小水电投资小、周期短、见效快，为解决无电、缺电地区人口用电问题，促进农村经济社会发展和农民脱贫致富做出了历史性贡献[1-6]。

小水电无人值守已成发展趋势，而要实现无人值守的自动控制，关键技术是自动控制器，目前的自动控制器仍存在调整频率时间较长的问题，影响自动开机的速度[7-8]。

本文先介绍小水电的开机过程，再针对自动开机操作时间较长的问题进行分析，并提出自动调整频率的优化措施，从而达到快速开机并网的效果。

1 开机流程分析

小水电自动控制器开机程序如图1所示。调速器触发方式分为水位触发和人工触发。水位触发通过检测水位高度实现，人工触发通过操作把手实现。调速器启动后，导叶打开，逐渐进水，频率上升，接着启动自动励磁装置，电压调整至额定值，这个过程频率会下降，需要继续调整频率。若频率过低，则加大调速器出力;频率过高，则减小出力，直至频率达到额定值。当频率和电压符合要求后进行同期并网，并网成功后，继续调整调速器出力，让水电出力达到目标值[9]。

2 开机优化措施

开机调频过程受励磁影响，在起励后频率会有一定幅度的下降，如果水头较小，单次调节率较低，那么整个频率调节的时间会比较长，开机过程会比较慢[10-11]。为了优化开机时间，本文提出了3种措施。

2.1    措施一：在起励的同时增加导叶开度，以缩短频率调节时间

有学者研究了励磁调节和转速调节之间的相互影响[12-14]，指出励磁调节对转速的影响是存在的，并且得出在发电机端电压有较高稳态电压精度的前提下，励磁调节的影响与电压调节器综合放大系数KV的取值有关。当KV≥10时，变化很小，可以不用考虑此影响;当KV<10时，要考虑此影响。

若电压调节器综合放大系数较小，励磁调节的影响较大，开机时间会更长，则此优化措施的效果更突出[15]。

优化后的开机流程图如图2所示。触发开机后导叶打开，调速器工作，待频率上升到起励频率时启动自动励磁装置，并同时调速，增加开导叶时间，等起励稳定后，检测电压和频率，若满足条件则进行并网操作，开机完成。

2.2    措施二：调速器开导叶的时间根据频率的变化自动调整，实现自适应

水轮发电机组的运动方程式：

式中：Mt为水轮机主动力矩;Mg为发电机阻力矩;J为发电机的惯量常数;ω为角速度。

式中：λ为水的密度;Q为水轮机引用流量;H为水轮机工作水头;η为水轮机效率。

由公式（1）（2）可得，水轮机主动力矩大于发电机阻力矩時，机组转速上升，而水轮机主动力矩又与水轮机引用流量、工作水头和机组效率等参数正相关，且水头和效率一般是不能改变的，只能通过改变水轮机引用流量Q来调节主动力矩Mt，从而调节频率。对于中大型的水轮发电机组，可以通过改变导叶开度来调节水流量;而对于小水电的水轮发电机组，只能通过调整开导叶时间来调节水流量。而且若水头较小，单次的频率变化量就会比较小，那么整个开机过程会比较耗时;若水头较大，则频率上升太快，不易控制，所以本文提出了一种导叶开通时间自适应的优化措施。

假设一般小水电水轮机组开机后调速器一直打开，频率到达精调频率门槛后根据起励之前频率的变化率来自动调整开导叶时间。若频率变化率较大，说明水头较大，则减小开导叶时间;若频率变化率较小，说明水头较小，则增大开导叶时间。

若上一次频率大于50 Hz，经过减速调整后，超调导致频率小于50 Hz，再经过加速调整后，频率又大于50 Hz，那么此时减速阶段自适应，减少减速时间。同样，若下次频率又小于50 Hz需要加速调整，则加速阶段自适应，减少加速时间，以此确保水轮机转速能够快速调整并稳定在50 Hz附近。

优化后的自适应开机流程图如图3所示。触发开机后，调速器打开，当频率升高到一定程度时，启动自动励磁装置，结合优化措施一，起励时给予调速器反馈，电压升高的同时抑制频率下降。当频率上升至精调频率门槛时，开导叶时间根据起励之前的频率变化率自适应调整。若频率变化率过大，则适当减小开导叶时间;若频率变化率过小，则适当增大开导叶时间，即负向调节。最后检测频率，同期并网。

开导叶时间的自适应调整类似一种前馈控制，前馈控制是指通过观察情况、收集整理信息从而掌握规律、预测趋势，正确预计未来可能出现的问题，提前采取措施，将可能发生的偏差消除在萌芽状态中。而本优化措施的自适应控制就是在前面调速的阶段得出频率变化规律，使后面的精调阶段有规可循，从而缩短开机时间，并防止频率上升过快超过额定值造成冲击，达到优化的目的。

2.3    措施三：采用反时限设置导叶控制时间

同步发电机转子机械角加速度与作用在转子轴上的不平衡转矩之间的关系可以用如下方程描述：

由此可得，当水轮机有功缺额ΔP固定时，其角速度与时间为一个二阶方程，在控制发电机调速过程中由此构建一个反时限公式关系，用发电机机端频率代替发电机转速，其反时限特征方程为：

式中：Δf为频率变化率;tp为根据不同水轮机设置的参数，对应发电机的惯性时间常数。

频率接近50 Hz之后，调整导叶开度使得发电机频率稳定在50 Hz附近，如果稳定时间为定时限固定时间，那么当调整导叶开度之后若频率仍在变化，则需要等待固定时间才能再次调整，导致时间难以设置;如果稳定时间为反时限时间，其稳定时间实际上是上述反时限公式中的时间因子tp，而每次调整导叶开度后，等待的稳定时间呈现出反时限特性，若频率持续增大或减小，则立即进入下次调整程序，实际调整控制更快速，适应性更强，鲁棒性更高。反时限特性曲线如图4所示。

3 结语

本文研究了小水电自动控制器的开机流程，针对励磁阶段、频率精调阶段和频率稳定时间，提出了3种优化措施，以缩短开机时间。在启动自动励磁装置时，给予调速器一个反馈，在起励阶段同时调速，以抑制频率的下降;当频率达到精调频率门槛后，根据前面的频率变化规律自适应调整导叶开启时间，减少水头带来的影响，达到优化开机时间的效果;利用反时限控制导叶调节，减少等待延时，快速调整频率。经实际工程应用证明，以上措施可有效缩短水电机组开机时间，有较好的推广应用价值。

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收稿日期：2021-01-27

作者简介：李湛（1983—），男，广东湛江人，工程师，研究方向：自动化控制。