绩溪抽水蓄能机组调速系统的现场应用

于红岩，袁鹏展，张海啸

（南瑞集团有限公司，江苏 南京 210000）

收稿日期：2021-06-24

作者简介：于红岩（1985-），男，工程师，从事水轮机调速器的设备研制、项目管理、工程应用等工作。

1 引言

根据“十四五”规划，风电、光伏等可再生能源的比重将快速增加[1]，这将加大电力系统的不稳定性，为了确保电力系统的稳定运行，抽水蓄能作为可再生储能方式，将发挥重要作用。抽水蓄能是以新能源为主体的新型电力系统的重要组成部分，抽水蓄能电站利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站，可将电网负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期的高价值电能，运行灵活、反应快速，能够适应负荷快速变化，具备调峰、填谷、调频、调相和事故备用等多种用途，对提高电力系统安全稳定运行水平、电网供电质量和可靠性具有重要作用，有效避免“弃风、弃光”现象发生，被誉为“绿色充电宝”[2]。

近年来，国家电网公司高度重视抽水蓄能发展，已建成抽蓄电站22座，在运、在建装机规模达6 229万kW，“十四五”期间目标是新增开工2 000万kW以上。南瑞集团依托自身优势，强化核心技术攻关,以技术创新破新能源消纳难题，研制监控系统、励磁系统、调速系统、变频启动系统（SFC）、保护系统等关键设备，在多个抽蓄电站实施应用，形成抽蓄二次系统设备产业化发展，相关产品打破国外垄断，成为该行业的领跑者。以下主要介绍安徽绩溪抽水蓄能电站调速器系统的主要应用情况。

2 调速器系统概述

抽水蓄能电站调速系统设备组成与常规水电机组调速系统基本相同，主要包括调速器电气控制柜、机械液压操作柜、主配压阀及其电液随动控制系统、油压装置及其控制柜、分段关闭装置（阀）、事故配压阀、接力器等[3]。作为调速器系统的核心，电气控制柜采集抽水蓄能机组的导叶开度、有功功率、转速、水头等信息，通过控制流程和程序计算出相应的导叶开度给定，并转换成相应的电气量输送到液压操作柜。液压操作柜主要配置比例伺服阀放大器和手动增减、停机等操作回路，主要将电气控制柜信号进行传递和放大，并对液压系统进行各种控制操作。液压随动系统主要配置了比例伺服阀和主配压阀，主要对电气控制柜信号进行电液转换，并进行液压放大。事故配压阀主要在调速系统电气或液压随动系统失灵时，能够紧急关闭导叶。分段装置根据调保计算值整定，实现一段或二段关闭。油压装置主要包括压力罐和回油箱及其附属自动化元件，主要为调试系统提供工作油压；油压装置控制柜主要功能是通过对油泵的启停控制和自动补气控制来维持压力罐的油压稳定和合理的油气比[4]。

3 现场应用情况

从2020年1月至2021年2月,绩溪抽水蓄能电站实现6台机组全部投产，自首台机组投入商业运行以来，调速系统稳定、可靠，为机组运行提供了强力保障。下面就绩溪1号机组现场试验情况进行介绍，以备后期对该系统的现场实际性能做参考。

3.1 导叶扰动试验

该系统在具备无水试验的条件下，进行了导叶扰动试验，分别进行了1%、5%、30%等各个梯级段的导叶扰动试验，如图1所示。从实验结果看，调速器无论是1%的小扰动还是15%大扰动，调速系统的扰动均可靠、稳定，主配压阀的精度高，对比DL/T 1549-2016《可逆式水泵水轮机调节系统技术条件》,满足导叶开度设定值与导叶电气反馈值偏差小于0.4%的要求，动态响应速度快、灵敏度高，能满足能调速系统的开机、空载、并网等各项调节的要求[5]。

图1 导叶扰动试验录波曲线

3.2 空载扰动及自动开机试验

绩溪抽水蓄能电站空载扰动试验，前后进行了多次试验，分别对A机和B机进行了±1 Hz、±2 Hz、±4 Hz等空载扰动试验项目，如图2所示。PID参数也进行了多组选择，通过现场分析和对比，选择了最优的PID调节参数（Kp=0.4,Ki=0.2,Kd=1），额定水头工况下行，机组处于手动状态，测得3 min内空载摆动为±0.15%。参数选定后，投入自动，空载转速摆动稳定在±0.14%范围，优于DL/T 1549-2016规定的±0.2%。从机组自动开机录波（见图3）可以看出，调速器分三段开机：第一段，导叶以1.5 %/s的速度增加至理论空载开度的4/5；频率达到35 Hz后，导叶以1.5 %/s的速度增加至理论空载开度；等频率达到49 Hz，进入空载调节，投入PID控制。整个过程转速上升平稳，几乎没有超调量，机组振动较小，约80 s转速稳定到额定，满足抽水蓄能启动及迅速并网要求。

图2 机组空载摆动试验

图3 机组自动开机试验

3.3 一次调频试验

当机组发电运行时，机组频率跟随电网频率。电网正常运行时频率在50 Hz附近小幅波动，频差较小。电科院采用仿真仪输出仿真频率进行试验，通过修改电气调节柜内部控制逻辑为试验程序，在软件中实现频率偏差的模拟。

现对绩溪抽水蓄能电站1号机组的一次调频试验结果做简要分析。1号机组在165 MW时，分别进行±0.1 Hz、±0.15 Hz、±0.2 Hz的一次调频扰动试验，频差信号产生后15 s内机组处理响应均满足要求变化处理的90%以上；频差信号产生45 s内，机组实际出力与机组响应目标偏差的平均值，均在机组额定有功处理的±2%以内；频差信号产生后，功率响应滞后实际2 s以内。以上数据均满足DL/T 1549-2016的相关规定。

通过图4、图5录波数据可以看出，绩溪1号机组的一次调频响应数据均满足DL/T 1549-2016的相关规定。

图4 165 MW高水头、-0.15 Hz一次调频响应曲线

图5 165 MW高水头、0.15 Hz 一次调频响应曲线

3.4 甩负荷试验

绩溪抽水蓄能电站甩负荷试验在各负荷下，每台机组进行了4次，其中甩25%额定负荷时接力器不动时间测得0.19 s（国标规定不超过0.2 s）。图6中可以看出，甩负荷试验里调速器控制还是比较理想的，各项指标均优于国标规定（调节次数小于2次，调节时间小于40 s）。

图6 机组25%甩负荷试验

通过现场试验和运行验证，绩溪抽水蓄能电站调速系统质量可靠、功能完善、运行稳定，具有很好的静态特性和动态特性，各项指标都达到或优于国标，为绩溪抽水蓄能电站机组安全稳定运行提供了可靠的保障。

4 结束语

绩溪抽水蓄能电站调速系统采用了南瑞自主开发的调速器系统，配合阿尔斯通主配，构成了一个完整的调速系统。从试验数据看，该系统各项数据指标均满足设备运行需要。国产抽水蓄能机组近年来发展比较迅速，希望绩溪电站的投运能为抽水蓄能电站的完全国产化提供工程经验。