全功率变速抽水蓄能机组变速变功率协同控制策略研究

姜海军，戎 刚，史华勃，单鹏珠，陈善贵，陈 刚

［1．南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，江苏省南京市 211106；2．国网四川省电力公司电力科学研究院，四川省成都市 610095；3．安徽绩溪抽水蓄能有限公司，安徽省宣城市 245300］

0 引言

抽水蓄能电站具有调峰、填谷、调频、调相及事故备用等功能，是当前解决电力系统调峰问题以及确保电力系统安全稳定运行的最为经济有效的手段之一[1]。

与定速抽水蓄能机组相比，变速抽水蓄能机组具有抽水工况有功功率及转速可调节，发电工况运行效率更高，功率调节速度快，满足电力系统连续、快速、准确进行频率调节和调整有功功率的要求等优点，已在国外得到广泛应用，我国也开始应用[2、3]。

变速抽水蓄能机组主要有两种方式，一种是双馈型变速抽水蓄能机组，一种是全功率型变速抽水蓄能机组，当前对双馈型变速抽水蓄能机组控制系统的关键技术开展了大量研究[4-8]，但对全功率型变速抽水蓄能机组控制系统的关键技术研究较少[9-10]，特别是全功率变速抽水蓄能机组有功功率与转速协同控制的研究甚少[11]。

全功率变速抽水蓄能机组变流器和调速器都可以调节机组有功功率和转速，存在相互影响需要协调控制问题。本文针对全功率变速抽水蓄能机组有功功率与转速之间的协调控制问题，提出了一种全功率变速抽水蓄能机组变速变功率协同控制策略，研制了全功率变速抽水蓄能机组协同控制器样机，并搭建了RTDS仿真试验平台，对全功率变速抽水蓄能机组变速变功率协同控制策略进行了仿真试验验证。

1 全功率变速抽水蓄能机组组成

全功率变速抽水蓄能机组主要由水泵水轮机、发电电动机、变流器、调速器、励磁系统、协同控制器、监控系统等组成，系统结构如图1所示。全功率变速抽水蓄能机组通过变流器与电网连接，发电时，将机组发出的电压、频率不同的电能，经过交/直/交变换后，变成与电网电压、频率相同的电能，输入电网；抽水时，将电网的电能，经过交/直/交变换后，变成电压、频率不同的电能，输入机组，实现变速变功率运行。

图1 全功率变速抽水蓄能机组组成Figure 1 Composition of full power variable speed pumped storage unit

2 协同控制问题

全功率变速抽水蓄能机组变流器控制发电电动机三相定子电压/电流可以调节机组有功功率和转速，调速器控制水泵水轮机导叶开度也可以调节机组有功功率和转速，存在相互影响，引发有功功率与转速振荡，导致机组无法运行。为此需要设置协同控制器，负责协调变流器和调速器之间的有功功率与转速控制。

3 协同控制策略

变流器控制定子电压/电流调节机组有功功率和转速，属于电气量控制，具有速度快的优势，而调速器控制导叶开度调节机组有功功率和转速，属于机械量控制，速度慢。根据变流器和调速器调节机组有功功率和转速的特点，本文提出了一种全功率变速抽水蓄能机组变速变功率协同控制策略，即：监控系统下发有功功率指令和无功功率指令给协同控制器，协同控制器根据有功功率指令和水头测值，计算出最优转速和最优导叶开度，然后将有功功率指令、无功功率指令、最优导叶开度指令和最优转速指令下发给变流器和调速器，变流器控制三相定子电压/电流实现机组有功功率和转速的细调，调速器控制机组导叶开度实现机组有功功率和转速的粗调，从而实现全功率变速抽水蓄能机组变速变功率协同控制。协同控制策略如图2所示。

图2 全功率变速抽水蓄能机组变速变功率协同控制策略Figure 2 Coordinated control strategy of full power variable speed pumped storage unit

4 协同控制器样机

根据上述协同控制策略，我们采用南瑞N500系列可编程逻辑控制器研制了全功率变速抽水蓄能机组协同控制器样机，主要由电源模块、CPU模块及I/O模块组成，如图3所示，其中：电源模块PSM0501提供工作电源，CPU模块CPU5021负责数据处理和运算功能，并通过网口与人机界面和监控系统通信，开关量输入模件DIM3201负责开关量输入信号采集，模拟量输入模件AIM0801负责模拟量输入信号采集，开关量输出模件DOM3201负责开关量信号输出，模拟量输出模件AOM0403负责模拟量信号输出。

图3 全功率变速抽水蓄能机组协同控制器Figure 3 Coordinated controller of full power variable speed pumped storage unit

5 协同控制仿真试验

为了验证全功率变速抽水蓄能机组变速变功率协同控制策略，本文搭建了全功率变速抽水蓄能机组控制系统RTDS仿真试验平台（如图4所示），变流器、调速器、协同控制器和监控系统为实体样机，全功率变速抽水蓄能机组仿真模型建立在RTDS机柜中，对全功率变速抽水蓄能机组变速变功率协同控制策略进行仿真试验验证。

图4 全功率变速抽水蓄能机组仿真试验平台Figure 4 Simulation platform of full power variable speed pumped storage unit

本文以春厂坝全功率变速抽水蓄能机组为研究对象，开展全功率变速抽水蓄能机组变速变功率协同控制策略仿真试验，机组参数为：水泵水轮机正常出力范围为2.657～6.7 MW，水头范围130～165m，转速调节范围791.8～1003.3 r/min，导叶开度范围10.0°～35.5°；水泵水轮机正常入力范围为5.55～6.7 MW，扬程范围159.8～165m，转速调节范围1005～1030r/min，导叶开度范围18.0°～30.0°，机组发电/抽水工况特性曲线分别如图5、图6所示。

图5 全功率变速抽水蓄能机组发电工况特性曲线Figure 5 Characteristic curve under generating condition of full power variable speed pumped storage unit

图6 全功率变速抽水蓄能机组抽水工况特性曲线Figure 6 Characteristic curve under pumping condition of full power variable speed pumped storage unit

5．1 发电工况协同控制仿真试验

全功率变速抽水蓄能机组发电工况开机过程为：首先，启动机组辅助设备，待机组辅助设备启动后，开启进水蝶阀，当进水蝶阀全开后，启动调速器发电开机，调速器控制机组从静止升速到当前水头空载转速；接着，启动励磁建压，待机组电压升到当前水头空载转速对应的电压后，启动变流器发电运行，变流器合上机侧开关，控制机侧变流器发脉冲，使机组发电运行；然后，监控系统设定机组有功功率和无功功率给协同控制器，协同控制器计算出对应的最优转速和最优导叶开度，下发给变流器和调速器，分别控制发电电动机三相定子电压/电流和水泵水轮机导叶开度，进行发电工况有功功率与转速的协同控制。

全功率变速抽水蓄能机组发电工况有功功率与转速协同控制有两种方式，分别为：变流器控制转速和调速器控制有功功率方式、变流器控制有功功率和调速器控制转速方式，下面分别对这两种方式进行RTDS仿真试验。

5.1.1 变流器控制转速和调速器控制有功功率方式

在变流器控制转速和调速器控制有功功率方式下，水头158m不变，监控系统有功功率设定值从6.3MW降到3.5MW，再从3.5 MW升到6.3MW，协同控制器计算出对应的最优转速由983r/min降到873r/min，再从873r/min升到983r/min，最优导叶开度由66.1%减小到31.9%，再从31.9%增大到66.1%，变流器根据转速设定值控制三相定子电压/电流进行转速调节，调速器根据有功功率设定值控制机组导叶开度进行有功功率调节，转速调节时间为20s，有功功率调节时间为22s。试验波形如图7所示。

图7 发电工况变流器控制转速和调速器控制有功功率方式变速变功率试验波形Figure 7 Test waveform of converter control speed and governor control power mode under generating condition

5.1.2 变流器控制有功功率和调速器控制转速方式

在变流器控制有功功率和调速器控制转速方式下，水头158m不变，监控系统有功功率设定值从6.0MW降到5.5MW，再从5.5 MW升到6.0MW，协同控制器计算出对应的最优转速由968r/min降到941r/min，再从941r/min升到968r/min，最优导叶开度由61.1%减小到52.1%，再从52.1%增大到61.1%，变流器根据有功功率设定值控制三相定子电压/电流进行有功功率调节，调速器根据转速设定值控制机组导叶开度进行转速调节，有功功率调节时间为0.2s，转速调节时间为48s。试验波形如图8所示。

图8 发电工况变流器控制有功功率和调速器控制转速方式变速变功率试验波形Figure 8 Test waveform of converter control power and governor control speed mode under generating condition

从发电工况变速变功率试验波形，可以看出：变流器控制有功功率和调速器控制转速方式下，有功功率具有阶跃调节能力，但机组转速调节相对缓慢，持续时间48s，且可能会出现转速振荡；变流器控制转速和调速器控制有功功率方式下，机组转速调节迅速，利于最优转速控制，但有功功率调节相对较慢，持续时间22s，不具备有功功率瞬时阶跃调节能力。因此，推荐机组发电工况变速变功率协同控制策略为：机组发电工况启停过程采用变流器控制转速和调速器控制有功功率方式，待有功功率稳定后，可切换至变流器控制有功功率和调速器控制转速方式，兼顾机组高效稳定运行，并具备快速功率调节能力。

5．2 抽水工况协同控制仿真试验

全功率变速抽水蓄能机组抽水开机过程为：首先，启动机组辅助设备，待机组辅助设备启动后，开启进水蝶阀，当进水蝶阀全开后，启动励磁，发变流器抽水启动令，变流器合上机侧开关，控制机侧变流器发脉冲，拖动机组从静止升速到造压转速，当机组造压压力达到后，启动调速器抽水开机，调速器开启导叶；然后，监控系统设定机组有功功率和无功功率给协同控制器，协同控制器计算出对应的最优转速和最优导叶开度，下发给变流器和调速器，分别控制发电电动机三相定子电压/电流和水泵水轮机导叶开度，进行抽水工况有功功率与转速的协同控制。

全功率变速抽水蓄能机组抽水工况有功功率与转速协同控制有两种方式，分别为：变流器控制转速和调速器控制有功功率方式、变流器控制转速和调速器控制导叶开度方式，下面分别对这两种方式进行RTDS仿真试验。

5.2.1 变流器控制转速和调速器控制有功功率方式

在变流器控制转速和调速器控制有功功率方式下，水头162m不变，监控系统有功功率设定值从-5.6MW升到-6.0 MW，再从-6.0 MW降到-5.6MW，协同控制器计算出对应的最优转速由1003r/min升到1013r/min，再从1013r/min降到1003r/min，最优导叶开度由51.6%减小到41.9%，再从41.9%增大到51.6%，变流器根据转速设定值控制三相定子电压/电流进行转速调节，调速器根据有功功率设定值控制机组导叶开度进行有功功率调节，转速调节时间为4s，有功功率调节时间为22s。试验波形如图9所示。

图9 抽水工况变流器控制转速和调速器控制有功功率方式变速变功率试验波形Figure 9 Test waveform of converter control speed and governor control power mode under pumping condition

5.2.2 变流器控制转速和调速器控制导叶开度方式

在变流器控制转速和调速器控制导叶开度方式下，水头160m不变，监控系统有功功率设定值从-6.5MW降到-5.0 MW，再从-5.0 MW升到-6.5MW，协同控制器计算出对应的最优转速由1030r/min降到1003r/min，再从1003r/min升到1030r/min，最优导叶开度由75.0%减小到43.9%，再从43.9%增大到75.0%，变流器根据转速设定值控制三相定子电压/电流进行转速调节，调速器根据导叶开度设定值控制机组导叶开度，导叶开度调节时间为3s，转速调节时间为9s，有功功率调节时间为9s。试验波形如图10所示。

图10 抽水工况变流器控制转速和调速器控制导叶开度方式变速变功率试验波形Figure 10 Test waveform of converter control speed and governor control guide vane mode under pumping condition

从抽水工况变速变功率试验波形，可以看出：变流器控制转速和调速器控制有功功率方式下，机组转速调节迅速，但有功功率调节相对缓慢，持续时间22s；变流器控制转速和调速器控制导叶开度方式下，机组导叶开度调节迅速，机组转速和有功功率调节快，利于机组高效稳定运行。因此，推荐机组抽水工况变速变功率协同控制策略采用变流器控制转速和调速器控制导叶开度方式。

6 结语

本文针对全功率变速抽水蓄能机组有功功率与转速之间的协调控制问题，提出了一种全功率变速抽水蓄能机组变速变功率协同控制策略，研制了全功率变速抽水蓄能机组协同控制器样机，并搭建了仿真试验平台，对全功率变速抽水蓄能机组变速变功率协同控制策略进行了仿真试验验证，试验结果表明：协同控制策略正确，能够满足工程应用需求，发电工况变速变功率协同控制策略推荐采用变流器控制转速和调速器控制有功功率方式，待机组有功功率稳定后，可切换至变流器控制有功功率和调速器控制转速方式，兼顾机组快速功率调节能力和高效稳定运行；抽水工况变速变功率协同控制策略推荐采用变流器控制转速和调速器控制导叶开度方式，机组转速和有功功率调节快，利于机组高效稳定运行。