可变速抽水蓄能机组协调控制设计与功能研究

2023-11-01蔡卫江翟进男吴远征

水电与抽水蓄能 2023年5期

贾鑫，蔡卫江，翟进男，于爽，吴远征

［1.河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北省丰宁民族自治县 068350；2.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院）江苏省南京市 211106］

0 引言

随着我国风电、光伏等清洁能源的大规模开发利用，配合新能源消纳的抽水蓄能电站日益增加。可变速抽水蓄能机组能够更好地适应电网需求，其响应速度快，对新型电力系统频率波动、电压变动的抑制效果明显[1]。同时，变转速扩大机组的运行范围，适应不同的运行水头，明显改善了水泵水轮机的水力性能，提高了机组运行的稳定性[2]。变速机组已越来越受到重视，我国已有丰宁抽水蓄能电站安装了2 台单机容量300MW 的可变速机组，四川春场坝、陕西三河口小型可变速抽水蓄能机组已投产发电，其他规划中的还有泰山二期、广东中洞、肇庆等抽水蓄能电站。

变速抽水蓄能机组无论是提高电网安全稳定性还是提高新能源资源利用率，均具有重要意义，但要发挥变速机组的作用，离不开机组转速、功率、效率的优化和调节，由于可变速机组的有功功率可以由交流励磁系统来控制，也可以由调速器控制，功率变化过程中，机组转速还需要与之匹配，这就需要专门的协调单元来分配机组的各项控制目标[3]。协调控制单元是联系可变速机组监控、调速器、励磁的纽带，在机组控制中起到承上启下的作用。由于我国目前还没有大型可变速交流励磁抽水蓄能机组投运，在协调单元功能和设计方面，尚无可循经验，目前主要通过国外已投产的可变速抽水蓄能机组运行和试验经验来研究，如日本大河内400MW 变速抽水蓄能机组[4]，日本盐原、奥清津等[5]，以及通过理论和试验仿真来研究，主要通过国外变速机组的实际运行特性曲线[6]，以及模型运转特性曲线来研究变速抽水蓄能机组的协调控制方法[7]，这里通过近期国家电网有限公司科技项目所研制的大型可变速抽水蓄能机组控制设备样机以及RTDS 试验，对协调控制单元的设计和功能提出建议和思路，对变速机组的转速和功率解耦策略、一次调频算法、不同控制模式的分类以及不同应用场景等展开研究。

1 协调控制单元的功能设计

变速机组协调控制是根据AGC（自动发电控制）有功设定值和机组工作水头，利用机组运转特性曲线实时计算对应的机组优化转速和优化导叶开度，并根据系统频率变化量，自动计算调频功率值，叠加到有功功率设定值上，将优化转速、优化开度、有功设定分别下发给调速器和交流励磁，由交流励磁和调速器共同实现机组有功、无功和转速的调节，以及一次调频调节[8]。协调控制单元一般设计为独立的装置，其主要接口如图1所示。

图1 变速机组协调控制单元输入输出接口示意图Figure 1 Schematic diagram of I/O interface of coordination control unit of variable speed unit

根据图1，其主要功能简述如下：

（1）协调控制器能采集的信号。脉冲量：机组频率、电网频率；模拟量：水泵扬程/水轮机水头、监控LCU 有功设定值、无功设定值；开关量：水轮机方向、水泵方向、转速优先模式（励磁转速闭环，调速器功率闭环）、功率优先模式（调速器转速闭环，励磁功率闭环）、开度模式（调速器开度闭环，励磁转速闭环）。

（2）协调控制器能输出的信号。模拟量：优化转速、优化开度、优化有功给定，每路信号不低于2 路（分别送调速、励磁），无功功率给定（给励磁）；开关量：转速优先模式（励磁转速闭环，调速器功率闭环）、功率优先模式（调速器转速闭环，励磁功率闭环）、开度模式（调速器开度闭环，励磁转速闭环），每路信号不低于3 路（分别送调速、励磁、监控）；装置报警、一次调频动作信号等。

（3）协调控制器能根据机组频率与50Hz 偏差计算一次调频动作功率。

（4）协调控制器能按照水泵水轮机运转特性曲线（水头—开度—出力—转速），根据输入的水头、功率给定，自动计算水轮机的优化开度和优化转速。

（5）协调控制器能按照水泵运转特性曲线（扬程—开度—入力—转速），根据输入的扬程、水泵入力给定，自动计算水泵的优化开度和优化转速。

（6）协调控制器具备一般故障、严重故障信号输出。当协调控制器出现严重故障时，机组应采取必要的停机措施。

2 协调控制单元的性能及指标要求

关于大型可变速抽水蓄能机组协调控制器性能和指标要求，建议，硬件性能方面：

（1）机组协调控制器采用单独的PLC、PCC 或微机测控装置构成，CPU 模块采用双冗余架构。

（2）应具备与电站计算机监控系统通信（MODBUS/TCP IP 通信规约）功能，能接受电站计算机监控系统信号，并向电站计算机监控系统输出信号。

（3）电源回路采用两路直流24V 冗余配置，电源故障时应无扰切换并发出故障信号。

（4）CPU 字长不低于32 位，时钟不低于100MHz，测频模块分辨率不低于0.001Hz，AD 模拟采样不低于14 位，DA模拟输出位数不低于12 位，模拟输入，输出延时均不低于20ms。

（5）协调控制器可以布置在调速器电气柜内，采用调速器供电，也可以考虑布置在监控系统LCU 柜内，由监控系统供电。

指标方面：

（1）当机组水头或扬程发生变化时，或功率给定发生变化时，协调控制器输出转速、开度、功率模拟量应在0.02s 内实时响应。且各模拟量输出精度不低于0.3%。

（2）当系统频率变化超过频率死区±0.005Hz 时，一次调频动作信号应在0.02s 内实时响应。频率变化超过频率死区±0.01Hz 时，协调控制器输出转速、开度、功率模拟量应在0.02s 内实时响应。

（3）协调控制器一次调频功率给定值模拟量输出精度不低于0.2%。

3 可变速机组协调控制方式研究

3.1 转速和有功控制解耦

可变速机组的转速和有功协调是保证机组稳定高效运行的重要条件，但转速调节或功率调节时都存在耦合问题，如发电模式调速器打开导叶调节机组转速时，机组出力也会相应发生变化，交流励磁调节电磁有功时，机组转速也会随之变化，如何解决转速和有功两者之间的耦合也是控制难点之一[9]。目前的解耦方式主要还是交由协调控制单元来处理，一般是根据可变速机组水轮机运转特性曲线水头/出力/开度/转速，水泵运转特性曲线扬程/入力/开度/转速，转换为相应数据表格或拟合成多项式曲线存储后，插值寻找目标最优开度、转速，如图2所示。

图2 根据可变速机组运转特性曲线进行给定值分配示意图Figure 2 Distribution diagram of the given value due to the characteristic curve of variable speed unit

根据上述策略，将可变速机组输入的水头和功率给定转换为导叶开度和转速给定，调速器按照开度给定值进行开度调节，和机组转速、功率反馈信号无关，不受功率、转速耦合的影响，具有较好的解耦特性。但最终功率或转速调节精度可能不够，需要在最后调节过程中进行转速或功率闭环微调补偿。

3.2 一次调频协调及控制模式划分

变速机组不管是在发电工况还是在抽水工况，都具备灵活的一次调频性能，如何实现可变速机组的一次调频和监控系统AGC 配合协调也是控制难点之一[10]。

由于变速机组存在有功和转速的耦合，需要通过协调控制器进行解耦，再交给调速器或励磁调节，而一次调频若交给调速器自身完成，会存在监控AGC 有功调节和一次调频造成的功率变化不一致问题。其次调速器若工作在开度模式或转速模式，则励磁就需要工作在功率模式，一次调频产生的功率变化就很难通过调速器完成。所以，统一由协调控制器来完成解耦及一次调频给定值计算，可以有效解决这些矛盾。参见图3，协调单元包括一次调频计算模块：首先测量机组频率，和额定50Hz 比较获得偏差，再减去人工频率死区得到有效频差，除以调差系数EP获得一次调频功率调整量，和AGC分配的有功给定进行叠加，即可得到最终优化功率给定值。

图3 交流励磁控制转速，调速器控制有功示意图Figure 3 Schematic diagram of AC excitation controlling speed and governor controlling active power

按照协调控制单元对转速给定和有功给定的不同分配，划分可变速机组的三种控制方式。

（1）模式1：交流励磁控制转速，调速器控制有功功率。

这种模式也称为转速优先模式，如图3所示，该模式下调速器控制机组有功功率，交流励磁控制机组转速和无功功率，这种方式一般在发电方式采用较多，也可在抽水方式采用。协调控制单元负责一次调频和功率、转速、开度信息分配。与常规水轮机调速器不同，一次调频放到专门的协调控制单元来分配，且采用前馈方式，即将控制量叠加到功率给定通道，可以避免常规调节功率反馈的影响。其次通过协调单元对转速给定和有功给定值进行分配，交给两个设备分开调节，可保证机组运行在最优转速工况点。

调速器调节功率时分两步实施：首先按照优化开度将导叶调整到目标开度，此时功率会有少许偏差；然后再投入功率闭环，微调功率到目标值，这样可以避开前期导叶大幅调节时功率波动对控制的影响。通过粗调微调相结合，可保证在有功调节过程中，速度快且精度高。

交流励磁调节转速时，要考虑有功功率变化的影响，及时将有功给定和有功反馈偏差，转换为相应的转速给定变化量，再和协调单元的最优转速给定值叠加，调整机组的转速到目标值。

（2）模式2：交流励磁控制有功功率，调速器控制转速。

这种模式也称为功率优先模式，如图4所示，该模式下调速器控制机组转速，交流励磁控制机组有功功率和无功功率，协调控制单元负责一次调频和功率、转速、开度信息分配。一般在发电方式采用较多，也可在抽水方式采用，由于交流励磁控制发电机的电磁功率，可以实现机组有功功率的快速调节，一般0.2s 内可以调节10%的机组额定功率，对于新型电力系统新能源消纳，电网频率波动的快速响应具有良好的调节性能。

图4 交流励磁控制有功，调速器控制转速示意图Figure 4 Schematic diagram of AC excitation controlling active power and governor controlling speed

同样，调速器调节转速分两步实施：首先按照优化开度将导叶调整到目标开度，此时转速会有少许偏差，然后再投入转速闭环，微调转速到目标值，可以避开前期导叶大幅动作时转速波动对控制的影响。交流励磁调节有功功率时，及时将转速给定和反馈的偏差，转换为相应的功率给定变化量，再和协调单元的功率给定值叠加，调整机组的功率到目标值。

（3）模式3：调速器控制开度，交流励磁控制转速或有功功率。

这种模式一般在抽水工况采用较多，如图5所示，该模式下调速器控制导叶开度，交流励磁控制机组有功功率或转速，协调控制单元负责一次调频和功率、转速、开度信息分配。

图5 调速器控制开度、交流励磁控制转速/有功示意图Figure 5 Schematic diagram of governor controlling guide vane opening and AC excitation controlling speed/active power

该模式下调速器控制方式相对较简单，主要接收协调控制单元的优化开度给定，采用开度闭环方式进行调节响应。交流励磁负责有功或转速闭环，采用转速闭环时，控制方式与图3 类似，采用功率闭环时，控制方式与图4 类似。

4 不同控制模式特点及应用

模式2 适用于快速功率调节，即功率优先模式。根据电网频率变化及新能源吸纳要求，可变速机组需要实现快速响应，先由交流励磁快速改变电功率，实现毫秒级向电网提供功率盈亏补偿，再由调速器根据转速变化调节转速到新的平衡点，这种调节响应是常规水电机组无法比拟的，也是变速机组灵活适应电网频率特性的优点。但由于短时内机组电磁功率和机械功率偏差较大，会造成较大扭矩，机组转速波动较大，负荷阶跃调整范围不能太大，不宜超过±10%。如图6所示，单机容量300MW 可变速机组发电工况调节响应RTDS试验波形，负荷从290MW 下调到260MW，功率响应在0.2s，转速波动在4%以上，因此，这种模式比较适用于平时电网频率波动调节，如一次调频动作补偿。按照电网频差最大0.1Hz，调差率4%计算，功率变化为5%，完全在可变速机组快速调节范围内。

图6 模式2 快速功率调节响应仿真波形Figure 6 Simulation waveform of mode 2 of rapid power response

模式1 即转速优先模式，适用于机组大范围负荷正常调节。AGC 调节负荷过程中，机组负荷从0 到100%一般要求1～2min 内完成。由于是调速器控制有功功率，负荷调整时需要先动作导叶，改变流量，转换为水轮机出力，再由发电机转为电功率输出，过程较慢，机械功率和电磁功率偏差较小，转速波动也较小。如图7所示，单机容量300MW 可变速机组发电工况调节响应RTDS 试验波形，负荷从240MW 上调到300MW，功率响应在11s 左右，转速平稳过渡无超调。这种模式比较适用于平时电网AGC 负荷调节。按照图7 仿真试验，整个负荷调节过程（0～100%）大约55s，满足AGC 要求。

图7 模式1 正常功率调节响应仿真波形Figure 7 Simulation waveform of mode 2 of normal power response

模式3 主要用于小型可变速机组，或者运行时间较长的机组，采用调速器开度调节替代功率调节。一般可变速机组的运转特性曲线（水头/开度/出力/转速）模型数据和实际数据还是有一定差距，经过一定时间的机组运行统计数据积累，可以对协调控制单元的存储数据进行修正，确保水泵及水轮机工况下的机组运转特性曲线与实测值在一定误差范围内，即固定水头、固定机组出力下，机组导叶开度和机组转速设定值来自实测数据。这样就可以采用模式3，一般调速器控制开度，交流励磁控制转速，可以简化调速器和励磁的控制程序，保证机组运行在较优工况点，而有功功率基本在允许范围内。

模式1 适用于机组正常调节，模式2 适用于电网需要时快速补偿，两者适用于不同场景，一般可以在电网频率突然上升/下降时采用模式2，当电网频差较大（如±0.1Hz）时进行快速补偿。正常负荷调节及电网小频差（±0.1Hz 内）建议采用模式1。由于调速器是调节导叶，本身过程较慢，励磁调节转速较快，完全可以跟踪上。所以，正常AGC 调节有功功率时，均由调速器实现，当功率稳定时，没有AGC 调节指令时，如果电网频率出现较大偏差（大于±0.1Hz），马上投入（可由监控系统来切换）快速调节模式，切换到励磁调有功功率，调速器调转速，等到补偿调节结束，再恢复到正常模式（调速器调有功功率，励磁调转速）。