可变速抽水蓄能机组调速器的控制策略.pdf

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1、万方数据专栏——水电厂自动化可变速抽水蓄能机组调速器的控制策略蔡卫江，许栋，徐宋成，何林波(国网电力科学研究院／南京南瑞集团公司，江苏省南京市210003)摘要：可变速机组由于其转换效率高、适应水头和出力范围宽、调节性能优越等特点越来越受到研究重视。本文从可变速机组的系统组成、调节原理出发，针对机组水泵、水轮机不同工况，提出了机组效率寻优、功率调节、一次调频控制、调速励磁的联合控制等方面的控制策略，对于可变速机组的控制调节做出了一些有益探索，可供大型抽水蓄能电站可变速机组的控制研究提供一定参考。关键词：可变速抽水蓄能机组；效率寻优；一次调频；协联控制；

2、控制策略中图分类号：TV734．4文献标识码：A学科代码：570．30DOI：10．3969／j．issn．2096—093X．2017．02．013O引言随着蓄能机组技术的发展，水轮机的振动、空蚀、泥沙磨损以及运行效率问题越来越受重视。为提高水轮机的运行效率，增加系统的稳定裕度，需让水轮机组变速运行。常规发电电动机运行于恒速恒频方式，水泵水轮机选择转速通常只能偏离水泵运行工况和水轮机工况的最高效率点使两者综合效率最高，其运行工况单值决定于水头和负荷。而采用交流励磁的可变速电机能扩大水泵水轮机运行水头与扬程比范围并获得最佳性能指标⋯，于是可变速抽水蓄能

3、电站机组应运而生。抽水蓄能电站的可变速机组的变速方式大体分为两种，一种是分档调速(一般为两档)，包括变极变速和双转子双定子转速；另一种是连续调速，包括定子侧变频调速和变频交流励磁调速，目前应用较多的是连续调速，而近年来发展较快的是变频交流励磁调速。l原理概述变频交流励磁调速系统由水泵一水轮机、发电一电动机、变频器、控制系统组成。其中发电一电动机和变频器不同于常规同步电机的发电一电动机和变频器，发电一电动机为隐极转子，具有与定子绕组一样的三相分布励磁绕组。变频器输出三相，低频大电流馈电发电一电动机励磁用的转子绕组，系统的组成如图1所示。当绕组通三相励磁电

4、流时，即使转子在机械静止的条件下，也产生旋转磁场。若机械转速、定子电压频率、交流电流频率的百分数分别定义为瓦、K、如，可给出等式：K+K：=KI。这就意味着机械转速加上交流电流频率等于电网同步转速。机械转速不依赖于电网频率，是整个发电一电动机和水泵一水轮机和输出能量平衡的结果。当水轮机输出和发电机输出平衡时，转速稳定。如果水轮机输出比发电机输出大时，转速就会增大，其水图1可变速机组调节系统组成示意图Fig．1Componentdiagramofgovernorforvariablespeedpumpedstorageunit万方数据第3卷第2期(总第1

5、2期2017年4月20日水电。抽水蔷缸HyaropowerandPumpedStorageV01．3No．2(Ser．121ADnl，20，2017中发电机输出可由励磁系统控制。励磁系统可连续控制励磁电流频率以平衡墨和‰之差，这就是变频交流励磁调速的基本原理。控制系统不仅能控制有功和无功功率，还能控制机组转速，在每个工况下通过微处理器获得最佳值对其进行控制㈦。2效率寻优策略电力系统任何时刻的总能量都是平衡的。由于电力系统的负荷在不停地波动，电能不能大量储存，负荷功率的变化将引起频率的相应变化。水轮发电机频率厂与转速，l之间的关系为：产鲁(1)式中：P一

6、发电机磁极对数；，r一转速；7已_—频率。发电机的转速由作用在转轴上的转矩决定，其运动方程式见式(2)：．，等=M一畋(2)df’。式中：．—7L一水轮机转动部分的转动惯量；∞——机组旋转角速度；坛一水轮机转矩；朋卜发电机负荷阻力转矩。式(2)表明，只有在水轮机转矩与负荷阻转矩相等的时候，机组的转速才能稳定。否则，机组角速度将发生变化，由jLP,弓『起频率波动。水轮机转矩的表达式见式(3)：M：—YOn—rlt(3)式中：r水的重度；沪通过水轮机的流量；卜水轮机净水头；叩广一水轮机效率。可见，改变水轮机转矩的最有效方法是通过调速器改变水轮机的流量，即改

7、变导叶开度。水轮机单位流量表达式见式(4)：耻生D2t3／匠p2蔫(4)82式中：坼一设计水头；Q广设计流量。当水轮机工作水头变化时，可以通过调速器的调节调整导叶开度，从而达到调节流量的目的，使得单位流量Q。。保持恒定。水轮机单位转速表达式见式(5)：”嚣2等㈦式中：‰——设计水头；，zP’设计水头和设计流量下的设计额定转速。常规机组并网运行，当水头变化时，转速不能调整，脱离最优效率点，可变速机组可以通过交流励磁设备调节转速，使得n，，保挣叵定，从而保持较高效率运行。130120一cllo暑oioo=90807060o1o．2o304o5o．6o．7o

8、．8o．91．o1．11．2单位流量Qll／(m3／s)图2水轮机综合特性曲线图Fig．2Di