抽水蓄能機(jī)組調(diào)速器智能啟動(dòng)策略研究

王躍

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 210061）

抽水蓄能機(jī)組在靜止工況下接收到水輪機(jī)工況開機(jī)指令后，調(diào)速器即進(jìn)入相應(yīng)的開機(jī)程序，按照一定的規(guī)律將導(dǎo)葉打開，控制機(jī)組向水輪機(jī)方向啟動(dòng)[1]。當(dāng)調(diào)速器空載開度設(shè)置不合理時(shí)，就會(huì)使機(jī)組開機(jī)后轉(zhuǎn)速過高甚至無法啟動(dòng)，延長(zhǎng)開機(jī)時(shí)間。

抽水蓄能機(jī)組的開機(jī)過程時(shí)間取決于開機(jī)控制規(guī)律。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，選取最優(yōu)的開機(jī)控制策略，對(duì)縮短開機(jī)過程時(shí)間具有十分重要的意義。由于抽水蓄能機(jī)組在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和事故備用任務(wù)，開停機(jī)比較頻繁，如果能加速機(jī)組的開機(jī)過程，實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)開機(jī)并網(wǎng)，將大大改善機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，增加抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)效益。

1 抽水蓄能機(jī)組調(diào)速器啟動(dòng)控制策略分析

目前，我國(guó)大多數(shù)抽水蓄能機(jī)組的啟動(dòng)控制策略都是按照轉(zhuǎn)速偏差進(jìn)行PID控制調(diào)節(jié)，開機(jī)控制方式往往有兩種：

第一種開機(jī)控制方式是在水輪機(jī)開啟過程中，先將導(dǎo)葉開啟至空載開度，使機(jī)組的轉(zhuǎn)速逐漸升高到額定轉(zhuǎn)速附近，再切換到PID控制，待機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后再進(jìn)行并網(wǎng)[2]。這種開機(jī)方式因?qū)~的控制開度為空載開度，所以機(jī)組轉(zhuǎn)速在接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)不容易出現(xiàn)超調(diào)，但由于抽水蓄能機(jī)組水頭變化范圍較大，精確控制和調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度比較困難，從而導(dǎo)致開機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)。此外，機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化與其慣性時(shí)間常數(shù)Ta有關(guān)，機(jī)組的Ta越大，轉(zhuǎn)速變化越慢，開機(jī)時(shí)間就越長(zhǎng)。因此，這種開機(jī)方式對(duì)于機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)比較大、要求有快速響應(yīng)能力的抽水蓄能機(jī)組來說，顯然不能滿足要求。

第二種開機(jī)控制方式是目前普遍采用的兩段開機(jī)控制規(guī)律。當(dāng)調(diào)速器接到開機(jī)指令后，先以最快速度將導(dǎo)葉迅速開啟到啟動(dòng)開度（啟動(dòng)開度約為空載開度的2倍），并保持這一開度不變，這時(shí)機(jī)組的轉(zhuǎn)速和頻率迅速上升，當(dāng)頻率升至某一設(shè)定值fi（fi一般為額定頻率的90%）時(shí)，立即將導(dǎo)葉的開度限制調(diào)整到空載開度限制，投入PID調(diào)節(jié)控制，直到機(jī)組頻率升至額定頻率并逐漸穩(wěn)定。這種開機(jī)方式由于導(dǎo)葉的初始啟動(dòng)開度較大，機(jī)組轉(zhuǎn)速和頻率上升很快，可以縮短開機(jī)時(shí)間。這種開機(jī)控制方式的不足之處是：首先，啟動(dòng)開度的選取與機(jī)組的空載開度密切相關(guān)，空載開度又是水頭的函數(shù)，目前抽水蓄能電站使用的空載開度-水頭關(guān)系曲線有的由轉(zhuǎn)輪模型曲線轉(zhuǎn)換得出，有的基于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，不可避免存在偏差，由于抽水蓄能機(jī)組水頭變化范圍較大，當(dāng)實(shí)際水頭和設(shè)定水頭偏差較大時(shí)，通過插值計(jì)算出的空載開度將與實(shí)際值偏差較大，就會(huì)造成啟動(dòng)開度的選取失準(zhǔn)；其次，啟動(dòng)開度的選取比較盲目，啟動(dòng)開度選取過小則開機(jī)速度緩慢，過大則易產(chǎn)生過調(diào)，啟動(dòng)開度為空載開度的兩倍不一定最優(yōu)，也并不適用于所有機(jī)組，若第一段啟動(dòng)開度太大、機(jī)組升速過快，會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量；此外，這種開機(jī)方式當(dāng)導(dǎo)葉從較大的啟動(dòng)開度突然降到較小的空載開度時(shí)，會(huì)引起引水系統(tǒng)水壓的較大變化，在管道內(nèi)產(chǎn)生大幅水壓震蕩，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

這種傳統(tǒng)的抽水蓄能機(jī)組調(diào)速器啟動(dòng)控制以偏差為基礎(chǔ)，在開機(jī)過程中如機(jī)組轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速，調(diào)速器控制導(dǎo)葉開啟，只有當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速非常接近或者高于額定轉(zhuǎn)速后，導(dǎo)葉才會(huì)關(guān)閉，由于導(dǎo)葉關(guān)閉速度受電站壓力引水系統(tǒng)水錘作用的限制和機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的影響不能迅速關(guān)閉，易于造成機(jī)組過速和開機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)；機(jī)組的啟動(dòng)控制與電站水頭和空載開度密切相關(guān)，在不能確定當(dāng)時(shí)水頭下的空載開度時(shí)機(jī)組的啟動(dòng)控制十分困難；PID控制算法存在積分飽和，對(duì)機(jī)組的啟動(dòng)控制十分不利，特別是對(duì)低水頭和大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的機(jī)組影響十分嚴(yán)重。因此，采取按偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的控制策略很難解決抽水蓄能機(jī)組的啟動(dòng)問題。

2 抽水蓄能機(jī)組調(diào)速器智能啟動(dòng)策略

為解決以偏差為基礎(chǔ)的PID控制策略不能滿足抽水蓄能機(jī)組在不同水頭下有較好啟動(dòng)特性的問題，提出了機(jī)組智能啟動(dòng)控制策略[3-4]，其控制目標(biāo)為

式中，dΔf/dt為轉(zhuǎn)速的微分；Δf為轉(zhuǎn)速的偏差。

該控制目標(biāo)要求轉(zhuǎn)速的微分與轉(zhuǎn)速偏差的比值在機(jī)組啟動(dòng)過程中為一常數(shù)C。在實(shí)際控制過程中，很難始終保持這一比值為設(shè)定的常數(shù)。從式（1）可知，機(jī)組啟動(dòng)過程中當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差較大時(shí)，可以控制機(jī)組有較大的轉(zhuǎn)速變化；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差較小時(shí)，控制機(jī)組有較小的轉(zhuǎn)速變化，基本保持這一比值為設(shè)定的常數(shù)，并且控制轉(zhuǎn)速始終朝著偏差減小的方向變化，這樣就可使機(jī)組轉(zhuǎn)速平穩(wěn)地接近額定轉(zhuǎn)速。由于機(jī)組啟動(dòng)過程中該比值與設(shè)定的常數(shù)之差有正有負(fù)，不同于按照轉(zhuǎn)速偏差進(jìn)行PID控制調(diào)節(jié)其偏差總是正的，從而減小了積分飽和的影響。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，再將調(diào)速器切換到按頻率偏差調(diào)節(jié)的PID控制。

3 開機(jī)過程控制

對(duì)于抽水蓄能機(jī)組來說，最優(yōu)開機(jī)方式應(yīng)該在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下使機(jī)組轉(zhuǎn)速升高最快而超調(diào)量最小。傳統(tǒng)的抽水蓄能機(jī)組開機(jī)過程均采用開環(huán)控制，容易使機(jī)組開機(jī)時(shí)間過長(zhǎng)或轉(zhuǎn)速過高。針對(duì)開環(huán)控制的缺點(diǎn)，智能啟動(dòng)策略采用閉環(huán)開機(jī)控制方式，即設(shè)置機(jī)組開機(jī)時(shí)的轉(zhuǎn)速上升期望特性作為頻率給定，機(jī)組的開機(jī)控制不依賴于空載開度和啟動(dòng)開度，在整個(gè)開機(jī)過程中調(diào)速器始終處于閉環(huán)調(diào)節(jié)狀態(tài)，控制機(jī)組頻率跟蹤頻率給定曲線上升。通過設(shè)置合理的頻率給定曲線，使機(jī)組的開機(jī)達(dá)到快速而不過速的要求。

智能啟動(dòng)策略的開機(jī)控制，是在調(diào)速器接到開機(jī)指令后開啟導(dǎo)葉起動(dòng)機(jī)組，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速的30%時(shí)投入智能啟動(dòng)控制策略。依據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)速微分與轉(zhuǎn)速偏差的比值與設(shè)定常數(shù)的偏差，調(diào)速器進(jìn)行PI控制，不斷調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，使機(jī)組轉(zhuǎn)速快速上升并保證不過速。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速的98%時(shí)，切除調(diào)速器智能啟動(dòng)控制策略，切換到頻率偏差的PID控制，維持機(jī)組空載轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定[5]。

4 機(jī)組智能啟動(dòng)仿真

智能啟動(dòng)控制不依賴于機(jī)組空載開度和啟動(dòng)開度，可以有兩種開機(jī)方式：當(dāng)水頭信號(hào)正常時(shí)，調(diào)速器根據(jù)水頭計(jì)算出理論空載開度進(jìn)行開機(jī)；當(dāng)水頭信號(hào)失效時(shí)，調(diào)速器計(jì)算出一個(gè)安全、保守的啟動(dòng)開度進(jìn)行開機(jī)[6]。對(duì)兩種不同的開機(jī)方式進(jìn)行仿真計(jì)算，開機(jī)過程曲線分別如圖1、圖2所示。

圖1 水頭信號(hào)正常時(shí)智能啟動(dòng)控制策略的啟動(dòng)過程曲線Fig.1 Starting process curve with intelligent starting control strategy when the head signals are in the normal conditions

圖2 水頭信號(hào)失效時(shí)智能啟動(dòng)控制策略的啟動(dòng)過程曲線Fig.2 Starting process curve with intelligent starting control strategy when the head signals are in the failed conditions

從圖1、圖2可以看出，智能開機(jī)控制策略在有水頭或無水頭信號(hào)的情況下，均能快速平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的抽水蓄能機(jī)組開機(jī)過程采用按偏差調(diào)節(jié)的控制策略，開機(jī)過程控制依賴于空載開度和啟動(dòng)開度的確定，PID控制算法存在積分飽和[7-8]，采用開環(huán)控制容易使機(jī)組開機(jī)時(shí)間過長(zhǎng)或轉(zhuǎn)速過高。針對(duì)上述缺點(diǎn)，本文提出了抽水蓄能機(jī)組調(diào)速器智能啟動(dòng)策略，把機(jī)組開機(jī)時(shí)的轉(zhuǎn)速上升期望特性作為頻率給定，采用閉環(huán)開機(jī)控制方式，控制機(jī)組頻率跟蹤頻率給定曲線上升。機(jī)組的開機(jī)控制不依賴于空載開度和啟動(dòng)開度，減小了積分飽和的影響。水頭信號(hào)正常時(shí)和水頭信號(hào)失效時(shí)的機(jī)組啟動(dòng)過程仿真結(jié)果表明，智能啟動(dòng)控制策略可以保證抽水蓄能機(jī)組安全平穩(wěn)開機(jī)。所研究的方法可用于抽水蓄能機(jī)組快速啟動(dòng)，減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的復(fù)雜性和提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，還可廣泛應(yīng)用于水電站機(jī)組的開機(jī)控制，有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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