高水頭沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組交流勵(lì)磁與調(diào)速協(xié)調(diào)控制策略

李川，王明渝

(重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400044)

高水頭沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組交流勵(lì)磁與調(diào)速協(xié)調(diào)控制策略

李川，王明渝

(重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400044)

分析了影響沖擊式水輪機(jī)的效率的因素，針對(duì)基于雙饋異步電機(jī)的高水頭沖擊式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的多變量、強(qiáng)耦合特點(diǎn)，提出了交流勵(lì)磁和液壓調(diào)速的變參數(shù)、變結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制策略，完成了兩者之間的最優(yōu)動(dòng)態(tài)匹配，既實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)轉(zhuǎn)速跟蹤，又實(shí)現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦控制，提高了并網(wǎng)穩(wěn)定性。仿真研究結(jié)果表明所提出的控制策略是有效的。

高水頭沖擊式水輪發(fā)電機(jī);變速恒頻;效率優(yōu)化

按水流作用于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的方式，水輪機(jī)有反擊式和沖擊式之分。沖擊式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)組安裝高程不受空蝕條件的限制，在國(guó)內(nèi)外的高水頭電站中得到了較為普遍的應(yīng)用［1］。傳統(tǒng)的高水頭沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組采用恒頻恒速技術(shù)，要求發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，導(dǎo)致水能利用率低且適應(yīng)工況的能力不強(qiáng)。隨著電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展，基于雙饋異步電機(jī)的交流勵(lì)磁變速恒頻沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組成為趨勢(shì)，它簡(jiǎn)化了發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了能源轉(zhuǎn)換效率［2］。

1 沖擊式水輪機(jī)組特性

設(shè)實(shí)驗(yàn)水頭恒定，轉(zhuǎn)速恒定，同一個(gè)水斗單位時(shí)間接受的射流流量在不同位置是不一樣的，用下式表示:

式(1)中:s0為射流截面面積;v0為射流速度;u為圓周速度;n為轉(zhuǎn)速;α為圓周速度與射流速度的夾角;D1為轉(zhuǎn)輪有效直徑。

研究在恒定水頭和噴針開度的條件下，如何獲得最大的ΔQ。沖擊式水輪機(jī)當(dāng)水頭恒定時(shí)，其管道壓力恒定，v0恒定;當(dāng)噴嘴開度恒定時(shí)，s0恒定，故影響ΔQ的因素就只有圓周速度u和水輪機(jī)轉(zhuǎn)速n。所以對(duì)于沖擊式水輪機(jī)，其轉(zhuǎn)速是影響效率的主要因素。

沖擊式水輪機(jī)效率曲線如圖1所示［3］。效率隨轉(zhuǎn)速急劇變化，取得最優(yōu)效率的轉(zhuǎn)速范圍很窄。轉(zhuǎn)速越快，效率下降越快，而且轉(zhuǎn)速上升時(shí)效率下降的速度比轉(zhuǎn)速下降時(shí)效率下降的速度要快。

圖1 沖擊水輪機(jī)的效率曲線

2 交流勵(lì)磁與調(diào)速協(xié)調(diào)控制

常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組(即同步發(fā)電機(jī)組)只能在額定同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)組轉(zhuǎn)速固定不變，無調(diào)節(jié)余地。通常設(shè)計(jì)成在加權(quán)平均水頭下達(dá)到最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速，在最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速附近水輪機(jī)具有良好性能和效率。若水頭變化而轉(zhuǎn)速不能改變，則水輪機(jī)勢(shì)必效率降低、氣蝕系數(shù)增大，磨蝕和振動(dòng)增加，運(yùn)行工況惡化。對(duì)于交流勵(lì)磁變速恒頻機(jī)組，在實(shí)時(shí)水頭變化時(shí)可以通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輪機(jī)轉(zhuǎn)速來獲得最大效率和最優(yōu)工況［4］。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)框圖

圖2中，核心模塊是交流勵(lì)磁與調(diào)速協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。當(dāng)水頭發(fā)生變化時(shí)，由最優(yōu)轉(zhuǎn)速模型計(jì)算出最優(yōu)轉(zhuǎn)速指令，速度控制回路調(diào)節(jié)噴針開度，滿足轉(zhuǎn)速指令，獲得最大效率;在速度調(diào)節(jié)過程中，功率調(diào)節(jié)回路維持發(fā)電機(jī)輸出功率不變。

并網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組存在多工況運(yùn)行情況，如空載運(yùn)行和并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行等，不同工況被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型差異較大［5］。要獲得良好的控制品質(zhì)，不同工況應(yīng)采用不同的控制策略。本文提出了變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)協(xié)調(diào)控制思想，即設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制模塊，建立協(xié)調(diào)控制機(jī)制。在協(xié)調(diào)控制模塊管理下實(shí)現(xiàn)空載運(yùn)行控制和并網(wǎng)發(fā)電控制的動(dòng)態(tài)切換、交流勵(lì)磁控制和轉(zhuǎn)速控制的動(dòng)態(tài)匹配。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。協(xié)調(diào)控制模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組狀態(tài)，按協(xié)調(diào)機(jī)制調(diào)用控制策略、調(diào)整控制結(jié)構(gòu)、重配控制參數(shù)。

圖3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)總體框圖

并網(wǎng)斷路器狀態(tài)信號(hào)DL用于觸發(fā)空載運(yùn)行控制和并網(wǎng)發(fā)電控制的動(dòng)態(tài)切換。當(dāng)DL=0即并網(wǎng)斷路器分閘時(shí)，調(diào)用空載運(yùn)行控制策略;當(dāng)DL =1即并網(wǎng)斷路器合閘時(shí)，切換到并網(wǎng)發(fā)電控制策略。協(xié)調(diào)控制模塊監(jiān)測(cè)功率需求增量ΔP和水頭增量Δh，并分4種情況啟動(dòng)不同的控制策略。當(dāng)ΔP≠0，Δh=0，即需求電功率變化時(shí)，功率調(diào)節(jié)回路調(diào)節(jié)交流勵(lì)磁電流向量，從而控制輸出電功率以滿足需求變化。速度調(diào)節(jié)回路恒定機(jī)組轉(zhuǎn)速，由于功率調(diào)節(jié)快、速度調(diào)節(jié)慢，因此在速度調(diào)節(jié)回路投入開度前饋控制，動(dòng)態(tài)改變水機(jī)噴針開度增量Δδ=f(ΔP)，預(yù)調(diào)水輪機(jī)出力以減小轉(zhuǎn)速波動(dòng)。當(dāng)ΔP=0，Δh≠0，即水頭變化時(shí)，速度調(diào)節(jié)回路按最優(yōu)轉(zhuǎn)速指令控制轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)最大效率追蹤。功率調(diào)節(jié)回路檢測(cè)水機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流幅值及頻率，恒定輸出電功率。由于功率調(diào)節(jié)快，功率調(diào)節(jié)回路能抑制速度變化帶來的擾動(dòng)，故可不設(shè)功率前饋控制，但要兼顧電功率變化時(shí)的跟隨性能和水頭變化時(shí)的抗擾性能。當(dāng)ΔP≠0，Δh≠0，即功率需求和工作水頭同時(shí)變化時(shí)，功率調(diào)節(jié)、最大效率追蹤控制和開度前饋控制遵循嚴(yán)格時(shí)序，即先啟動(dòng)功率調(diào)節(jié)以保證電網(wǎng)穩(wěn)定，接著啟動(dòng)開度前饋控制預(yù)調(diào)機(jī)械出力，待功率調(diào)節(jié)過程基本穩(wěn)定后再啟動(dòng)最大效率追蹤控制。

當(dāng)電網(wǎng)有功負(fù)荷突變時(shí)，發(fā)電機(jī)組有功給定來不及變化，有功供需失衡引起電網(wǎng)頻率變化。同理，當(dāng)電網(wǎng)無功負(fù)荷突變時(shí)，無功供需失衡引起電網(wǎng)電壓幅值變化。為了快速抑制負(fù)荷突變或電網(wǎng)故障所引起的頻率和電壓波動(dòng)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)還應(yīng)考慮有功、無功校正環(huán)節(jié)。

3 系統(tǒng)仿真研究

根據(jù)上述控制策略，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立系統(tǒng)仿真模型。系統(tǒng)仿真原理框圖和雙饋發(fā)電機(jī)空載模型如圖4、5所示。根據(jù)水頭h，得到最優(yōu)轉(zhuǎn)速。有功和無功是通過矢量控制算法實(shí)現(xiàn)解耦的。

圖4 發(fā)電機(jī)組運(yùn)行控制仿真框圖

圖5 MT坐標(biāo)系下的雙饋發(fā)電機(jī)空載模型

系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6～8所示。圖6為機(jī)端電壓波形，頻率為50 Hz。

圖6 機(jī)端電壓A相波形

模擬水頭變化，改變水頭h的輸入值，分別為h1=400 m，h2=600 m，h3=800 m，轉(zhuǎn)輪直徑D= 1.25 m，按最優(yōu)轉(zhuǎn)速模型(算法)計(jì)算最優(yōu)轉(zhuǎn)速。設(shè)最優(yōu)轉(zhuǎn)速階躍變化±20%，記錄機(jī)組轉(zhuǎn)速，有功、無功變化曲線。圖7為雙饋電機(jī)超同步運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速給定，轉(zhuǎn)速跟蹤及有功，無功變化曲線。圖8為雙饋電機(jī)亞同步運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速跟蹤及有功、無功變化曲線。

圖7 最大效率追蹤控制(超同步運(yùn)行)

圖8 最大效率追蹤控制(亞同步運(yùn)行)

可以看出:最優(yōu)轉(zhuǎn)速算法能實(shí)時(shí)計(jì)算最優(yōu)轉(zhuǎn)速，計(jì)算精度高;速度控制回路按最優(yōu)轉(zhuǎn)速指令調(diào)節(jié)，將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在最優(yōu)轉(zhuǎn)速;轉(zhuǎn)速響應(yīng)慢而穩(wěn)、有效克服了機(jī)組抽動(dòng)。交流勵(lì)磁與調(diào)速器的協(xié)調(diào)控制，使最大效率追蹤過程中的轉(zhuǎn)速變化不影響有、無功輸出。調(diào)節(jié)過程中有功波動(dòng)很小，無功無波動(dòng)，穩(wěn)定后有、無功不變。

4 結(jié)束語

高水頭沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組存在多工況運(yùn)行情況，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，具有多變量、多回路控制的特點(diǎn)，且被控參量非線性、強(qiáng)耦合。既要進(jìn)行有功、無功調(diào)節(jié)，又要對(duì)最大效率追蹤控制。本文基于融合技術(shù)的交流勵(lì)磁系統(tǒng)和液壓調(diào)速器的最優(yōu)動(dòng)態(tài)匹配，提出協(xié)調(diào)控制策略和適應(yīng)不同工況的多模態(tài)控制算法，以實(shí)現(xiàn)有、無功獨(dú)立快速控制和最大效率追蹤。仿真研究結(jié)果表明了控制算法的準(zhǔn)確性。

［1］程時(shí)兵，羅耀華.變速恒頻雙饋潮流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)［J］.應(yīng)用科技，2008，35(2):41－44.

［2］劉其輝，賀益康，卞松江.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(3):6－11.

［3］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］廖勇，楊順昌.交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1998，18(2):87－90.

［5］吳國(guó)祥，黃建民，陳國(guó)呈，等.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行綜合控制策略［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2008，12 (4):435－440.

(責(zé)任編輯 楊黎麗)

Coordinating Control Strategy on AC-excited and Variable Speed Generating Group with High Water-head Im pulse Turbine

LIChuan，WANG Ming－yu
(College of Electrical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

This paper analyzed the factor to influence the efficiency of high water－h(huán)ead impulse turbine.Aimed to the characteristics ofmulti－variables and strong coupling of the controlled device based on double feed induction generator，a coordinating control strategy with variable parameters and variable structure for AC－excited and variable speed system is presented.The algorithm achieved the optimal dynamic matching between them，not only the optimal speed tracking，but also the decoupling control between active power and reactive power，and improving the stability for linking grid.The results of simulation research showed that the strategy presented in the paper is effective.

high water－h(huán)ead impulse turbine;variable speed constant frequency;efficiency optimization

TM343

A

1674－8425(2014)09－0108－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.09.023

2014－03－20

重慶市科委科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(cstc，2007ac3033)

李川(1981—)，碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)研究。

李川，王明渝.高水頭沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組交流勵(lì)磁與調(diào)速協(xié)調(diào)控制策略［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(9):108－111.

format:LIChuan，WANG Ming－yu.Coordinating Control Strategy on AC－excited and Variable Speed Generating Group with High Water－h(huán)ead Impulse Turbine［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(9):108－111.