采用虛擬恒壓水池增容的抽水蓄能電站設(shè)計(jì)與運(yùn)行策略

尤嘉鈺，姜 彤

(華北電力大學(xué)，北京102206)

0 前 言

為避免水輪機(jī)在抽水蓄能電站水頭變幅過大時(shí)不穩(wěn)定運(yùn)行，出現(xiàn)發(fā)電效率降低、裂紋或振動(dòng)問題，要控制電站水頭在水輪機(jī)允許范圍內(nèi)變化。對(duì)于水頭變幅大的電站會(huì)造成水庫庫容浪費(fèi)，限制日發(fā)電量[1-3]。葛野川抽水蓄能電站水庫調(diào)節(jié)庫容830萬m3，最大水頭763 m，最小水頭716 m，發(fā)電機(jī)組為設(shè)計(jì)水頭714 m、最大水頭751 m的單級(jí)可逆式水泵水輪機(jī)，要控制電站的水頭小于水輪機(jī)最大水頭，實(shí)際利用庫容僅為調(diào)節(jié)庫容的3/4，不能使水庫容量得到充分利用，減少了可持續(xù)發(fā)電量[4]。

對(duì)于水頭變幅大的抽水蓄能電站，目前采用變頻調(diào)速機(jī)組通過改變轉(zhuǎn)速來適應(yīng)不同的運(yùn)行水頭，變頻調(diào)速機(jī)組可以增大水頭變幅和功率適應(yīng)范圍，減少了振動(dòng)、空蝕和泥沙磨損，提高了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性[5- 6]。還可以采用雙轉(zhuǎn)速同步發(fā)電機(jī)，根據(jù)模型轉(zhuǎn)輪特性曲線，計(jì)算出采用不同同步轉(zhuǎn)速的水頭分界線，高于該水頭采用較高轉(zhuǎn)速的同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行，低于該水頭采用較低轉(zhuǎn)速的同步轉(zhuǎn)速，增大了水輪機(jī)水頭變化范圍[7]。雖然對(duì)發(fā)電機(jī)組的改進(jìn)適當(dāng)增大了水頭變幅，但對(duì)于水頭變幅大的電站只是小幅度的提升，仍然有大部分庫容不能充分利用，限制了可持續(xù)發(fā)電量。

為此，本文引入了液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)的概念，將虛擬恒壓水池作為液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)中的液壓蓄能器，采用多組不同面積比的活塞液壓缸作為液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)中的液壓變壓器來實(shí)現(xiàn)變壓，使抽水蓄能電站水庫大幅度變化的水頭通過液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M恒壓水池中小范圍波動(dòng)的水頭，再進(jìn)行水輪機(jī)/水泵的發(fā)電與儲(chǔ)能，提出了一種采用虛擬恒壓水池增容的抽水蓄能電站。其中，本文提出了一種驅(qū)動(dòng)設(shè)備的調(diào)速控制策略來進(jìn)一步控制虛擬恒壓水池中的水頭恒定，保證水輪機(jī)高效運(yùn)行。水輪機(jī)水頭的限定不再成為電站水頭變幅的制約因素，可以建設(shè)更大變幅大容量的抽水蓄能電站，水庫庫容得到充分利用，可持續(xù)發(fā)電量增加，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)了更好的推廣。

1 系統(tǒng)原理分析

1.1 液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)

液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的一種新型液壓系統(tǒng)，具有高效、結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由能量源、液壓蓄能器、高低壓兩條驅(qū)動(dòng)油路和負(fù)載組成[8]。

液壓蓄能器是一個(gè)儲(chǔ)存和釋放能量的壓力容器，它將液壓系統(tǒng)中的壓力油儲(chǔ)存起來，在需要時(shí)又重新放出，在液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通常將液壓蓄能器和液壓變壓器串聯(lián)使用，這樣能夠在保持恒壓的同時(shí)進(jìn)行能量回收[9]。

1.2 液壓變壓器

液壓變壓器是指在液壓傳動(dòng)中能夠?qū)崿F(xiàn)壓力轉(zhuǎn)換的一種液壓元件，它相當(dāng)于壓力轉(zhuǎn)換器，可以從液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中無節(jié)流損失地獲取能量。液壓變壓器分為液壓缸式液壓變壓器和液壓馬達(dá)/泵式液壓變壓器。

液壓缸式液壓變壓器是由兩個(gè)單桿液壓缸將其活塞桿剛性地聯(lián)接在一起，由于兩側(cè)活塞的有效作用面積不同，從而使兩側(cè)油腔內(nèi)的壓強(qiáng)不同，這樣便實(shí)現(xiàn)了變壓。

液壓馬達(dá)/泵式液壓變壓器是由軸向柱塞泵與馬達(dá)通過一個(gè)軸機(jī)械地聯(lián)結(jié)在一起，以便二者能夠一起旋轉(zhuǎn)，通過改變變量馬達(dá)的排量，使這兩個(gè)泵/馬達(dá)分別變換自己的角色來做泵或馬達(dá)使用，進(jìn)行雙向變壓。

如果將液壓馬達(dá)/泵式液壓變壓器和液壓缸組合使用，能實(shí)現(xiàn)功率匹配、提高能量利用率。由電液伺服閥或電液比例閥控制變量缸，進(jìn)而調(diào)節(jié)變壓器馬達(dá)的排量，實(shí)現(xiàn)變壓。在實(shí)際使用中，變量缸與液壓變壓器制成一體[8-10]。

1.3 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文引入了液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)的概念，將虛擬恒壓水池作為液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)中的液壓蓄能器，采用多組不同面積比的活塞液壓缸作為液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)中的液壓缸式液壓變壓器來實(shí)現(xiàn)變壓，提出了一種采用虛擬恒壓水池以應(yīng)對(duì)大范圍變水頭的抽水蓄能電站[11，12]。

圖1 采用虛擬恒壓水池增容的抽水蓄能電站裝置

電站的結(jié)構(gòu)如圖1所示，上水庫和下水庫組成第一勢能源，虛擬恒壓水池和低壓水池組成第二勢能源，液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由多組不同面積比的活塞液壓缸構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)設(shè)備與液壓缸中活塞桿的末端相連，根據(jù)第一勢能源和第二勢能源在運(yùn)行過程中的壓強(qiáng)變化，選擇不同面積比的液壓缸，使兩組勢能源在活塞桿上產(chǎn)生的合力推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，由驅(qū)動(dòng)設(shè)備控制活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度和方向，通過設(shè)置液壓缸多個(gè)閥門的開閉，來實(shí)現(xiàn)發(fā)電和儲(chǔ)能。

1.4 運(yùn)行過程

當(dāng)抽水蓄能電站處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，按式(1)選擇最接近的相應(yīng)面積比的液壓缸，通過控制閥門的開閉推動(dòng)活塞桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，上水庫中的水流入液壓缸，再從液壓缸流入下水庫，低壓水池中的水通過液壓缸被抽入虛擬恒壓水池，再從虛擬恒壓水池中流出推動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電，將電能送入電網(wǎng)。

當(dāng)抽水蓄能電站處于儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，按式(1)選擇最接近的相應(yīng)面積比的液壓缸，水泵將低壓水池中的水抽到虛擬恒壓水池，再從虛擬恒壓水池流入液壓缸，通過控制閥門的開閉推動(dòng)活塞桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將下水庫中的水抽到上水庫中儲(chǔ)能。

在抽水蓄能電站的發(fā)電與儲(chǔ)能運(yùn)行過程中，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)虛擬恒壓水池中的水頭恒定，多組不同面積比的液壓缸式液壓變壓器的采用可以減小運(yùn)行過程中的損耗，其面積比的選擇公式為

(1)

式中，P1為水庫中水的壓強(qiáng)；P2為虛擬恒壓水池中水的壓強(qiáng)，且為定值；S1和S2為液壓變壓器兩個(gè)液壓缸的面積。

2 驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)速控制策略

在抽水蓄能電站的運(yùn)行過程中，為了控制虛擬恒壓水池中的水頭恒定，需要先確定液壓缸的面積比，再由驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行微調(diào)，通過控制液壓缸和虛擬恒壓水池之間水的流速，來實(shí)現(xiàn)虛擬恒壓水池中的水頭恒定。本文提出了一種驅(qū)動(dòng)設(shè)備的調(diào)速控制策略，等流速水頭補(bǔ)償控制策略。

2.1 策略原理

等流速水頭補(bǔ)償控制策略，是使活塞液壓缸和虛擬恒壓水池之間的液體管道中水的平均流速與虛擬恒壓水池和水力設(shè)備之間的液體管道中水的流速相等，這樣虛擬恒壓水池中的蓄水量就處于一種動(dòng)態(tài)平衡，同時(shí)補(bǔ)償虛擬恒壓水池中的水頭變化量，使其恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)值，從而保證虛擬恒壓水池的水頭恒定。

2.2 策略實(shí)現(xiàn)方案

本文對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備設(shè)置不同的調(diào)速檔位旋鈕，設(shè)定每次調(diào)速前的檔位為初始檔位n0，以初始檔位為基準(zhǔn)的各檔位為n0±1、n0±2、n0±3……，相鄰調(diào)速檔位之間的速度變化量相同。

圖2為等流速水頭補(bǔ)償控制策略流程圖。每隔T1時(shí)間監(jiān)測一次虛擬恒壓水池中的水頭變化

Δh=h2-h1

(2)

式中，h1為開始監(jiān)測時(shí)的水頭；h2為T1時(shí)間后監(jiān)測到的水頭。

然后計(jì)算虛擬恒壓水池和水力設(shè)備之間液體管道中水的流速變化量

(3)

式中，k為常數(shù);ρ為水的密度;g為重力加速度。

驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)速檔位之間的速度變化量為Δv，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)設(shè)備應(yīng)該調(diào)節(jié)的檔位數(shù)量

(4)

把驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)前的檔位設(shè)為初始檔位n0，設(shè)定補(bǔ)償時(shí)間為T2，根據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)水頭H0為基準(zhǔn)的水頭變化量計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)臋n位數(shù)量

(5)

則驅(qū)動(dòng)設(shè)備應(yīng)該調(diào)節(jié)的實(shí)際檔位為

(6)

當(dāng)抽水蓄能電站處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，如果虛擬恒壓水池中的水頭小于標(biāo)準(zhǔn)水頭，即h2

當(dāng)抽水蓄能電站處于儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，如果虛擬恒壓水池中的水頭小于標(biāo)準(zhǔn)水頭，即h2

圖2 等流速水頭補(bǔ)償控制策略流程

2.3 調(diào)速控制系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)設(shè)備的控制部分由采集單元、策略應(yīng)用單元和執(zhí)行單元組成，其中，采集單元通過傳感器將虛擬恒壓水池中的水頭信號(hào)傳遞給策略應(yīng)用單元，策略應(yīng)用單元可以采用PLC或者帶CPU的控制設(shè)備進(jìn)行分析計(jì)算，然后將其傳送給執(zhí)行單元，執(zhí)行單元可以采用變頻器來調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，驅(qū)動(dòng)設(shè)備可以采用直線電機(jī)來實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。

3 仿真試驗(yàn)分析

當(dāng)突然出現(xiàn)水力設(shè)備出力增大或者減少的情況，使虛擬恒壓水池中水頭變化時(shí)，本文對(duì)有無驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)速控制策略的虛擬恒壓水池水頭波動(dòng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)分析，并對(duì)兩種情況進(jìn)行了對(duì)比，可以明顯地觀察到驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)速控制策略的實(shí)施效果。

假定液壓缸中的活塞作速度為正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)[13-14]，活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為

x=Hsinωt

(7)

3.1 抽水蓄能電站發(fā)電工況

在抽水蓄能電站處于發(fā)電工況下，如果水輪機(jī)出力突然減少，采用驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)速控制策略，在時(shí)間T2=2 s內(nèi)監(jiān)測到虛擬恒壓水池的水頭變化為Δh=4 m，計(jì)算出虛擬恒壓水池和水力設(shè)備之間液體管道中水的流速變化量Δv2=0.2 m/s，設(shè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)速檔位之間的速度變化量為Δv=0.1 m/s，補(bǔ)償時(shí)間為T2=2 s，則驅(qū)動(dòng)設(shè)備應(yīng)該調(diào)節(jié)的檔位數(shù)量n1=2，需要補(bǔ)償?shù)臋n位數(shù)量n2=2，實(shí)際調(diào)節(jié)檔位數(shù)量為n1′=4，將驅(qū)動(dòng)設(shè)備先調(diào)節(jié)到n0-4檔位，1 s后將驅(qū)動(dòng)設(shè)備先恢復(fù)到n0-2檔位，調(diào)節(jié)后活塞液壓缸和虛擬恒壓水池之間的液體管道中水的平均流速v1′=0.8 m/s，與虛擬恒壓水池和水力設(shè)備之間的液體管道中水的流速v2′=0.8 m/s仍然相等。

圖3 虛擬恒壓水池兩邊液體管道水流速隨時(shí)間變化

圖4 虛擬恒壓水池水頭大小隨時(shí)間變化

如果水輪機(jī)出力突然增加，比如水輪機(jī)氣門開度增大的情況，則虛擬恒壓水池流入水力設(shè)備的水流速v2增大，如圖5所示，采用驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)速控制策略先將驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)節(jié)到n0+4檔位，補(bǔ)償時(shí)間T2=2 s后，再將驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)節(jié)到n0+2檔位使v1′=v2′，虛擬恒壓水池中的水頭如圖6所示，先下降再恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)水頭0.5 MPa附近小范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖5 虛擬恒壓水池兩邊液體管道水流速隨時(shí)間變化

3.2 抽水蓄能電站儲(chǔ)能工況

抽水蓄能電站在儲(chǔ)能工況下的驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)節(jié)方式與發(fā)電工況相同，如果水泵出力突然減少，如圖3所示v2′=0.8 m/s，在T1=2 s時(shí)間內(nèi)監(jiān)測到虛擬恒壓水池的水頭下降了Δh=4 m如圖6所示，則同樣將驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)節(jié)到n0-4檔位，在補(bǔ)償時(shí)間為T1=2 s后，再將驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)節(jié)到n0-2檔位使v1′=v2′，虛擬恒壓水池中的水頭恢復(fù)到0.5 MPa附近波動(dòng)。

圖6 虛擬恒壓水池水頭大小隨時(shí)間變化

如果水泵出力突然增加，則水力設(shè)備流入虛擬恒壓水池的水流速v2增大，采用驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)速控制策略調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)設(shè)備檔位補(bǔ)償水頭變化量再使v1′=v2′，虛擬恒壓水池中的水頭先上升再下降恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)水頭0.5 MPa附近小范圍內(nèi)波動(dòng)。

4 結(jié) 論

本文提出的采用虛擬恒壓水池增容的抽水蓄能電站與傳統(tǒng)抽水蓄能電站相比主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，

(1)能夠適應(yīng)更寬的水頭變化范圍，使水庫庫容得到充分利用，同時(shí)降低了對(duì)抽水蓄能電站的建設(shè)環(huán)境要求。

(2)能夠保證水輪機(jī)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，增大水輪機(jī)的使用壽命。

(3)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，實(shí)驗(yàn)裝置中的液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由多組不同面積比的活塞液壓缸組成，便于設(shè)計(jì)與制造。

經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)分析，本文提出的驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)速控制策略可以使虛擬恒壓水池的水頭保持在標(biāo)準(zhǔn)水頭附近小范圍波動(dòng)，保證了水輪機(jī)的發(fā)電效率，增加了可持續(xù)發(fā)電量。