績溪抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

于紅巖，初云鵬，楊曉文

（南瑞集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000）

1 引言

近10年，風(fēng)電、光伏[1]等清潔能源在電網(wǎng)中的比重不斷增加，截止到2019年已經(jīng)有近8%。同時，為了保障電力系統(tǒng)功率平衡，儲能也隨之更為重要。抽水蓄能作為大型儲能機(jī)組，在電網(wǎng)中發(fā)揮著重要的作用。目前各類儲能技術(shù)已經(jīng)開始用于電力系統(tǒng)，常見的方式有電池、鹽洞儲能、壓縮空氣及抽水蓄能儲能等。這些技術(shù)的能量密度，功率密度及使用壽命等特性不盡相同。近年來抽水蓄能系統(tǒng)的研究主要是在不斷提高儲能技術(shù)的控制性能，降低成本，大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，并改善了電能質(zhì)量。當(dāng)前我國對各種儲能技術(shù)都進(jìn)行了大量的廠內(nèi)試驗(yàn)和示范工程，而最具有商業(yè)價值的還是抽水蓄能[2]。

作為確保電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的有效手段，抽水蓄能具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相等多種功能。未來10年，將成為抽水蓄能大力發(fā)展的黃金階段[3]。

2 調(diào)速器系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

安徽績溪抽水蓄能電站坐落于安徽績溪縣。電站安裝了6臺單機(jī)容量300 MW的抽水蓄能機(jī)組，總裝機(jī)容量1 800 MW，年均發(fā)電量將達(dá)到30億kW·h，年抽水電量將達(dá)到40億kW·h。該電站主回路接入華東電網(wǎng)，承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相等任務(wù)。該電站主要建筑物包含上下水庫、水道系統(tǒng)、廠房及開關(guān)站等。

2.1 調(diào)速器系統(tǒng)基本組成

抽水蓄能電站調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備組成與常規(guī)水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)基本相同，主要包括調(diào)速器電氣控制柜、機(jī)械液壓操作柜、主配壓閥及其電液隨動控制系統(tǒng)、油壓裝置及其控制柜、分段關(guān)閉裝置（閥）、事故配壓閥、接力器等。作為調(diào)速器系統(tǒng)的核心，電氣控制柜采集抽水蓄能機(jī)組的導(dǎo)葉開度、有功功率、轉(zhuǎn)速、水頭等信息，通過控制流程和程序計(jì)算出相應(yīng)的導(dǎo)葉開度給定，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電氣量輸送到液壓操作柜。液壓操作柜主要配置比例伺服閥放大器和手動增減、停機(jī)等操作回路，主要將電氣控制柜信號進(jìn)行傳遞和放大，并對液壓系統(tǒng)進(jìn)行各種控制操作。液壓隨動系統(tǒng)主要配置了比例伺服閥和主配壓閥，主要對電氣控制柜信號進(jìn)行電液轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行液壓放大。事故配壓閥主要在調(diào)速系統(tǒng)電氣或液壓隨動系統(tǒng)失靈時，能夠緊急關(guān)閉導(dǎo)葉。分段裝置根據(jù)調(diào)保計(jì)算值整定，實(shí)現(xiàn)一段或二段關(guān)閉。油壓裝置主要包括壓力罐和回油箱及其附屬自動化元件，主要為調(diào)試系統(tǒng)提供工作油壓，油壓裝置控制柜主要功能是通過對油泵的啟?？刂坪妥詣友a(bǔ)氣控制來維持壓力罐的油壓穩(wěn)定和合理的油氣比[4]。

2.2 電氣調(diào)節(jié)柜控制系統(tǒng)

績溪抽水蓄能電站調(diào)速器系統(tǒng)，采用南瑞SWT系列中SAFR2000H電氣控制柜，該裝置硬件采用貝加萊X20控制器，軟件采用全新變結(jié)構(gòu)PID控制策略，已經(jīng)在混流式機(jī)組、軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組、沖擊式機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組上有大量應(yīng)用業(yè)績[3]。尤其對于抽水蓄能機(jī)組，已經(jīng)在響水澗、響洪甸、周寧等多個電站穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)歷了長時間的考驗(yàn)，被認(rèn)定為國內(nèi)抽水蓄能核心控制設(shè)備。除此之外，在即將投產(chǎn)的沂蒙、荒溝、梅州等抽水蓄能電站，又將大范圍應(yīng)用。

控制柜的PLC核心部分，選用了貝加萊X20系列模塊作為硬件核心，主要配置X20CP1585為調(diào)速控制器CPU模塊，該模塊功能強(qiáng)大，具有1個RS232 接口、1個 Ethernet接口、1個 POWERLINK、2個USB接口，并配備512M內(nèi)存?；谒娬具\(yùn)行特點(diǎn)，該系統(tǒng)采用相互獨(dú)立工作且處于熱備用狀態(tài)的雙套控制器互為冗余配置，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性。

開關(guān)量輸入采用X20DI9371，可同時采集開停機(jī)、并網(wǎng)、增速、減速等外部開入量，開關(guān)量輸出采用X20DO9322，可以同時輸出手自動、調(diào)頻動作和故障等開出量。模擬量輸入采用X20AI4622，可同時采集導(dǎo)葉反饋信號、功率反饋信號等模入量，模擬量輸出采用X20AO4622，可同時輸出導(dǎo)葉控制、功率反饋量等信號。測頻環(huán)節(jié)采用X20DS1319模塊，精度為10-7數(shù)量級，每個模塊提供四路獨(dú)立工作的測頻通道，滿足對機(jī)頻、網(wǎng)頻的測量[1]。

雙機(jī)切換為第三方PLC實(shí)現(xiàn)方案，采用歐姆龍ZEN[4]系列PLC，輸入輸出簡單可靠，故障率低，有超過200臺套無故障運(yùn)行記錄。

人機(jī)界面采用貝加萊AP1120系列工控機(jī)，核心控制器沿用貝加萊傳統(tǒng)系統(tǒng)，采用貝加萊B&R語言編程，與主控制器X20CP1585采用同樣的編程語言，方便了項(xiàng)目開發(fā)的可移植性和延續(xù)性。

采用上述配置組成的雙機(jī)冗余系統(tǒng)，兩套獨(dú)立的PCC控制器互為熱備用，在一套故障時，通過智能切換PLC判斷能無擾動的切換至另一套運(yùn)行。另外，兩套控制器采用獨(dú)立的電源和反饋通道，當(dāng)一套發(fā)生故障或需要檢修時，完全不影響另一套的運(yùn)行。

電氣控制主要特點(diǎn)：

（1）電氣控制系統(tǒng)為雙冗余熱備用配置，能夠?qū)崿F(xiàn)智能無擾動切換。

（2）智能PID控制策略，控制程序采用變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)的自適應(yīng)控制方法，具備一次調(diào)頻、參數(shù)辨識等功能。

（3）方便實(shí)用的人機(jī)界面集調(diào)試與運(yùn)行功能于一體，能自動錄制試驗(yàn)曲線。

（4）X20 PCC具有更快的運(yùn)算速度、更大的內(nèi)存和更豐富的通訊接口。

（5）完全獨(dú)立的測頻通道，測頻精度和可靠性得到大大提升。

2.3 機(jī)械液壓操作系統(tǒng)

績溪抽水蓄能電站機(jī)械液壓操作系統(tǒng)，采用改進(jìn)型MB智能控制模塊，實(shí)現(xiàn)對各種反饋量的采集和閉環(huán)控制。正常情況下，智能控制模塊采集伺服閥反饋、主配反饋、導(dǎo)葉反饋等信息實(shí)現(xiàn)閉環(huán)信號采集，配合功放版實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。在出現(xiàn)伺服閥卡澀、主配壓閥卡澀時，還能輸出卡澀故障信號。當(dāng)一套出現(xiàn)卡澀時候，系統(tǒng)報警給調(diào)速器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無擾動的切換至另一套控制模塊運(yùn)行，保持導(dǎo)葉開度信號不變[5]。

液壓操作柜內(nèi)兩套獨(dú)立的伺服系統(tǒng)互為冗余，同時接受來自電氣控制柜主機(jī)PCC的導(dǎo)葉控制信號。系統(tǒng)采用BOCSH的伺服比例閥，實(shí)現(xiàn)調(diào)速器自動和電手動兩種操作方式，兩個伺服比例閥通過切換閥實(shí)現(xiàn)主從切換。

液壓控制主要特點(diǎn)：

（1）監(jiān)測伺服比例閥、主配壓閥和接力器各裝置的位置反饋信號。

（2）主配反饋環(huán)節(jié)增強(qiáng)了系統(tǒng)的速動性和穩(wěn)定性。

（3）采用雙比例伺服閥，互為熱備用，控制單元可自動進(jìn)行切換。

（4）兩個位置閉環(huán)控制，主配閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）、接力器閉環(huán)（外環(huán)），采用數(shù)字PID控制。

2.4 液壓控制部分

績溪抽水蓄能電站的液壓系統(tǒng)控制部分，主配控制部分采用常規(guī)的控制方法，配置雙比例伺服閥加單緊急停機(jī)閥共同控制阿爾斯通主配壓閥，事故配壓閥采用南瑞常規(guī)4個插裝閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式，由純機(jī)械過速保護(hù)裝置和液控閥串聯(lián)控制。其中，分段關(guān)閉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了新型的設(shè)計(jì)思路，下文做了詳細(xì)的分析。

績溪抽水蓄能電站導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律：水泵工況采用一段關(guān)閉規(guī)律，導(dǎo)葉由100%關(guān)閉到0，時間15 s;水輪機(jī)工況采用兩段關(guān)閉規(guī)律，第一段導(dǎo)葉由100%關(guān)閉到65%，時間32 s，第二段導(dǎo)葉由65%關(guān)閉到0，時間21 s，兩段共歷經(jīng)時間53 s。

分段關(guān)閉系統(tǒng)原理圖參考圖1，該系統(tǒng)由4部分組成，分別是分段關(guān)閉裝置1、分段關(guān)閉裝置2、分段關(guān)閉集成塊和行程閥1。對于水泵工況，導(dǎo)葉采用一段關(guān)閉的規(guī)律，只需要投入分段關(guān)閉裝置1的13EM01換向閥至a位，分段關(guān)閉集成塊的13EM02換向閥至a位，驅(qū)動分段裝置1和分段關(guān)閉裝置2處于非節(jié)流狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)。對于水輪機(jī)工況，分段關(guān)閉裝置1的13EM01閥一直處于b位，分段關(guān)閉裝置1一直處于節(jié)流狀態(tài)，分段關(guān)閉集成塊的13EM02閥一直處于b位；當(dāng)導(dǎo)葉開度位于100%到65%的第一段，行程閥1處于a位，分段關(guān)閉集成塊13EM03閥處于b位，驅(qū)動分段關(guān)閉裝置13HV02至b位，即分段關(guān)閉裝置2處于節(jié)流狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)第一段關(guān)機(jī)；當(dāng)導(dǎo)葉開度位于65%到0的第二段，行程閥1處于b位，分段關(guān)閉集成塊13EM03閥處于b位，驅(qū)動分段關(guān)閉裝置13HV02至a位，即分段關(guān)閉裝置2處于非節(jié)流狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)第二段關(guān)機(jī)。第二段關(guān)閉規(guī)律，還可以驅(qū)動分段關(guān)閉集成塊的13EM03閥處于a位，通過電氣控制實(shí)現(xiàn)。

圖1 分段關(guān)閉系統(tǒng)原理圖

3 結(jié)束語

績溪抽水蓄能電站調(diào)速系統(tǒng)采用了進(jìn)口貝加萊控制器，核心軟件由南瑞自主開發(fā)，配合阿爾斯通主配，構(gòu)成了一個完整的調(diào)速系統(tǒng)。通過績溪電廠6臺調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，我們積累了抽水蓄能機(jī)組設(shè)計(jì)方面的大量經(jīng)驗(yàn)，為開發(fā)功能更完備、調(diào)節(jié)性能更靈敏、性價比更高的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。