抽水蓄能机组调速器智能启动策略研究

王跃

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 210061）

抽水蓄能机组在静止工况下接收到水轮机工况开机指令后，调速器即进入相应的开机程序，按照一定的规律将导叶打开，控制机组向水轮机方向启动[1]。当调速器空载开度设置不合理时，就会使机组开机后转速过高甚至无法启动，延长开机时间。

抽水蓄能机组的开机过程时间取决于开机控制规律。在保证系统稳定性的前提下，选取最优的开机控制策略，对缩短开机过程时间具有十分重要的意义。由于抽水蓄能机组在电力系统中承担着削峰填谷、调频调相和事故备用任务，开停机比较频繁，如果能加速机组的开机过程，实现快速平稳开机并网，将大大改善机组的动态特性，提高电网的稳定性，增加抽水蓄能电站的经济效益。

1 抽水蓄能机组调速器启动控制策略分析

目前，我国大多数抽水蓄能机组的启动控制策略都是按照转速偏差进行PID控制调节，开机控制方式往往有两种：

第一种开机控制方式是在水轮机开启过程中，先将导叶开启至空载开度，使机组的转速逐渐升高到额定转速附近，再切换到PID控制，待机组转速稳定后再进行并网[2]。这种开机方式因导叶的控制开度为空载开度，所以机组转速在接近额定转速时不容易出现超调，但由于抽水蓄能机组水头变化范围较大，精确控制和调节导叶开度比较困难，从而导致开机时间较长。此外，机组的转速变化与其惯性时间常数Ta有关，机组的Ta越大，转速变化越慢，开机时间就越长。因此，这种开机方式对于机组惯性时间常数比较大、要求有快速响应能力的抽水蓄能机组来说，显然不能满足要求。

第二种开机控制方式是目前普遍采用的两段开机控制规律。当调速器接到开机指令后，先以最快速度将导叶迅速开启到启动开度（启动开度约为空载开度的2倍），并保持这一开度不变，这时机组的转速和频率迅速上升，当频率升至某一设定值fi（fi一般为额定频率的90%）时，立即将导叶的开度限制调整到空载开度限制，投入PID调节控制，直到机组频率升至额定频率并逐渐稳定。这种开机方式由于导叶的初始启动开度较大，机组转速和频率上升很快，可以缩短开机时间。这种开机控制方式的不足之处是：首先，启动开度的选取与机组的空载开度密切相关，空载开度又是水头的函数，目前抽水蓄能电站使用的空载开度-水头关系曲线有的由转轮模型曲线转换得出，有的基于历史运行数据，不可避免存在偏差，由于抽水蓄能机组水头变化范围较大，当实际水头和设定水头偏差较大时，通过插值计算出的空载开度将与实际值偏差较大，就会造成启动开度的选取失准；其次，启动开度的选取比较盲目，启动开度选取过小则开机速度缓慢，过大则易产生过调，启动开度为空载开度的两倍不一定最优，也并不适用于所有机组，若第一段启动开度太大、机组升速过快，会产生较大的超调量；此外，这种开机方式当导叶从较大的启动开度突然降到较小的空载开度时，会引起引水系统水压的较大变化，在管道内产生大幅水压震荡，影响机组的稳定运行。

这种传统的抽水蓄能机组调速器启动控制以偏差为基础，在开机过程中如机组转速低于额定转速，调速器控制导叶开启，只有当机组转速非常接近或者高于额定转速后，导叶才会关闭，由于导叶关闭速度受电站压力引水系统水锤作用的限制和机组转动惯性的影响不能迅速关闭，易于造成机组过速和开机时间延长；机组的启动控制与电站水头和空载开度密切相关，在不能确定当时水头下的空载开度时机组的启动控制十分困难；PID控制算法存在积分饱和，对机组的启动控制十分不利，特别是对低水头和大转动惯量的机组影响十分严重。因此，采取按偏差进行PID调节的控制策略很难解决抽水蓄能机组的启动问题。

2 抽水蓄能机组调速器智能启动策略

为解决以偏差为基础的PID控制策略不能满足抽水蓄能机组在不同水头下有较好启动特性的问题，提出了机组智能启动控制策略[3-4]，其控制目标为

式中，dΔf/dt为转速的微分；Δf为转速的偏差。

该控制目标要求转速的微分与转速偏差的比值在机组启动过程中为一常数C。在实际控制过程中，很难始终保持这一比值为设定的常数。从式（1）可知，机组启动过程中当转速偏差较大时，可以控制机组有较大的转速变化；当机组转速偏差较小时，控制机组有较小的转速变化，基本保持这一比值为设定的常数，并且控制转速始终朝着偏差减小的方向变化，这样就可使机组转速平稳地接近额定转速。由于机组启动过程中该比值与设定的常数之差有正有负，不同于按照转速偏差进行PID控制调节其偏差总是正的，从而减小了积分饱和的影响。当机组转速接近额定转速时，再将调速器切换到按频率偏差调节的PID控制。

3 开机过程控制

对于抽水蓄能机组来说，最优开机方式应该在保证系统稳定的前提下使机组转速升高最快而超调量最小。传统的抽水蓄能机组开机过程均采用开环控制，容易使机组开机时间过长或转速过高。针对开环控制的缺点，智能启动策略采用闭环开机控制方式，即设置机组开机时的转速上升期望特性作为频率给定，机组的开机控制不依赖于空载开度和启动开度，在整个开机过程中调速器始终处于闭环调节状态，控制机组频率跟踪频率给定曲线上升。通过设置合理的频率给定曲线，使机组的开机达到快速而不过速的要求。

智能启动策略的开机控制，是在调速器接到开机指令后开启导叶起动机组，当机组转速上升到额定转速的30%时投入智能启动控制策略。依据计算转速微分与转速偏差的比值与设定常数的偏差，调速器进行PI控制，不断调节导叶开度，使机组转速快速上升并保证不过速。当机组转速上升到额定转速的98%时，切除调速器智能启动控制策略，切换到频率偏差的PID控制，维持机组空载转速的稳定[5]。

4 机组智能启动仿真

智能启动控制不依赖于机组空载开度和启动开度，可以有两种开机方式：当水头信号正常时，调速器根据水头计算出理论空载开度进行开机；当水头信号失效时，调速器计算出一个安全、保守的启动开度进行开机[6]。对两种不同的开机方式进行仿真计算，开机过程曲线分别如图1、图2所示。

图1 水头信号正常时智能启动控制策略的启动过程曲线Fig.1 Starting process curve with intelligent starting control strategy when the head signals are in the normal conditions

图2 水头信号失效时智能启动控制策略的启动过程曲线Fig.2 Starting process curve with intelligent starting control strategy when the head signals are in the failed conditions

从图1、图2可以看出，智能开机控制策略在有水头或无水头信号的情况下，均能快速平稳地实现机组开机并网。

5 结语

传统的抽水蓄能机组开机过程采用按偏差调节的控制策略，开机过程控制依赖于空载开度和启动开度的确定，PID控制算法存在积分饱和[7-8]，采用开环控制容易使机组开机时间过长或转速过高。针对上述缺点，本文提出了抽水蓄能机组调速器智能启动策略，把机组开机时的转速上升期望特性作为频率给定，采用闭环开机控制方式，控制机组频率跟踪频率给定曲线上升。机组的开机控制不依赖于空载开度和启动开度，减小了积分饱和的影响。水头信号正常时和水头信号失效时的机组启动过程仿真结果表明，智能启动控制策略可以保证抽水蓄能机组安全平稳开机。所研究的方法可用于抽水蓄能机组快速启动，减少现场调试的复杂性和提高机组运行的稳定性，还可广泛应用于水电站机组的开机控制，有重要的实际应用价值。

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