高水头冲击式水轮发电机组交流励磁与调速协调控制策略

李川，王明渝

(重庆大学电气工程学院，重庆 400044)

高水头冲击式水轮发电机组交流励磁与调速协调控制策略

李川，王明渝

(重庆大学电气工程学院，重庆 400044)

分析了影响冲击式水轮机的效率的因素，针对基于双馈异步电机的高水头冲击式水轮机发电机组的多变量、强耦合特点，提出了交流励磁和液压调速的变参数、变结构的协调控制策略，完成了两者之间的最优动态匹配，既实现了最优转速跟踪，又实现了有功功率和无功功率的解耦控制，提高了并网稳定性。仿真研究结果表明所提出的控制策略是有效的。

高水头冲击式水轮发电机;变速恒频;效率优化

按水流作用于水轮机转轮的方式，水轮机有反击式和冲击式之分。冲击式水轮机结构简单，机组安装高程不受空蚀条件的限制，在国内外的高水头电站中得到了较为普遍的应用［1］。传统的高水头冲击式水轮发电机组采用恒频恒速技术，要求发电机转速恒定，导致水能利用率低且适应工况的能力不强。随着电力电子技术、自动控制理论和微电子技术的发展，基于双馈异步电机的交流励磁变速恒频冲击式水轮发电机组成为趋势，它简化了发电系统结构，降低了成本，提高了能源转换效率［2］。

1 冲击式水轮机组特性

设实验水头恒定，转速恒定，同一个水斗单位时间接受的射流流量在不同位置是不一样的，用下式表示:

式(1)中:s0为射流截面面积;v0为射流速度;u为圆周速度;n为转速;α为圆周速度与射流速度的夹角;D1为转轮有效直径。

研究在恒定水头和喷针开度的条件下，如何获得最大的ΔQ。冲击式水轮机当水头恒定时，其管道压力恒定，v0恒定;当喷嘴开度恒定时，s0恒定，故影响ΔQ的因素就只有圆周速度u和水轮机转速n。所以对于冲击式水轮机，其转速是影响效率的主要因素。

冲击式水轮机效率曲线如图1所示［3］。效率随转速急剧变化，取得最优效率的转速范围很窄。转速越快，效率下降越快，而且转速上升时效率下降的速度比转速下降时效率下降的速度要快。

图1 冲击水轮机的效率曲线

2 交流励磁与调速协调控制

常规水轮发电机组(即同步发电机组)只能在额定同步转速下运转，机组转速固定不变，无调节余地。通常设计成在加权平均水头下达到最优单位转速，在最优单位转速附近水轮机具有良好性能和效率。若水头变化而转速不能改变，则水轮机势必效率降低、气蚀系数增大，磨蚀和振动增加，运行工况恶化。对于交流励磁变速恒频机组，在实时水头变化时可以通过动态调节轮机转速来获得最大效率和最优工况［4］。系统总体结构如图2所示。

图2 交流励磁变速恒频发电机组结构框图

图2中，核心模块是交流励磁与调速协调控制系统。当水头发生变化时，由最优转速模型计算出最优转速指令，速度控制回路调节喷针开度，满足转速指令，获得最大效率;在速度调节过程中，功率调节回路维持发电机输出功率不变。

并网运行发电机组存在多工况运行情况，如空载运行和并网发电运行等，不同工况被控对象的数学模型差异较大［5］。要获得良好的控制品质，不同工况应采用不同的控制策略。本文提出了变结构、变参数协调控制思想，即设计协调控制模块，建立协调控制机制。在协调控制模块管理下实现空载运行控制和并网发电控制的动态切换、交流励磁控制和转速控制的动态匹配。协调控制系统总体结构框图如图3所示。协调控制模块实时监测发电机组状态，按协调机制调用控制策略、调整控制结构、重配控制参数。

图3 协调控制系统总体框图

并网断路器状态信号DL用于触发空载运行控制和并网发电控制的动态切换。当DL=0即并网断路器分闸时，调用空载运行控制策略;当DL =1即并网断路器合闸时，切换到并网发电控制策略。协调控制模块监测功率需求增量ΔP和水头增量Δh，并分4种情况启动不同的控制策略。当ΔP≠0，Δh=0，即需求电功率变化时，功率调节回路调节交流励磁电流向量，从而控制输出电功率以满足需求变化。速度调节回路恒定机组转速，由于功率调节快、速度调节慢，因此在速度调节回路投入开度前馈控制，动态改变水机喷针开度增量Δδ=f(ΔP)，预调水轮机出力以减小转速波动。当ΔP=0，Δh≠0，即水头变化时，速度调节回路按最优转速指令控制转速以实现最大效率追踪。功率调节回路检测水机转速，调节励磁电流幅值及频率，恒定输出电功率。由于功率调节快，功率调节回路能抑制速度变化带来的扰动，故可不设功率前馈控制，但要兼顾电功率变化时的跟随性能和水头变化时的抗扰性能。当ΔP≠0，Δh≠0，即功率需求和工作水头同时变化时，功率调节、最大效率追踪控制和开度前馈控制遵循严格时序，即先启动功率调节以保证电网稳定，接着启动开度前馈控制预调机械出力，待功率调节过程基本稳定后再启动最大效率追踪控制。

当电网有功负荷突变时，发电机组有功给定来不及变化，有功供需失衡引起电网频率变化。同理，当电网无功负荷突变时，无功供需失衡引起电网电压幅值变化。为了快速抑制负荷突变或电网故障所引起的频率和电压波动，协调控制系统还应考虑有功、无功校正环节。

3 系统仿真研究

根据上述控制策略，在Matlab/Simulink环境下建立系统仿真模型。系统仿真原理框图和双馈发电机空载模型如图4、5所示。根据水头h，得到最优转速。有功和无功是通过矢量控制算法实现解耦的。

图4 发电机组运行控制仿真框图

图5 MT坐标系下的双馈发电机空载模型

系统仿真结果如图6～8所示。图6为机端电压波形，频率为50 Hz。

图6 机端电压A相波形

模拟水头变化，改变水头h的输入值，分别为h1=400 m，h2=600 m，h3=800 m，转轮直径D= 1.25 m，按最优转速模型(算法)计算最优转速。设最优转速阶跃变化±20%，记录机组转速，有功、无功变化曲线。图7为双馈电机超同步运行时转速给定，转速跟踪及有功，无功变化曲线。图8为双馈电机亚同步运行时转速给定、转速跟踪及有功、无功变化曲线。

图7 最大效率追踪控制(超同步运行)

图8 最大效率追踪控制(亚同步运行)

可以看出:最优转速算法能实时计算最优转速，计算精度高;速度控制回路按最优转速指令调节，将转速稳定在最优转速;转速响应慢而稳、有效克服了机组抽动。交流励磁与调速器的协调控制，使最大效率追踪过程中的转速变化不影响有、无功输出。调节过程中有功波动很小，无功无波动，稳定后有、无功不变。

4 结束语

高水头冲击式水轮发电机组存在多工况运行情况，控制系统较为复杂，具有多变量、多回路控制的特点，且被控参量非线性、强耦合。既要进行有功、无功调节，又要对最大效率追踪控制。本文基于融合技术的交流励磁系统和液压调速器的最优动态匹配，提出协调控制策略和适应不同工况的多模态控制算法，以实现有、无功独立快速控制和最大效率追踪。仿真研究结果表明了控制算法的准确性。

［1］程时兵，罗耀华.变速恒频双馈潮流发电机励磁控制技术［J］.应用科技，2008，35(2):41－44.

［2］刘其辉，贺益康，卞松江.变速恒频风力发电机空载并网控制研究［J］.中国电机工程学报，2004，24(3):6－11.

［3］陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［4］廖勇，杨顺昌.交流励磁发电机励磁控制［J］.中国电机工程学报，1998，18(2):87－90.

［5］吴国祥，黄建民，陈国呈，等.变速恒频双馈风力发电运行综合控制策略［J］.电机与控制学报，2008，12 (4):435－440.

(责任编辑 杨黎丽)

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－head 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－head 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

重庆市科委科技攻关计划项目(cstc，2007ac3033)

李川(1981—)，硕士研究生，主要从事电力电子与电力传动研究。

李川，王明渝.高水头冲击式水轮发电机组交流励磁与调速协调控制策略［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(9):108－111.

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