子午水电站可逆机组变频器与调速器联合控制功能分析

李小波，李佳宁

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710011)

1 工程概况

子午水电站是引汉济渭调水工程的两个水源地之一，坝高141.5 m，总库容7.1亿m3。安装2台可逆式混流机组，2台常规混流机组，其中常规机组单机容量20 MW，额定转速375 r/min，可逆机组单机容量10 MW，额定转速500 r/min；发电总装机容量60 MW，抽水总装机容量24 MW。

电站库区正常蓄水位643 m，最低发电水位593 m，库区水头波动范围较大，为扩大水头利用范围，设计有变频发电以及变频抽水工况。

水库供水期间，4台机组做发电工况运行，发电供水设计流量72.71 m3/s。水库补水期间，可逆机组抽水工况运行，设计抽水流量18 m3/s，设计年均抽水量1.078亿m3，设计年均发电量1.214亿kW·h。

2 完美无谐波高压变频器系统

子午水电站设计装设西门子GH180四象限完美无谐波高压变频器，其组成部分包括输入/输出部分、功率单元部分、变压器部分、控制部分、冷却部分。

四象限变频调速装置采用IGBT有源整流，其能量在电网和直流母线之间双向流动，既可以根据水泵的扬程、流量调整电机的输入功率，也可以将机组在低水头下发出的电能输送到电网；同时实现了机组在电机工况下的稳定工作和机组在发电工况下的连续工作。不但电网谐波污染小，而且输入功率因数高，输出波形质量好。通过若干低压PWM变频功率单元级联的方法以达到高压直接输出的目的，避免了谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性[1]。

功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，10 kV电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，可实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机[2]。

3 可逆机调速器系统

3.1 调速器

子午水电站采用东方电机HGS—E412型调速器，由调速器电气柜、机械液压随动系统组成。电气控制系统采用工业控制器PCC为硬件核心，组成冗余双通道控制结构，可以实现机组的开机、停机、并网、发电、调相等功能，并可与电站监控系统通讯，接受监控系统的控制。

3.2 控制系统技术特点

(1)调速器内嵌性能测试系统，可以进行调速器接力器开/关机时间测试、调速器随动系统调整与测试、调速器系统静态特性和各种动态特性测试等，可以大大简化系统现场调试及维护工作，易于调速器的使用与维护[3]。

(2)采用交叉冗余技术。调速器拥有两套控制通道，其每一控制通道都将获得冗余的信号输入且控制冗余的模块；当主用控制通道故障时，将自动切换至备用通道工作。

(3)通讯方式可通过软件配置完成，具备自我诊断功能，对于模块自身故障可实时诊断并送出信号；对于外围传感器信号，可通过I/O模块内部硬件检查回路直接获得，不必经过软件处理，冗余切换快速准确。

3.3 系统控制策略

HGS—E412型调速器所采纳的变参数、变结构的适应性并联PID控制策略，可以确保子午水电站可逆式机组在抽水工况和发电工况下机组均处于最优状态。转速、开度、功率三种模式控制自动切换，可以使机组在不同工况下自动匹配与之合适的方式，提高了机组的稳定性。同时，采取了非最小相位补偿和积分钳位等措施，增加了系统小波动控制的稳定性，提高了调速系统在孤网工况下运行的稳定性[4]。子午水电站可逆机组调速器控制策略框图如下所示(见图1)。

图1 子午水电站可逆机组调速器控制策略框图

4 可逆机运行水位条件

4.1 工频发电运行水位条件

可逆机运行最低尾水位为535.00 m，最小发电水头75 m，额定水头90 m，最大发电水头108 m。单机发电流量范围5.92～12.58 m3/s。在75～108 m水头之间，可逆机工频运行。

4.2 变频发电运行水位条件

最低尾水位为535.00 m，变频发电水头范围90～32 m，机组转速范围500～300 r/min，单机发电流量范围5.00～12.58 m3/s。

4.3 工频抽水扬程范围

在库区需要补水且扬程在85～96.44 m范围内，可逆式水泵水轮机组工频抽水运行。

4.4 变频抽水扬程范围

在库区需要补水且扬程在40～85 m范围内，可逆式水泵水轮机组变频抽水运行。

5 可逆机组工况分析

在变频发电工况时，变频器将机端低频、低压的电首先整流，然后逆变成工频的交流电输送到电网。

在抽水工况时，变频器将工频的交流电通过整流器变成直流电，然后再将直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源供给可逆式机组[5]。

机组自动开机前，调速器“自动”灯亮，调速器无故障报警输出，A、B通道正常指示灯亮，电柜处于停机备用状态。

5.1 水轮机工况

工频开机命令，目标转速为50 Hz；变频开机命令，目标转速由调速器根据当前水头自动计算得到最优转速。

从机组监控系统向调速器发出工频/变频发电开机令，调速器将确认调速器处于水轮机工况；如果不是，调速器将自动切换水轮机/水泵工况切换电磁阀；切换完成后，由压力开关反馈至调速器，调速器将执行水轮机开机命令。如果切换失败，调速器将不会执行水轮机开机命令，开机令终止。

5.1.1 工频发电

工频发电工况下，调速器为功率闭环调节模式，监控系统根据水头、流量信息计算发电功率，将计算结果通过模拟量输出下发至调速器。

上位机下发工频发电开机令，调速器接收到脉冲信号后以最快的速度把机组调节至额定转速。

工频发电工况下变频器不参与控制，与常规水电机组开机流程一致，在此不做赘述。

5.1.2 变频发电

变频发电工况下调速器为转速闭环、流量开环调节模式，监控系统下发水头及流量信号给调速器，变频器为功率闭环调节模式。监控系统根据发电工况下水头、流量、功率特性曲线表，跟踪导叶开度或转速变化，将实时功率数据发送给变频器。

上位机下发变频发电开机令，调速器在接到变频发电开机令后，控制机组频率在5～25 Hz区间缓慢升速，变频器在机组低转速模式下，捕捉发电机转速信号；捕捉成功后，变频器内部IGBT导通，实现并网发电。机组并网后，调速器调节机组使其保持在当前水头最优转速。

变频发电开机框架流程为：调速、励磁变频发电模式→变频器就绪令→变频器准备就绪→调速器开机令→转速大于5 Hz→变频器开机令(功率给定)→机组转速达到目标转速。

5.2 水泵工况

从机组监控系统向调速器发出工频/变频抽水开机令，调速器将确认调速器处于水泵工况；如果不是，调速器将自动切换水轮机/水泵工况切换电磁阀；切换完成后，由压力开关反馈至调速器，调速器将执行抽水开机命令。如果切换失败，调速器将不会执行抽水开机命令。

5.2.1 工频抽水

工频抽水工况下调速器根据水头调节导叶，监控系统下发水头信号给调速器。

工频抽水启动框架流程为：励磁变频抽水模式→变频器就绪令→变频器准备就绪→调速器工频抽水模式→调速器开机令→变频器开机令(转速给定)→机组转速达到50 Hz→变频器同步上切准备令→同步上切准备就绪→机组出口断路器合闸→变频器同步上切完成→变频器发准备停机令给励磁→励磁自行切至工频抽水模式→变频器停机令→变频器运行中复归→压力达到给定值→开启蝶阀。

工频抽水工况下变频器的作用相当于软启动器。

5.2.2 变频抽水

变频抽水工况下变频器为转速闭环调节，监控系统根据水泵工况下水头、转速、流量关系表确定运行转速后下发给变频器；调速器为流量开环调节模式，监控系统下发水头、流量给定值至调速器。

变频抽水启动框架流程为：励磁变频抽水模式→变频器就绪令→变频器准备就绪→调速器变频抽水模式→调速器开机令→变频器开机令(转速给定)→转速达到目标转速→压力达到给定值→开启蝶阀。

6 结 语

变频抽水虽然在一些扬程较大的泵站应用较为广泛，但也只是单纯的可调速拖动电机。子午水电站是国内首次将变频发电以及变频抽水同时应用到实际中的项目，可以为水头变幅较大的同类型小水电工程提供借鉴。