王躍

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 210061）

抽水蓄能機組在靜止工況下接收到水輪機工況開機指令后，調(diào)速器即進入相應(yīng)的開機程序，按照一定的規(guī)律將導(dǎo)葉打開，控制機組向水輪機方向啟動[1]。當(dāng)調(diào)速器空載開度設(shè)置不合理時，就會使機組開機后轉(zhuǎn)速過高甚至無法啟動，延長開機時間。

抽水蓄能機組的開機過程時間取決于開機控制規(guī)律。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，選取最優(yōu)的開機控制策略，對縮短開機過程時間具有十分重要的意義。由于抽水蓄能機組在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和事故備用任務(wù)，開停機比較頻繁，如果能加速機組的開機過程，實現(xiàn)快速平穩(wěn)開機并網(wǎng)，將大大改善機組的動態(tài)特性，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，增加抽水蓄能電站的經(jīng)濟效益。

1 抽水蓄能機組調(diào)速器啟動控制策略分析

目前，我國大多數(shù)抽水蓄能機組的啟動控制策略都是按照轉(zhuǎn)速偏差進行PID控制調(diào)節(jié)，開機控制方式往往有兩種：

第一種開機控制方式是在水輪機開啟過程中，先將導(dǎo)葉開啟至空載開度，使機組的轉(zhuǎn)速逐漸升高到額定轉(zhuǎn)速附近，再切換到PID控制，待機組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后再進行并網(wǎng)[2]。這種開機方式因?qū)~的控制開度為空載開度，所以機組轉(zhuǎn)速在接近額定轉(zhuǎn)速時不容易出現(xiàn)超調(diào)，但由于抽水蓄能機組水頭變化范圍較大，精確控制和調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度比較困難，從而導(dǎo)致開機時間較長。此外，機組的轉(zhuǎn)速變化與其慣性時間常數(shù)Ta有關(guān)，機組的Ta越大，轉(zhuǎn)速變化越慢，開機時間就越長。因此，這種開機方式對于機組慣性時間常數(shù)比較大、要求有快速響應(yīng)能力的抽水蓄能機組來說，顯然不能滿足要求。

第二種開機控制方式是目前普遍采用的兩段開機控制規(guī)律。當(dāng)調(diào)速器接到開機指令后，先以最快速度將導(dǎo)葉迅速開啟到啟動開度（啟動開度約為空載開度的2倍），并保持這一開度不變，這時機組的轉(zhuǎn)速和頻率迅速上升，當(dāng)頻率升至某一設(shè)定值fi（fi一般為額定頻率的90%）時，立即將導(dǎo)葉的開度限制調(diào)整到空載開度限制，投入PID調(diào)節(jié)控制，直到機組頻率升至額定頻率并逐漸穩(wěn)定。這種開機方式由于導(dǎo)葉的初始啟動開度較大，機組轉(zhuǎn)速和頻率上升很快，可以縮短開機時間。這種開機控制方式的不足之處是：首先，啟動開度的選取與機組的空載開度密切相關(guān)，空載開度又是水頭的函數(shù)，目前抽水蓄能電站使用的空載開度-水頭關(guān)系曲線有的由轉(zhuǎn)輪模型曲線轉(zhuǎn)換得出，有的基于歷史運行數(shù)據(jù)，不可避免存在偏差，由于抽水蓄能機組水頭變化范圍較大，當(dāng)實際水頭和設(shè)定水頭偏差較大時，通過插值計算出的空載開度將與實際值偏差較大，就會造成啟動開度的選取失準(zhǔn)；其次，啟動開度的選取比較盲目，啟動開度選取過小則開機速度緩慢，過大則易產(chǎn)生過調(diào)，啟動開度為空載開度的兩倍不一定最優(yōu)，也并不適用于所有機組，若第一段啟動開度太大、機組升速過快，會產(chǎn)生較大的超調(diào)量；此外，這種開機方式當(dāng)導(dǎo)葉從較大的啟動開度突然降到較小的空載開度時，會引起引水系統(tǒng)水壓的較大變化，在管道內(nèi)產(chǎn)生大幅水壓震蕩，影響機組的穩(wěn)定運行。

這種傳統(tǒng)的抽水蓄能機組調(diào)速器啟動控制以偏差為基礎(chǔ)，在開機過程中如機組轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速，調(diào)速器控制導(dǎo)葉開啟，只有當(dāng)機組轉(zhuǎn)速非常接近或者高于額定轉(zhuǎn)速后，導(dǎo)葉才會關(guān)閉，由于導(dǎo)葉關(guān)閉速度受電站壓力引水系統(tǒng)水錘作用的限制和機組轉(zhuǎn)動慣性的影響不能迅速關(guān)閉，易于造成機組過速和開機時間延長；機組的啟動控制與電站水頭和空載開度密切相關(guān)，在不能確定當(dāng)時水頭下的空載開度時機組的啟動控制十分困難；PID控制算法存在積分飽和，對機組的啟動控制十分不利，特別是對低水頭和大轉(zhuǎn)動慣量的機組影響十分嚴重。因此，采取按偏差進行PID調(diào)節(jié)的控制策略很難解決抽水蓄能機組的啟動問題。

2 抽水蓄能機組調(diào)速器智能啟動策略

為解決以偏差為基礎(chǔ)的PID控制策略不能滿足抽水蓄能機組在不同水頭下有較好啟動特性的問題，提出了機組智能啟動控制策略[3-4]，其控制目標(biāo)為

式中，dΔf/dt為轉(zhuǎn)速的微分；Δf為轉(zhuǎn)速的偏差。

該控制目標(biāo)要求轉(zhuǎn)速的微分與轉(zhuǎn)速偏差的比值在機組啟動過程中為一常數(shù)C。在實際控制過程中，很難始終保持這一比值為設(shè)定的常數(shù)。從式（1）可知，機組啟動過程中當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差較大時，可以控制機組有較大的轉(zhuǎn)速變化；當(dāng)機組轉(zhuǎn)速偏差較小時，控制機組有較小的轉(zhuǎn)速變化，基本保持這一比值為設(shè)定的常數(shù)，并且控制轉(zhuǎn)速始終朝著偏差減小的方向變化，這樣就可使機組轉(zhuǎn)速平穩(wěn)地接近額定轉(zhuǎn)速。由于機組啟動過程中該比值與設(shè)定的常數(shù)之差有正有負，不同于按照轉(zhuǎn)速偏差進行PID控制調(diào)節(jié)其偏差總是正的，從而減小了積分飽和的影響。當(dāng)機組轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時，再將調(diào)速器切換到按頻率偏差調(diào)節(jié)的PID控制。

3 開機過程控制

對于抽水蓄能機組來說，最優(yōu)開機方式應(yīng)該在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下使機組轉(zhuǎn)速升高最快而超調(diào)量最小。傳統(tǒng)的抽水蓄能機組開機過程均采用開環(huán)控制，容易使機組開機時間過長或轉(zhuǎn)速過高。針對開環(huán)控制的缺點，智能啟動策略采用閉環(huán)開機控制方式，即設(shè)置機組開機時的轉(zhuǎn)速上升期望特性作為頻率給定，機組的開機控制不依賴于空載開度和啟動開度，在整個開機過程中調(diào)速器始終處于閉環(huán)調(diào)節(jié)狀態(tài)，控制機組頻率跟蹤頻率給定曲線上升。通過設(shè)置合理的頻率給定曲線，使機組的開機達到快速而不過速的要求。

智能啟動策略的開機控制，是在調(diào)速器接到開機指令后開啟導(dǎo)葉起動機組，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速的30%時投入智能啟動控制策略。依據(jù)計算轉(zhuǎn)速微分與轉(zhuǎn)速偏差的比值與設(shè)定常數(shù)的偏差，調(diào)速器進行PI控制，不斷調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，使機組轉(zhuǎn)速快速上升并保證不過速。當(dāng)機組轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速的98%時，切除調(diào)速器智能啟動控制策略，切換到頻率偏差的PID控制，維持機組空載轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定[5]。

4 機組智能啟動仿真

智能啟動控制不依賴于機組空載開度和啟動開度，可以有兩種開機方式：當(dāng)水頭信號正常時，調(diào)速器根據(jù)水頭計算出理論空載開度進行開機；當(dāng)水頭信號失效時，調(diào)速器計算出一個安全、保守的啟動開度進行開機[6]。對兩種不同的開機方式進行仿真計算，開機過程曲線分別如圖1、圖2所示。

圖1 水頭信號正常時智能啟動控制策略的啟動過程曲線Fig.1 Starting process curve with intelligent starting control strategy when the head signals are in the normal conditions

圖2 水頭信號失效時智能啟動控制策略的啟動過程曲線Fig.2 Starting process curve with intelligent starting control strategy when the head signals are in the failed conditions

從圖1、圖2可以看出，智能開機控制策略在有水頭或無水頭信號的情況下，均能快速平穩(wěn)地實現(xiàn)機組開機并網(wǎng)。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的抽水蓄能機組開機過程采用按偏差調(diào)節(jié)的控制策略，開機過程控制依賴于空載開度和啟動開度的確定，PID控制算法存在積分飽和[7-8]，采用開環(huán)控制容易使機組開機時間過長或轉(zhuǎn)速過高。針對上述缺點，本文提出了抽水蓄能機組調(diào)速器智能啟動策略，把機組開機時的轉(zhuǎn)速上升期望特性作為頻率給定，采用閉環(huán)開機控制方式，控制機組頻率跟蹤頻率給定曲線上升。機組的開機控制不依賴于空載開度和啟動開度，減小了積分飽和的影響。水頭信號正常時和水頭信號失效時的機組啟動過程仿真結(jié)果表明，智能啟動控制策略可以保證抽水蓄能機組安全平穩(wěn)開機。所研究的方法可用于抽水蓄能機組快速啟動，減少現(xiàn)場調(diào)試的復(fù)雜性和提高機組運行的穩(wěn)定性，還可廣泛應(yīng)用于水電站機組的開機控制，有重要的實際應(yīng)用價值。

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