基于機組運行特性曲線的變速抽水蓄能機組自適應協(xié)調控制方法

張高高，姜海軍，徐 青，高蘇杰

(1.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇南京211106；2.國網新源控股有限公司，北京100005)

0 引 言

隨著大量風能、太陽能等間歇性可再生能源并網發(fā)電運行，基于大容量電能存儲技術的電力平衡控制已成為電網安全穩(wěn)定運行與控制的迫切需求[1]。抽水蓄能電站具有調峰、填谷、調頻及事故備用等功能，是當前解決電力系統(tǒng)調峰問題的最為經濟有效的手段之一[2]。當前，國內抽水蓄能機組全部是定速抽水蓄能機組，定速抽水蓄能機組抽水工況只能采取“開機-滿負荷-停機”控制方式，無法滿足電網連續(xù)、快速、準確進行頻率調節(jié)和調整有功功率的要求。對此，變速抽水蓄能機組(以下簡稱“變速機組”)是解決問題的優(yōu)選方案。變速機組具有一定程度的異步運行能力，通過相位、幅值控制可獲得快速有功功率和無功功率響應，有利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行[3]。

變速機組控制系統(tǒng)包括監(jiān)控、調速器和交流勵磁這三個方面。變速機組功率可以通過調速器控制及交流勵磁控制兩種途徑實現(xiàn)調節(jié)，交流勵磁與調速器在各自對變速機組有功功率的控制過程中，存在相互影響需要協(xié)調解決的問題；而且，不同工況下變速機組的運行方式及控制要求不同，調速器與勵磁系統(tǒng)控制之間的協(xié)調要求也不盡相同[4-5]。因此，研究變速機組調速器與勵磁系統(tǒng)之間的協(xié)調控制方法是解決上述問題的有效途徑。

基于此，本文以變速機組勵磁系統(tǒng)和調速器的協(xié)調控制為研究對象，提出一種基于機組運行特性曲線實現(xiàn)變速機組交流勵磁系統(tǒng)與調速器聯(lián)合協(xié)調控制的自適應控制方法。根據(jù)變速機組的工作原理建立協(xié)調控制系統(tǒng)模型結構，以此為基礎提出基于變速機組運行特性曲線的變速機組勵磁系統(tǒng)與調速器聯(lián)合協(xié)調控制方法，解決變速機組發(fā)電工況和抽水工況的協(xié)調控制問題，并通過仿真驗證該變速抽水蓄能機組自適應協(xié)調控制方法，仿真結果表明，該方法具有較高的精度和可行性。

1 變速機組協(xié)調控制模型

變速機組系統(tǒng)結構如圖1所示，該系統(tǒng)主要由水泵水輪機、發(fā)電-電動機、交流勵磁系統(tǒng)、調速器和協(xié)調控制裝置組成[1]。水泵水輪機是系統(tǒng)的負載或原動機，受調速器控制。發(fā)電-電動機為雙饋型感應電機，可工作在發(fā)電和電動狀態(tài)[6]。交流勵磁系統(tǒng)為發(fā)電電動機提供交流勵磁。協(xié)調控制裝置用于產生功率、轉速和導葉開度給定信號，分別用于控制交流勵磁系統(tǒng)和調速器。

圖1 變速抽水蓄能機組系統(tǒng)結構

根據(jù)上述變速機組的系統(tǒng)結構建立變速機組協(xié)調控制系統(tǒng)模型，該模型主要由監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)調控制裝置、交流勵磁系統(tǒng)和調速器組成，其結構如圖2所示，其中：監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)調控制裝置負責協(xié)調控制，根據(jù)機組有功設定值和實時工作水頭，利用機組綜合特性計算出對應的機組最優(yōu)轉速和最優(yōu)導葉開度值，下發(fā)給調速器和交流勵磁系統(tǒng)，調速器調節(jié)水泵水輪機導葉開度，交流勵磁系統(tǒng)控制勵磁電流，實現(xiàn)機組有功功率、無功功率和轉速的調節(jié)，使變速機組運行在高效率區(qū)。

圖2 變速抽水蓄能機組協(xié)調控制系統(tǒng)模型結構

2 變速機組運行特性曲線

變速機組運行特性曲線是研究變速機組控制系統(tǒng)協(xié)調控制方法的基礎。目前，我國還沒有變速抽水蓄能機組應用業(yè)績，因此，本文利用參考文獻[7]中的日本大河內電站變速抽水蓄能機組(已投入運行)的運行特性曲線(如圖3所示)為樣本數(shù)據(jù)，進行變速機組協(xié)調控制方法研究。

圖3 日本大河內電站變速抽水蓄能機組的運行特性曲線

圖3a、3b為大河內電站變速機組發(fā)電、抽水工況下運行特性曲線，可以看出，發(fā)電機工況下變速機組轉速在335～352 r/min范圍內可調，導葉開度在0.5～0.9范圍內可調，而系統(tǒng)輸出功率(系統(tǒng)出力)可在96～320 MW的范圍內改變，水輪機靜水頭變化范圍為342～415.6 m；抽水(水泵)工況下，變速機組轉速在330～390 r/min范圍內可調，導葉開度在0.6～1.0范圍內可調，而系統(tǒng)輸入功率則在210～400 MW的范圍內變化，水泵的總揚程范圍為362.2～432 m。

3 變速機組協(xié)調控制方法

根據(jù)上文所示的變速機組運行特性曲線可知：機組轉速N、導葉開度y分別與系統(tǒng)功率P和靜水頭H存在一定的函數(shù)關系，因此，本節(jié)根據(jù)上文已知的變速機組發(fā)電工況和抽水工況的運行特性曲線，通過對該曲線進行數(shù)據(jù)采樣，建立插值數(shù)據(jù)樣本，再采用徑向基函數(shù)插值法插值擬合推導變速機組協(xié)調控制數(shù)學模型。

3.1 協(xié)調控制數(shù)學模型

根據(jù)徑向基函數(shù)插值法的插值擬合原理，建立變速機組發(fā)電工況下的協(xié)調控制數(shù)學模型為

(1)

式中，aj和bi為插值系數(shù)，(Hj，Pj)和(Hi，Pi)分別為插值數(shù)據(jù)樣本中j和i插值點的靜水頭值和系統(tǒng)功率值；α和β為固定常數(shù)；(H，P)為當前的靜水頭值和系統(tǒng)功率值；F(H，P)和Φ(H，P)為當前機組轉速值與導葉開度值。

若將插值數(shù)據(jù)樣本中n個已知插值點的靜水頭值和系統(tǒng)功率值(Hk，Pk)和(Hm，Pm)以及該插值點的機組轉速值fk和導葉開度值φm代入式(1)，即可得到方程組：

(2)

求解式(2)，即可求出系數(shù)aj和bi的值，若令Qkj和Qmi表示式(2)等號右邊的表達式，則可將式(2)改寫為

(3)

式(3)的矩陣形式為

(4)

其解為

(5)

那么，插值后，任意一點p的值為

(6)

通過上述式(1)～(6)，能夠建立起發(fā)電工況下的協(xié)調控制數(shù)學模型。

變速機組抽水工況下的協(xié)調控制數(shù)學模型發(fā)電工況類似，根據(jù)上述協(xié)調控制數(shù)學模型的建立過程可看出，數(shù)學模型的插值系數(shù)的求解與插值數(shù)據(jù)樣本有關，當插值數(shù)據(jù)樣本發(fā)生變化時，數(shù)學模型的插值系數(shù)也發(fā)生相應變化。針對不同類型的變速機組協(xié)調控制數(shù)學模型采用徑向基函數(shù)插值算法能根據(jù)該類型變速機組運行特性曲線樣本數(shù)據(jù)自動計算協(xié)調控制模型的插值系數(shù)，生成機組協(xié)調控制數(shù)學模型，具有一定的自適應。

3.2 一次調頻協(xié)調控制

變速機組一次調頻協(xié)調控制與常規(guī)的一次調頻類似，系統(tǒng)頻率變化時，根據(jù)頻率變化量，自動計算出調頻功率目標值，并將調頻功率目標值疊加到系統(tǒng)有功功率設定值上，進行一次頻率調節(jié)。依據(jù)一次調頻的穩(wěn)定條件[8]，即

(7)

式中，ΔP為一次調頻功率調節(jié)目標值；Pτ為機組額定出力；Δfsq為一次調頻死區(qū)；Δf為電網頻率擾動量(當f<50 Hz時，Δf>0；當f>50 Hz時，Δf<0)；fτ為機組額定頻率；ep為一次調頻調差系數(shù)。

4 仿真分析

4.1 協(xié)調控制模型誤差分析

根據(jù)當前已知的靜水頭H與系統(tǒng)功率P，利用方法1(MATLAB(2014a)自帶的griddata插值函數(shù)方法)和方法2(本文所述方法)分別計算當前導葉開度值y和轉速值N，并與已知的理論值進行對比分析，分析結果分別如表1和2所示。

表1 導葉開度值的預測結果對比

表2 機組轉速值的預測結果對比

從表1和表2可以看出，2種方法計算的預估值與其理論值非常接近，預估值與理論值的相對誤差均小于0.5%；但方法2計算預估的機組轉速的相對誤差小于方法1計算預估的機組轉速的相對誤差且方法2的機組轉速相對誤差波動較平穩(wěn)，而方法1的機組轉速則波動較大；因此，方法2相比于方法1相對誤差較小，且誤差波動平穩(wěn)，更加接近于實際值。

4.2 協(xié)調控制模型仿真分析

基于圖2所示的變速機組協(xié)調控制系統(tǒng)模型結構圖，在MATLAB(2014a)/Simulink仿真環(huán)境中搭建變速抽水蓄能機組協(xié)調控制仿真模型，進行仿真并分析仿真結果。

4.2.1發(fā)電工況下協(xié)調控制仿真分析

圖4為變速機組發(fā)電工況運行情況下，水頭不變，系統(tǒng)頻率變化情況下的協(xié)調控制仿真結果波形圖。

圖4 發(fā)電工況下變速機組協(xié)調控制仿真結果

從圖4可以看出，在0～4 s內f從50.056 Hz變化至50.091 Hz，系統(tǒng)頻率差超過一次調頻死區(qū)范圍，一次調頻調節(jié)動作，機組出力Pout從298.76 MW降低至291.88 MW，協(xié)調控制仿真輸出的機組轉速N從343.44 r/min降低到340.55 r/min，導葉開度y從0.83降低到0.80。

在20～24 s內，系統(tǒng)頻率f從49.99 Hz降低至49.97 Hz，系統(tǒng)頻率差未超過一次調頻死區(qū)范圍，一次調頻調節(jié)未動作，機組出力Pout保持額定出力300 MW不變，協(xié)調控制仿真輸出的機組轉速N保持343.88 r/min不變，導葉開度y保持0.84不變。

4.2.2抽水工況下協(xié)調控制仿真分析

圖5為變速機組抽水工況運行情況下，水頭變化，系統(tǒng)頻率不變情況下的協(xié)調控制仿真輸出波形。

圖5 抽水工況下變速機組協(xié)調控制仿真結果

從圖5可以看出，在0～3 h內，靜水頭勻速上升5.2 m，系統(tǒng)頻率保持50 Hz不變，一次調頻調節(jié)未動作，機組入力Pin保持額定入力-300 MW不變；協(xié)調控制仿真輸出的機組轉速N從358.6 r/min持續(xù)增加至359.5 r/min，而導葉開度y則從0.772持續(xù)降低到0.756。

根據(jù)上述變速機組協(xié)調控制系統(tǒng)模型分別在發(fā)電工況與抽水工況下的仿真結果可知，變速機組協(xié)調控制仿真輸出的機組轉速與導葉開度變化情況，與變速機組運行特性曲線的轉速、導葉開度曲線的變化情況基本一致，表明本文的變速機組協(xié)調控制方法具有可行性。

5 結 語

針對變速機組交流勵磁與調速器的協(xié)調控制問題，本文基于機組轉速、導葉開度與系統(tǒng)功率和靜水頭之間的關系，提出了一種基于機組運行特性曲線的變速抽水蓄能機組自適應協(xié)調控制方法。該方法采用徑向基函數(shù)插值法插值擬合推導出協(xié)調控制數(shù)學模型，該模型可以根據(jù)樣本數(shù)據(jù)，自動生成機組協(xié)調控制數(shù)學模型，實現(xiàn)發(fā)電工況和抽水工況的協(xié)調控制，且數(shù)學模型簡單，工程化應用容易。并通過仿真驗證了該變速抽水蓄能機組協(xié)調控制方法，仿真結果表明，該方法具有較高的精度和可行性。

但是，本文對所提出的變速抽水蓄能機組自適應協(xié)調控制方法僅做了理論研究與仿真分析，下一步還需通過變速機組控制系統(tǒng)樣機對本文方法進行實驗驗證分析，以驗證本文方法的實用性。