可变速抽水蓄能机组协调控制设计与功能研究.pdf
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1、91贾鑫等:可变速抽水蓄能机组协调控制设计与功能研究0引言随着我国风电、光伏等清洁能源的大规模开发利用,配合新能源消纳的抽水蓄能电站日益增加。可变速抽水蓄能机组能够更好地适应电网需求,其响应速度快,对新型电力系统频率波动、电压变动的抑制效果明显1。同时,变转速扩大机组的运行范围,适应不同的运行水头,明显改善了水泵水轮机的水力性能,提高了机组运行的稳定性2。变速机组已越来越受到重视,我国已有丰宁抽水蓄能电站安装了 2 台单机容量 300MW 的可变速机组,四川春场坝、陕西三河口小型可变速抽水蓄能机组已投产发电,其他规划中的还有泰山二期、广东中洞、肇庆等抽水蓄能电站。变速抽水蓄能机组无论是提高电网
2、安全稳定性还是提高新能源资源利用率,均具有重要意义,但要发挥变速机组的作用,离不开机组转速、功率、效率的优化和调节,由于可变速机组的有功功率可以由交流励磁系统来控制,也可以由调速器控制,功率变化过程中,机组转速还需要与之匹配,这就需要专门的协调单元来分配机组的各项控制目标3。协调控制单元是联系可变速机组监控、调速器、励磁的纽带,在机组控制中起到承上启下的作用。由于我国目前还没有大型可变速交流励磁抽水蓄能机组投运,在协调单元功能和设计方面,尚无可循经验,目前主要通过国外已投产的可变速抽水蓄能机组运行和试验经验来研究,如日本大河内 400MW 变速抽水蓄能机组4,日本盐原、奥清津等5,以及通过理论
3、和试验仿真来研究,主要通过国外变速机组的实际运行特性曲线6,以及模型运转特性曲线来研究变速抽水蓄能机组的协调控制方法7,这里通过近期国家电网有限公司科技项目所研制的大型可变速抽水蓄能机组控制设备样机以及 RTDS 试验,对协调控制单元的设计和功能提出建议和思路,对变速机组的转速和功率解耦策略、一次调频算法、不同控制模式的分类以及不同应用场景等展开研究。1协调控制单元的功能设计变速机组协调控制是根据 AGC(自动发电控制)有功设定值和机组工作水头,利用机组运转特性曲线实时计算对应的机组优化转速和优化导叶开度,并根据系统频率变化量,自动计算调频功率值,叠加到有功功率设定值上,将优化转速、优化开度、
4、有功设定分别下发给调速器和交流励磁,由交流励磁和调速器共同实现机组有功、无功和转速的调节,以及一次调频调节8。协调控制单元一般设计为独立的装置,其主要接口如图 1 所示。可变速抽水蓄能机组协调控制 设计与功能研究贾鑫1,蔡卫江2,翟进男1,于爽1,吴远征21河北丰宁抽水蓄能有限公司,河北省丰宁民族自治县068350;2南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院)江苏省南京市211106摘要:可变速抽水蓄能机组的控制研究愈发成为热点,由于其转速可调、功率和转速耦合、功率快速响应等特点,需要专门的协调控制单元进行配合分工,本文对协调控制单元的输入输出、功能性能、控制方法及控制模式进行了研究,提出了协调控
5、制单元的硬件接口及功能设计要求、协调控制单元的转速和功率解耦策略、一次调频算法、不同控制模式的分类以及不同应用场景,最后给出了可变速机组适应电网不同频差以及调整负荷的灵活调节策略。本文可供大型可变速机组的协调控制提供一定参考。关键词:可变速抽水蓄能机组;协调控制;快速响应;解耦;控制模式中图分类号:TM622文献标识码:A学科代码:570.30DOI:10.3969/j.issn.2096-093X.2023.05.015基金项目:国家电网有限公司科技项目“抽水蓄能电站自主可控监控及机组保护系统关键技术研究”(5419-202243074A-1-1-ZN)。92水电与抽水蓄能Hydropowe
6、r and Pumped Storage第 9 卷 第 5 期(总第 51 期)2023 年 10 月 20 日Vol.9 No.5(Ser.51)Oct.,20,2023根据图 1,其主要功能简述如下:(1)协调控制器能采集的信号。脉冲量:机组频率、电网频率;模拟量:水泵扬程/水轮机水头、监控 LCU 有功设定值、无功设定值;开关量:水轮机方向、水泵方向、转速优先模式(励磁转速闭环,调速器功率闭环)、功率优先模式(调速器转速闭环,励磁功率闭环)、开度模式(调速器开度闭环,励磁转速闭环)。(2)协调控制器能输出的信号。模拟量:优化转速、优化开度、优化有功给定,每路信号不低于 2 路(分别送调速
7、、励磁),无功功率给定(给励磁);开关量:转速优先模式(励磁转速闭环,调速器功率闭环)、功率优先模式(调速器转速闭环,励磁功率闭环)、开度模式(调速器开度闭环,励磁转速闭环),每路信号不低于 3 路(分别送调速、励磁、监控);装置报警、一次调频动作信号等。(3)协调控制器能根据机组频率与 50Hz 偏差计算一次调频动作功率。(4)协调控制器能按照水泵水轮机运转特性曲线(水头开度出力转速),根据输入的水头、功率给定,自动计算水轮机的优化开度和优化转速。(5)协调控制器能按照水泵运转特性曲线(扬程开度入力转速),根据输入的扬程、水泵入力给定,自动计算水泵的优化开度和优化转速。(6)协调控制器具备一
8、般故障、严重故障信号输出。当协调控制器出现严重故障时,机组应采取必要的停机措施。2协调控制单元的性能及指标要求关于大型可变速抽水蓄能机组协调控制器性能和指标要求,建议,硬件性能方面:(1)机组协调控制器采用单独的 PLC、PCC 或微机测控装置构成,CPU 模块采用双冗余架构。(2)应具备与电站计算机监控系统通信(MODBUS/TCP IP 通信规约)功能,能接受电站计算机监控系统信号,并向电站计算机监控系统输出信号。(3)电源回路采用两路直流 24V 冗余配置,电源故障时应无扰切换并发出故障信号。(4)CPU 字长不低于 32 位,时钟不低于 100MHz,测频模块分辨率不低于 0.001H
9、z,AD 模拟采样不低于 14 位,DA模拟输出位数不低于 12 位,模拟输入,输出延时均不低于20ms。(5)协调控制器可以布置在调速器电气柜内,采用调速器供电,也可以考虑布置在监控系统 LCU 柜内,由监控系统供电。指标方面:(1)当机组水头或扬程发生变化时,或功率给定发生变化时,协调控制器输出转速、开度、功率模拟量应在 0.02s 内实时响应。且各模拟量输出精度不低于 0.3%。(2)当系统频率变化超过频率死区 0.005Hz 时,一次调频动作信号应在 0.02s 内实时响应。频率变化超过频率死区0.01Hz 时,协调控制器输出转速、开度、功率模拟量应在电网频率机组频率有功给定模入水头功
10、率模式设定转速模式设定开度模式设定机组监控LCU蜗壳水压变送器发电协联模块一次调频计算模块水轮机模式设定水泵模式设定抽水协联模块优化功率给定优化开度给定优化转速给定调速器优化功率给定优化转速给定励磁功率模式开出监控转速模式开出开度模式开出报警开出协调控制单元无功给定模入无功给定一次调频动作32028024020016012080400340440400360320280240200350360 370 380390 400 410 420 430静水头H/m0340 350 360 370 380 390 400 410 420 430静水头H/mN=335r/minN=340r/minN=3
11、50r/miny=0.9y=0.8y=0.7y=0.6y=0.5系统输出P/MW系统输出P/MWy导叶开度N机组转速y导叶开度 N机组转速y=0.6N=330r/minN=340r/minN=350r/minN=360r/minN=370r/minN=380r/minN=390r/miny=0.7y=0.8y=0.9y=1.0图 1变速机组协调控制单元输入输出接口示意图Figure 1Schematic diagram of I/O interface of coordination control unit of variable speed unit93贾鑫等:可变速抽水蓄能机组协调控制设
12、计与功能研究0.02s 内实时响应。(3)协调控制器一次调频功率给定值模拟量输出精度不低于 0.2%。3可变速机组协调控制方式研究3.1转速和有功控制解耦可变速机组的转速和有功协调是保证机组稳定高效运行的重要条件,但转速调节或功率调节时都存在耦合问题,如发电模式调速器打开导叶调节机组转速时,机组出力也会相应发生变化,交流励磁调节电磁有功时,机组转速也会随之变化,如何解决转速和有功两者之间的耦合也是控制难点之一9。目前的解耦方式主要还是交由协调控制单元来处理,一般是根据可变速机组水轮机运转特性曲线水头/出力/开度/转速,水泵运转特性曲线扬程/入力/开度/转速,转换为相应数据表格或拟合成多项式曲线
13、存储后,插值寻找目标最优开度、转速,如图 2 所示。32028024020016012080400340350360370 380390 400410420430静水头H/mN=335r/minN=340r/minN=350r/miny=0.9y=0.8y=0.7y=0.6y=0.5系统输出P/MWy导叶开度N机组转速4404003603202802402000340350 360 370 380 390 400 410 420 430静水头H/m系统输出P/MWy导叶开度 N机组转速y=0.6N=330r/minN=340r/minN=350r/minN=360r/minN=370r/min
14、N=380r/minN=390r/miny=0.7y=0.8y=0.9y=1.0序号有功设定值/MW水头值/m导叶开度值/%12345678910111213141516485.00450.00450.00450.00450.00450.00450.00450.00450.00485.00485.00485.00485.00485.00485.00500.00500.00500.00500.00500.00300.00290.00280.00270.00260.00300.00290.00280.00270.00260.00250.00300.00290.00280.00270.00260.0
15、0250.00240.00230.00485.00485.00485.00485.00485.00485.00500.00500.00500.00500.00500.00500.00500.00500.00500.00220.00230.00240.00250.00260.00270.00280.00290.00300.00240.00250.00260.00270.00280.00290.00300.0069.5472.5574.2376.5680.6481.6983.9286.4589.4974.9076.4878.9081.4584.0586.4489.00序号有功设定值/MW转速值/(
16、r/min1)转速值/(r/min1)水头值/m12345678910111213141516485.00485.00485.00485.00485.00485.00485.00500.00500.00500.00500.00500.00500.00500.00500.00500.00220.00230.00240.00250.00260.00270.00280.00290.00300.00240.00250.00260.00270.00280.00290.00300.00序号功率设定值/MW水头值/m导叶开度值/%1234567891011121314151617181961.4163.92
17、66.6969.6072.5374.8877.3679.7660.2061.8964.1166.8269.2971.4060.2662.4966.0667.3069.19450.00402.00406.68409.22412.16415.02417.81421.06424.40415.96418.48420.75423.61426.78430.16421.36423.47426.08428.79432.66450.00450.00450.00450.00450.00450.00450.00485.00485.00485.00485.00485.00485.00500.00500.00500.0
18、0500.00500.00300.00290.00280.00270.00260.00300.00290.00280.00270.00260.00250.00300.00290.00280.00270.00260.00250.00240.00230.00序号功率设定值/MW水头值/m12345678910111213141516171819396.65399.13399.13401.96401.96401.96403.97407.62409.36395.57399.66401.29402.15403.04405.94410.22运等水头H有功功率设定P水轮机运转特性曲线水泵运转特性曲线变电机组
19、水轮机工况开度/水头/出力特性曲线变速机组水泵工况开度/水头/出力特性曲线开度给定转速给定开度给定转速给定图 2根据可变速机组运转特性曲线进行给定值分配示意图Figure 2Distribution diagram of the given value due to the characteristic curve of variable speed unit根据上述策略,将可变速机组输入的水头和功率给定转换为导叶开度和转速给定,调速器按照开度给定值进行开度调节,和机组转速、功率反馈信号无关,不受功率、转速耦合的影响,具有较好的解耦特性。但最终功率或转速调节精度可能不够,需要在最后调节过程中进
20、行转速或功率闭环微调补偿。3.2一次调频协调及控制模式划分变速机组不管是在发电工况还是在抽水工况,都具备灵活的一次调频性能,如何实现可变速机组的一次调频和监控系统 AGC 配合协调也是控制难点之一10。由于变速机组存在有功和转速的耦合,需要通过协调控制器进行解耦,再交给调速器或励磁调节,而一次调频若交给调速器自身完成,会存在监控 AGC 有功调节和一次调频造成的功率变化不一致问题。其次调速器若工作在开度模式或转速模式,则励磁就需要工作在功率模式,一次调频产生的功率变化就很难通过调速器完成。所以,统一由协调控制器来完成解耦及一次调频给定值计算,可以有效解决这些矛盾。参见图 3,协调单元包括一次调
21、频计算模块:首先测量机组频率,和额定 50Hz 比较获得偏差,再减去人工频率死区得到有效频差,除以调差系数 EP获得一次调频功率调整量,和 AGC94水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 5 期(总第 51 期)2023 年 10 月 20 日Vol.9 No.5(Ser.51)Oct.,20,2023分配的有功给定进行叠加,即可得到最终优化功率给定值。按照协调控制单元对转速给定和有功给定的不同分配,划分可变速机组的三种控制方式。(1)模式 1:交流励磁控制转速,调速器控制有功功率。这种模式也称为转速优先模式,如图 3 所示,该模式下调速器控制
22、机组有功功率,交流励磁控制机组转速和无功功率,这种方式一般在发电方式采用较多,也可在抽水方式采用。协调控制单元负责一次调频和功率、转速、开度信息分配。与常规水轮机调速器不同,一次调频放到专门的协调控制单元来分配,且采用前馈方式,即将控制量叠加到功率给定通道,可以避免常规调节功率反馈的影响。其次通过协调单元对转速给定和有功给定值进行分配,交给两个设备分开调节,可保证机组运行在最优转速工况点。调速器调节功率时分两步实施:首先按照优化开度将导PIAVCPIPIPID+PTGAGC分配有功给定一次调频调整量调差协调单元有功给定水头机组频率fHnetPrefnrefQref50HzP1/Ep死区有功功率
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