阳江400MW特大型抽水蓄能机组调速系统设计及现场试验.pdf

76水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期（总第 50 期）2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,20231概况抽水蓄能是目前技术最成熟、应用最广泛、寿命周期最长、容量最大的大规模物理储能方式1，大规模开发抽水蓄能已成为支撑新型电力系统建设的重要措施2。2021 年 3 月19 日，国家电网有限公司提出“十四五”期间，将力争新增开工 2000 万 kW 以上抽水蓄能机组，并明确表示“集中攻克变速机组、40 万 kW 以上大容量机组、机组出口开关国产化等技术难题”。阳江抽水蓄能电站位于广东省阳春市八甲山区，电站规划装机容量 240 万 kW，分两期建设，将安装六台 40 万 kW的机组，单机容量在国内最大，最大毛水头约 700m，是国内同类型电站中水头最高的电站之一。由于水头高、容量大，其配套水泵水轮机调速系统不仅控制精度和可靠性要求高，设计和制造难度也大。水泵水轮机控制系统采用南瑞集团公司生产的 SAFR2000H 型微机调速系统。微机调节器部分采用了 ABB-贝加莱公司的 X20 控制器，机械液压部分选用博世-力士乐公司的比例伺服阀作为电液转换单元，法国 ALSTOM公司的 D100D 液压阀作为主配压阀，电源、控制模块、传感器等全部采用了双冗余配置，软件方面采用改进型并联 PID调节，变结构参数自适应控制策略 3。系统整体配置高，调节性能优越，可靠性高。2022 年 5 月，阳江一期 3 台机组全部投产发电，目前运行稳定，现将现场调速器设计及试验情况作一介绍。2调速系统设计及组成2.1调速器电气调节柜图 1 为阳江调速器电气柜硬件配置图，选用了 ABB-贝加莱 X20 系列的各模块组成硬件控制核心，CPU 模块采用CP1585，主频 400MHz，存储空间 256MB SDRAM，4GB 数据及程序存储卡，2个网口。控制器主要对已获得的频率、有功、开度、指令等信号进行处理，通过 PID 调节计算，最终输出控制信号。电网和机组频率、齿盘转速测量采用高速信号处理 DS1319 模块；导叶开度、有功功率、水头等模拟信号输入采用 AI4622 模块；开停机、断路器位置、增减、抽水、水轮机/水泵方向等外部开关量指令采用 DI9371 模块输入，故障报警信号和手动、一次调频等状态信号采用DO9322模块输出。导叶伺服阀控制、参数辨识试验模拟信号、PMU 模拟信号等采用 AO4622 模拟量输出模块；双机切换则由智能切换 PLC来保证，HMI 人机界面采用 15 寸触摸屏作为两套系统的信息显示。所有模块均为冗余配置，两套调节器之间通过以太网接口和交换机进行通信，实现信息冗余和相互切换时稳定工作。两套 CPU 分别处理采集到的信号，一套处于主控模式，一套阳江 400MW 特大型抽水蓄能机组调速系统设计及现场试验蔡卫江1，杨小龙2，汤德海2，陈阳1，王昱21南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院）江苏省南京市211106；2南方电网调峰调频发电有限公司工程建设管理分公司，广东省广州市510630摘要：文章主要介绍了阳江 400MW 特大型抽水蓄能机组调速系统的设计特点及现场应用，首先阐述了调速器电气控制柜配置、机械液压系统控制原理、分段关闭阀设计原理，其次参照国家和行业标准，对现场调速器开机、背靠背启动、抽水转调相、一次调频、甩负荷试验、水泵断电等工况转换和大波动过渡过程进行了分析，最终表明阳江调速器设计和试验性能满足标准要求，有力发挥了我国抽水蓄能机组对新型电力系统的支撑作用，可为大型抽水蓄能机组调速系统的制造及试验、国产化提供一定的参考。关键词：特大型抽水蓄能机组；调速器；一次调频；过渡过程；现场试验中图分类号：TV743文献标识码：A学科代码：570.30DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2023.04.01277蔡卫江等：阳江 400MW 特大型抽水蓄能机组调速系统设计及现场试验处于热备用模式，当其中一套发生故障或需要检修时，通过智能切换单元使另一套立即自动投入。CP1585采样输入智能切换PLC调速器电液随动系统CPU模块HMIDI9371开关量输入模块DO9322开关量输出模块AI4622模拟量输入模块AO4622模拟量输出模块DS1319测频计数模块采样输入控制输出过程开关量触摸屏12DI12DO0AC808.9以太网集线器CP1585CPU模块DI9371开关量输入模块DO9322开关量输出模块AI4622模拟量输入模块AO4622模拟量输出模块DS1319测频计数模块采样输入采样输入控制输出12DI12DO过程开关量监控系统监控系统图 1阳江调速器电气柜硬件配置图Figure 1Hardware configuration diagram of governor electrical cabinet of Yangjiang2.2液压控制部分原理设计阳江调速器液压调节原理图如图 2 所示，主要包括主配压阀、先导控制电磁阀组及液压集成块、双切换过滤器、机械过速保护机构。其中先导控制电磁阀组由比例伺服阀、双冗余停机电磁阀、过速保护液控阀组成，具备自动、电手动、停机、过速停机等功能。自动工况下，调速器电气控制柜根据机组运行工况，测量出的频率、功率、开度、水头信息，以及相关给定信息，比较获得偏差，通过 PID 计算得到最终控制信号，输出控制信号到 10EM01 比例伺服阀，通过伺服阀将电信号转换为液压控制信号，控制液压放大元件主配压阀 10ALSTOM 动作，主配压阀驱动导叶接力器以电气柜程序要求的速度和方向动作。手动工况下，调速器电气柜仅接受手动给定值，比较导叶开度反馈，取得偏差，进行开度闭环调节，通过比例伺服阀控制接力器动作。紧急停机回路采用双冗余设计，当急停电磁阀 10EM01、10EM02 任何一个动作时，主配压阀的控制腔 C 均通向回油，在对侧恒压力腔作用下，主配将直接关闭，可靠停机。此外，液压回路还设计有机械过速保护装置的接口，如图 2 所示，正常情况下，机械过速保护装置常态输出压力油，液控阀 10HV01 工作在左位，当机组过速超过过速保护装置设定值时，安装在大轴上的过速保护装置飞摆动作，行程阀动作换向输出回油，液控阀 10HV01 在右边弹簧作用下回到右位，主配压阀的控制腔C 均通向回油，导叶直接关闭。2.3分段关闭阀原理设计抽水蓄能机组由于水头较高，往往在百米以上，导叶关闭过快将造成水压上升过高，造成压力钢管爆裂，球阀密封受损，导致水淹厂房等事故，因此采用分段关闭方式可有效避免水压上升隐患4。阳江抽水蓄能电站机组由于水头高，单机容量大，机组过渡过程计算要求导叶采用分段关闭方式。为安全起见，分段关闭设计采用机械先导阀和电磁阀共同驱动方式。按照阳江过渡过程计算要求，水轮机工况，机组甩负荷导叶采用两段关闭规律，第一段关闭速度较快，第二段关闭速度较慢，水泵工况下，水泵断电采用一段关闭规律，关闭速率居于水轮机两段关闭速率之间。78水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期（总第 50 期）2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,2023为实现上述导叶关闭规律，阳江分段关闭液压原理图设计如图 3 所示，分段关闭装置由 3 个插装阀和 1 个先导电磁换向阀及 1 个机械行程换向阀组成，3 个插装阀具备限位调节螺杆，可实现 3 种不同关闭速率。当水轮机工况甩负荷，导叶从较高开度往关方向运动，未到机械式行程阀动作点之前，行程阀输出为回油，13C03 插装阀上部控制腔也为回油，13C02 插装阀上部控制腔则为压力油，呈关闭状态，主配回油只能经过 13C01 和 13C03 两个插装阀，关闭速度是速率 1 和速率 3 之和，速率较快。当关闭到分段关闭行程阀动作时，13C03 插装阀上腔通压力油，呈关闭状态，只有 13C01 插装阀打开，此时，导叶关闭速率变慢，变成速率 1。当水泵工况断电时，由于工况切换阀 13EM01切换到右位，13C03 插装阀上腔始终通压力油，呈关闭态，13C02 插装阀上腔通回油，此时，主配回油只能经过13C01 和 13C02 两个插装阀，关闭速度是速率 1 和速率 2之和，速率中等。总体上看，通过 3 个插装阀组合，可以实现 3 种不同速率，水轮机工况，快关段采用速率 1 和速率 3 叠加，慢关段采用速率 1，水泵工况，采用速率 1 和速率 2 叠加，速度居中。3现场试验情况2021 年 10 月，阳江抽水蓄能首台机组开始启动调试，2022 年 6 月，3 台机组全部完成现场调试，投产发电，其调速系统经过第三方检测单位南网电科院严格的现场测试和试验，均达到优良水平。F04主压力油DN100双切换滤油器齿盘探头常态有压纯机械过速保护装置导叶主配压阀接力器关DN100接力器开DN100主配回油主回油 DN100控制腔C恒压腔H10ALSTOMABCY15CY14MP04MP05LVDT01LVDT02T2T1PCY13CY1210HV01A BbaPT10EM0310EM01A BPT10EM02A BPTA BPT紧急停机阀1紧急停机阀2伺服比例阀主配先导控制集成块图 2阳江调速器导叶液压控制原理图Figure 2Schematic diagram of vane hydraulic-control of governor of Yangjiang79蔡卫江等：阳江 400MW 特大型抽水蓄能机组调速系统设计及现场试验3.1工况转换试验3.1.1静止开机并网发电图 4 为阳江 3 号机组从静止开机并网带负荷过程录波，从录波图中可以看出，调速器收到开机令，机组启动到转速上升到 80%时间约 48s，转速满足并网频差要求且稳定在 100%时间约 70s，两者时间比值为 1.46，按照国家标准GB 9652.1水轮机调节系统技术条件，两者时间比值应不超过 5 倍，一般比值越小越优，可见，阳江机组启动迅速且平稳，远远优于国标要求。从现场录波图可以看出，机组最终并入电网时间约为 120s，负荷带到 100MW 时间约 135s，调速器控制导叶动作灵活平滑，机组转速、功率上升平滑、迅速、无超调。仅在并网瞬间功率有冲击，但没有影响导叶动作。整个调节过程完全满足抽水蓄能机组紧急启动、快速并网要求。控制压力油控制回油DS01DS02APBTab13HV01DS03DS0413C0313C0213C01CY16abCY17CY20CY19CY1813KD0113EM01辅动回油速率1速率2油箱回油主配回油速率3水轮机水泵工况切换阀分段关闭装置行程阀块分段退出分段投入开关导叶接力器液压锁锭装置(非供货范围)关开导叶接力器导叶行程传感器导叶行程传感器图 3阳江分段关闭阀液压原理图Figure 3Schematic diagram of step closure device of Yangjiang 导叶 频率 功率 50Hz 20%12%34.4%0MW 101MW 并网 图 4阳江 3 号机组从静止到开机到并网带负荷录波Figure 4Wave recording from standstill to start-up to grid-connected with load of No.3 of Yangjiang80水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期（总第 50 期）2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,2023 3.1.2背靠背拖动试验阳江 3 号机组背靠背拖动试验如图 5 所示，该图为 3 号机组作为拖动机启动 2 号机组试验录波，从图中可以看出，两台机组背靠背连接后，导叶采用阶跃方式开到 10.5%，施加一定启动力矩克服机组静摩擦力让机组启动，待测到转速后，调速器按设定好的速率控制机组转速按 0.22Hz/s 速度上升，整个过程采用 PID 闭环方式启动，2 台机转速上升平稳，完全同步，转速从 0 到额定时间约 220s，2 号机组在同期装置控制下约280s 并入电网，启动完成，3 号机组完成拖动随后转停机。机组有功在整个拖动过程中输出平滑稳定，无波动和超调。频率导叶功率50Hz22.5%10MW图 5阳江 3 号机拖动 2 号机试验录波Figure 5Wave recording of No.3 dragging No.2 test of Yangjiang3.1.3抽水调相转抽水试验阳江 2 号机抽水调相转抽水试验如图 6 所示，通过前期背靠背启动，2 号机组转入发电调相运行，消耗功率约-10MW，此时要开始抽水，40s 时刻，机组进水球阀逐步打开，机组溅水功率逐步上升到-32MW、-80MW，达到溅水功率要求，此时监控系统下发调速器抽水命令，调速器按照水泵扬程对应的开度逐步开启导叶到设定值。此时，水泵消耗功率逐步上升，最终达到-403MW 额定值附近。整个转换过程，水泵入力变化平稳，导叶开度启动平滑稳定。3.2一次调频试验一次调频是指当电网的频率偏离额定值时，电网中机组调速系统就自动地控制机组有功功率的增减，限制电网频率变化，使电网频率维持稳定的自动控制过程。一次调频试验主要用来测试调速器适应电网频率的快速调节能力5。图 7 为阳江 3 号机组一次调频+0.15Hz 频率阶跃扰动试验波形，图 8 为 3 号机组-0.15Hz 阶跃扰动波形。表 1 为阳江 3 号机 360MW 工况一次调频响应特性汇总，包括 0.05Hz、0.1Hz、0.15Hz 三组共六次一次调频试验数据记录。表 1阳江 3 号机 360MW 工况一次调频响应特性汇总Table1SummaryofprimaryfrequencyregulationresponseofNo.3ofYangjiangunder360MWcondition有效频差/Hz 起始功率/MW稳定后功率/MW理论调节量/MW实际调节量/MW响应滞后时间/s达到目标值 90%时间/s达到稳定时间/s0.05361.46351.27-10.00-10.191.5013.3017.80-0.05360.20370.2910.0010.091.8010.3115.610.10361.79341.61-20.00-20.181.4112.5022.31-0.10361.43381.5120.0020.081.4012.5021.800.15361.41331.54-30.00-29.871.3010.7022.60-0.15360.42390.6730.0030.251.4113.3125.20从表 1 的试验汇总数据分析表明，阳江抽水蓄能电站调速器一次调频响应时间最大 1.41s、达到目标幅度 90%时间81蔡卫江等：阳江 400MW 特大型抽水蓄能机组调速系统设计及现场试验图 6阳江 2 号抽水调相转抽水试验录波Figure 6Wave recording of pumping phase modulation to pumping test of No.2 of Yangjiang有功功率 机组频率导叶主接%MWHz420.0050.30410.0050.20400.0050.10390.0050.00380.0049.90370.0049.80360.0049.70350.0049.60340.0049.50330.0049.40320.0049.300.008.1016.2024.3032.4040.5048.6056.7064.8072.9081.0065.067.369.671.974.276.578.881.183.485.788.0机组频率导叶主接有功功率时间/s图 7阳江 3 号机组+0.15Hz 阶跃一次调频录波 Figure 7Wave recording of+0.15Hz step primary frequency regulation of No.3 of Yangjiang最大 13.31s、稳定时间最大 25.2s，按照相关行业标准（DL/T 1245水轮机调速器并网运行技术导则）要求，水电机组并网发电工况下，带 70%以上负荷，通过施加一定幅值的频率阶跃（有效频差大于 0.1Hz），调速器功率模式下一次调频响应时间滞后应小于 4s、达到目标幅度 90%时间不超过 15s、稳定时间应不超过 30s。可见阳江调速器调节性能指标优于行业标准要求，表明其一次调频功能完备，满足电网相关要求，为发挥阳江特大型抽水蓄能82水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期（总第 50 期）2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,2023机组一次调频能力，维持电网安全稳定提供重要支撑。3.3过渡过程试验3.3.1甩负荷试验抽水蓄能电站过渡过程综合了水轮机和水泵过渡过程特性，特别是高水头、大容量的水轮机工况异常情况下甩负荷，蜗壳进口及尾水管进口压力的大小，对电站整个输水系统及机组的安全性都有很大影响6。甩负荷试验是抽水蓄能电站机组调速器的一项重要试验，用于考核机组在事故情况下与电网解列，调速器的快速反应和调节能力，一方面要防止转速上升过高，同时还要防止导叶关闭过快引起水压上升过高7。抽水蓄能机组调速器甩负荷一般直接停机，阳江 3号机组甩 100%负荷试验录波如图 9 所示，水泵水轮机过渡过程计算设计的导叶关闭规律如图 10 所示，其试验数据记录如表 2 所示。通过阳江现场甩负荷试验记录可看出，导叶关闭符合阳江水力过渡过程要求的两段关闭规律，分段点为 62.8%，第有功功率 机组频率导叶主接%MWHz453.0050.10440.0050.00427.0049.90414.0049.80401.0049.70388.0049.60375.0049.50362.0049.40349.0049.30336.0049.20323.0049.10机组频率导叶主接有功功率时间/s0.008.1016.2024.3032.4040.5048.6056.7064.8072.9081.0095.092.089.086.083.080.077.074.071.068.065.0图 8阳江 3 号机组-0.15Hz 阶跃一次调频录波Figure 8Wave recording of-0.15Hz step primary frequency regulation of No.3 of Yangjian 62.8%导叶 频率 127.5%118.4%110%88.4%图 9阳江 3 号机甩 100%负荷试验波形Figure 9Waveform of 100%load rejection test of No.3 of Yangjiang83蔡卫江等：阳江 400MW 特大型抽水蓄能机组调速系统设计及现场试验一段速率为 12.1%/s，第二段速率为 1.1%/s，机组转速最高上升到 127.5%，满足阳江水泵水轮机过渡过程计算及设计要求。3.3.2水泵断电试验阳江 3 号机组水泵满功率抽水工况突然断电试验波形如图 11 所示，过渡过程计算导叶关闭规律见图 10，设计采用直线关闭，速率为 5.81%/s，从图中可以看出，水泵失电后，导叶按照机组过渡过程要求的规律关闭，从当前抽水开度88.5%至全关共耗时 15.2s，速率为 5.81%/s，满足水泵工况过渡过程计算及设计要求。全过程机组转速下降平稳，无反复，导叶关闭到零时，转速已下降到 10%以下，表明导叶关闭及时，没有出现关闭过慢导致机组反转的现象，机组反转可能造成大轴受到扭矩反复冲击，带来振动等，影响机组安全8。4结束语阳江抽水蓄能电站单机容量 400MW，是国内最大的该类型机组，由于其机组容量大，水头高，正反转控制，工况转换频繁，对其水轮机调速器的控制要求极高。通过调速器的设计和现场试验，可以得出以下结论：（1）采用高性能 PCC 微控制器，配套比例伺服阀作为高精度电液转换器，以及双冗余电气回路和停机保护、机械式分段关闭设计，具有良好的调节性能和安全可靠性，适用于国内特大抽水蓄能机组的控制。（2）通过现场工况转换、一次调频、大波动过渡过程等全面试验，表明调速器各项性能满足国标、行标相关要求，对发挥抽水蓄能机组快速转换、调峰调频、新型电力系统的响应起到重要支撑作用。图 10阳江水泵水轮机过渡过程计算导叶关闭规律Figure 10Design of guide vane closing law during the transition process of Yangjiangt pump turbine6050403020100102030405060708090100时间/s导叶接力器相对行程Sh/%(0.2s,100%Sh)(3.29s,62.5%Sh)(59.89s,全关)181416121068240102030405060708090100时间/s导叶接力器相对行程Sh/%(0.2s,100%Sh)(17.4s,全关)表 2阳江 3 号机甩负荷试验记录Table2RecordofloadsheddingofNo.3ofYangjiang甩前有功/%甩前开度/%最大转速值/%转速第 2峰值/%转速第 3峰值/%导叶分段点实际值/设定值/%导叶第 1 段速率实际值/设定值/(%s-1）导叶第 2 段速率实际值/设定值/(%s-1）400MW88.4127.5118.4110.062.8/62.512.1/12.141.1/1.184水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 4 期（总第 50 期）2023 年 8 月 20 日Vol.9 No.4(Ser.50)Aug.,20,2023参考文献1 陈建斌，胡玉峰，胡小辰.储能技术在南方电网的应用前景分析 J.南方电网技术，2010，4（6）：32-36.2 刘攀，梁里鹏，樊建强.抽水蓄能电站在电力系统中的作用与发展 J.水电与新能源，2016，（11）：18-20.3 蔡卫江，邢红超，罗海春，等.智能水电厂调速系统的设计及功能研究 J.水电与抽水蓄能，2019，5（4）：41-46.4 芦月，屈波，何中伟.抽水蓄能电站不同水头下导叶关闭规律研究 J.水力发电，2016，42（12）：85-89.5 卢舟鑫，叶青，涂勇.水电机组一次调频与 AGC 协联控制改造及试验分析 J.水电与抽水蓄能，2020，6（2）：82-86.6 周喜军，杨静，丁景焕，等.抽水蓄能电站过渡过程双软件反演分析 J.水电与抽水蓄能，2020，6（1）：51-56.7 郑应霞，胡雄峰，邱邵平.抽水蓄能电站过渡过程计算影响因素分析 J.人民长江，2015，46（16）：75-78.8 李东阔，宫奎，王康生，等.抽水蓄能机组水泵断电过程中的水泵反转问题 J.水力发电，2020，46（5）：45-49.收稿日期：2022-07-28 修回日期：2022-08-15蔡卫江（1970），男，研究员高级工程师，主要研究方向：水电厂水轮机调节与控制、源网协调、水电站自动化等。E-mail：。杨小龙（1982），男，高级工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站机组控制及自动化、建设管理等。E-mail：汤德海（1972），男，高级工程师，主要研究方向：抽水 蓄 能 电 站 机 组 运 行 控 制、建 设 管 理 等。E-mail：陈阳（1996），男，助理工程师，主要研究方向：水电厂水轮机调速系统设计、调试等。E-mail：王 昱（1999），男，助 理 工 程 师，主 要 研 究 方 向：抽水蓄能电站机组控制及自动化、运行维护等。E-mail：Design and Test of Speed Governing System for Yangjiang 400MW Super-large Pumped Storage UnitsCAIWeijiang1，YANGXiaolong2，TANGDehai2，CHENYang1，WANGYu2（1NARIGroupCo.Ltd.，Nanjing211106，China；2ChinaSouthernpowergridpeakshavingandfrequencymodulationpowergenerationCo.Ltd.，Guangzhou510630，China）Abstract：Inthispaperthedesignfeaturesandon-siteapplicationofthespeedgoverningsystemofthe400MWsuper-largepumpedstorageunitsinYangjiangweremainlyintroduced.Theconfigurationofthegovernorelectricalcontrolcabinet，thecontrolprincipleofthemechanicalhydraulicsystem，andthedesignmethodofthestepclosuredevicewereelaboratedfirstly.Andthentheon-sitegovernorstartup，back-to-backstartup，pumpingandphasemodulationconversion，primaryfrequencyregulation，loadsheddingtest，pumppower-offandotherworkingconditionsswitchandlargefluctuationtransientprocesseswereanalyzedreferredtothenationalandindustrystandards.ThedesignandtestperformanceofYangjianggovernorwerefinallyindicatedtomeetthestandardrequirements，whichwouldstronglysupporttheroleofChinaspumped-storageunitsinthenewpowersystemandprovidereferenceforthemanufacture，testandlocalizationofthespeedgoverningunitsoflargepumpedstoragesystemsKeywords：superlargepumpedstorageunit；governor；primaryfrequencyregulation；transientprocess；on-sitetest 频率 功率 开度 50Hz 400MW 图 11阳江 3 号机组水泵抽水断电试验波形Figure 11Waveform of power-off pumping test of No.3 of Yangjiang