李 娜，郑楚艾，于尚北

（中国水利水电科学研究院中水科技公司，北京 100038）

目前，世界范围内变速恒频发电控制技术主要应用于抽水蓄能机组。其中，应用变速恒频机组最早和最多的国家是日本和德国，迄今为止两国已投运了数十个电站[1]。我国变速抽水蓄能机组的设计和制造起步较晚，仅在主机方面有若干理论及试验成果，而对相应的水轮机调速系统及装置的研究仍停留于理论探讨及分析阶段，尚未出现能够应用于工程实际的产品[2-3]。引汉济渭工程属于跨流域调水工程，工程等别为Ⅰ等工程，工程规模为大（一）型。作为引汉济渭工程两个水源之一的三河口水利枢纽装有2台常规水轮发电机组和2台可逆式水泵水轮机组，其总装机容量为60 MW，其中常规水轮发电机组40 MW，可逆机组20 MW。根据工程设计要求，为了提高机组在低水头工况下的机组效率，决定常规水电机组采用变速恒频发电控制技术，这种工程应用在国内常规水电机组中尚属首次。因此开展变速恒频水电机组调速系统的研究具有非常重要的工程实际意义[4]。

引汉入渭三河口水利枢纽工程在供水期，水轮发电机组在55～99.3 m水头范围内按常规发电方式下375 r/min的额定转速运行，发电机出口通过主变压器直接与电网相联，输出额定频率50 Hz、额定电压10.5 kV的电力向电网送出。但在30～55 m水头范围内，机组如果仍按375 r/min额定转速运行，则效率大幅下降、振动急剧增加，机组无法正常运行，只能放弃发电。鉴于此，为保证30～55 m低水头下还能正常发电运行、保证经济效益，需降低机组转速，低转速运行所输出的电力频率和电压均低于额定值，此时，发电机不能通过主变压器直接与电网相联，只能通过变流器转换为额定频率50 Hz、额定电压10.5 kV的工频交流电后向电网输出，即所谓的“变速-恒频”发电。

低转速运行时，机组目标转速需随工作水头连续变化，水头与转速/频率对应关系为：水头30～55 m→ 转速：225～297 r/min、频率：30～39.6 Hz。此时机组与电网非刚性联接，而是柔性联接，对水轮机调速系统而言相当于孤立运行调节，既要保证机组转速稳定，又要保证原动有功稳定。这对调速系统的要求很高，因为其稳定域很窄，参数整定难度大、难以稳定，因此需要对调节参数反复整定和优化，从而保证系统在变目标转速条件下的稳定发电运行。

2.1 额定转速运行模式控制机理

在常规并网发电运行模式下，水轮发电机组无一例外地全部通过主变压器与大电网联接，此时发电机与电网之间相当于刚性联接（假设励磁系统工作正常）。由于电网容量远大于机组单机容量，此时无论机组功率怎么变化，其机械转速n（t）是不变的，始终为额定转速

式中：fr——电网额定频率，Hz；
p——发电机磁极对数。

在此种运行模式下，水轮机导叶开度变化引起机组输出功率变化，而机组转速是不变的，即控制目标只有功率。

2.2 降转速运行模式控制机理

在降转速运行模式下，需借助变频器联网，目前在常规水电机组中尚无成功应用实例。但该技术在风电机组中应用广泛，这是由于风电机组的机械转速是时刻变化的，且发电运行方式下也允许机组的机械转速n（t）为非恒定的随机变化，这与水电机组完全不同。水电机组发电运行时，若转速n（t）长时间非恒定、随机变化，将导致机组及相关设备损坏，更不用提效率大幅下降了。这也是水电机组与风电机组的最大区别。

机组通过变频器联网运行，是借助于变频器的“交流-直流-交流变换”，再与大电网相连的，这相当于柔性联接，此时导叶开度变化将同时导致机组转速与功率的变化，即如果要保证机组转速n（t）为恒定的目标转速值（三河口项目提出由水头决定目标转速），就无法把机组功率作为控制目标；
反之，如果以机组功率作为控制目标，则转速就无法稳定在恒定的目标值（由水头决定不同的目标值）。此时，机组转速n（t）与电网额定频率fr没有明确的对应关系。

从专业角度来讲，从机组至变频器的直流输出过程，相当于孤网运行，此时水轮机调节系统将以机组转速恒定为控制目标，此时无法同时将机组输出功率也作为控制目标，除非允许转速n（t）在相当大的范围内随机变化（但三河口项目要求每个水头对应特定的固定转速值）。

如前文所述，变速恒频水电机组在通过变频器与外界电网相连接时采用的是孤网调节方式。孤网运行作为一种特殊的运行模式，对于机组调速系统的调节性能有更高的要求[5]。

3.1 孤网调节性能指标要求

当水电机组由大网运行进入单机带负荷的孤立运行工况时，水轮机调速系统以频率作为主控目标，开度及功率为辅控目标，在确保调节过程稳定的前提下，根据GB/T 9652.1-2019《水轮机调速系统技术条件》，需满足下列要求：

（1）当外部负荷发生变化（不大于机组额定功率的15%）而引起频率变化时，调节过程中频率变化衰减度ψ应不大于30%；

（2）在无外部负荷突变的条件下，频率摆动应在±3%范围内。

3.2 孤网调节试验方法

调速器通过传感器等电气元件采集机组功率、机组频率、电网频率、导叶开度等模拟量信号，再通过电气隔离模块经过A/D模块送入电气柜PLC控制器中，PLC控制器对上述信号进行数据存储和试验曲线记录。调速器调节参数Kp、KI、KD、Ef、bp等在调节范围内均可以调整，空载运行调节参数、孤网运行调节参数和并网运行调节参数需要通过试验进行确定。调速器孤网试验内容和流程如图1所示。

图1 孤网试验流程

（1）空载扰动试验方法

机组处于空载额定转速运行工况，将调速器导叶控制置于手动状态，手动增减导叶开度从而改变机组频率。当机组频率变化幅度Δf0超过2 Hz（即4%额定转速）时，将调速器导叶控制切换至自动状态，观测并记录机组频率和导叶开度变化的过渡过程。在调节过程稳定的前提下，选取频率过渡过程超调量小、收敛快、波动次数少，且转速摆动值最小的一组调节参数作为空载调节参数和孤网初始调节参数，空载扰动响应试验过程如图2所示。

根据GB/T 9652.1-2019《水轮机调速系统技术条件》，空载扰动响应试验过程的动态调节品质应满足以下要求：

1）频率变化衰减度ψ（与起始偏差符号相同的第2个频率偏差峰值与起始偏差峰值之比）应不大于30%，即Δf1/Δfmax≤30%；

2）频率最大超调量Δfmax不得超过扰动量Δf0的40%，即Δfmax/Δf0≤40%；

3）自阶跃扰动开始，至调节稳定为止的调节时间TFR不得超过35 s；

4）在调节时间TFR内，频差超过±0.5 Hz的波动次数Z（频率的波峰个数与波谷个数之和的一半）不得超过2次。

图2 空载频率扰动响应试验

（2）模拟孤网试验方法

机组处于空载额定转速运行工况，通过短接进入调速器的发电机出口断路器干接点，使调速器处于模拟并网发电状态。如图2所示进行频率扰动，先将调速器导叶控制置于手动状态，随后手动增减导叶开度从而改变机组频率，当频率扰动的偏差绝对值超过2 Hz时，将调速器导叶控制切换至自动状态，验证孤网初始调节参数，并在此基础上重新整定，以获取一组调节效果较好的参数作为孤网调节参数。

（3）实际孤网试验方法

机组处于并网运行工况，所带负荷不小于25%额定负荷，且运行平稳。此时保持发电机出口断路器闭合状态不变，突然断开主变高压侧断路器，使机组切入孤网状态，观测并记录机组频率和导叶开度变化的过渡过程，验证调节过程的稳定性，同时对模拟孤网试验得到的调节参数进一步调整和优化，确定最终的孤网运行调节参数。

如前文所述，三河口水利枢纽工程2台常规机组在低转速运行时，目标转速跟随工作水头变化。此时调速器相当于在进行孤立调节，通过调节频率，实现机组所发有功功率与用电负荷之间的动态平衡。虽然机组在空载运行和孤网运行模式下，调速器均采用频率调节方式，但由于孤网运行时，外部负荷的变化无法预知，因此孤网运行的控制难度远大于空载运行[6]。通过进行机组空载扰动试验，可以得到空载调节参数和孤网调节初始参数，而最终的较为理想的孤网运行调节参数则需通过实际孤网试验后才能确定。

4.1 机组空载扰动试验

采用试验寻优法，得到三河口水利枢纽工程机组空载稳定运行的最优调节参数Kp=1.63、KI=0.12 s-1、KD=0.15 s、bp=0、Ef=0.01，孤网调节初始参数Kp=1.63、KI=0.14 s-1、KD=0.16 s、bp=2、Ef=0.5。如图3 a为空载扰动上扰试验曲线，图3 b为空载扰动下扰试验曲线，空载扰动试验性能指标如表1所示。

表1 空载扰动试验性能指标

4.2 机组孤网试验

当水头在30～55m范围内时，三河口水利枢纽工程常规机组以270 r/min的低转速运行，此时机组与电网柔性联接，对水轮机调节系统而言相当于孤网运行工况。

（1）第一次孤网试验

根据上述空载扰动试验确定的孤网初始调节参数，即Kp=1.63、KI=0.14 s-1、KD=0.16 s、bp=2、Ef=0.5，开展第一次孤网试验。孤网试验曲线如图4。从图中可见在该组参数下，孤网系统频率持续发散震荡无法收敛，不能满足稳定运行的要求，因此需要对调节参数进一步整定和优化。

图4 机组第一次孤网试验曲线

（2）第二次孤网试验

针对第一次孤网试验存在的问题，经过仔细分析和反复试验，发现孤网PID调节参数的整定不宜太灵敏，否则容易引起频率振荡；
同时，孤网Kp的取值宜稍大一点，而孤网KI的取值宜稍小一点；
人工死区Ef的整定，既不能太大，也不能太小，否则容易造成系统不稳定。

基于以上原则，对调节参数进一步整定和优化，最终确定一组效果较为理想的孤网调节参数Kp=0.78、KI=0.06 s-1、KD=0.39 s、bp=1、Ef=0.3。如图5为该组参数下的试验曲线，频率摆动值

由公式（2）计算可得频率摆动值δxf=±0.85%，满足GB/T 9652.1-2019中δxf≤±3%的规定，因此该组参数可以满足机组在孤网状态下稳定运行的要求。

图5 机组第二次孤网试验曲线

将变速恒频发电控制技术应用于常规水电机组调速系统中在国内虽属首次，但是通过试验研究和分析证明其是完全可行的，这种应用具有非常重要的工程实际意义。文中所有的分析都是基于励磁系统始终处于理想状态下的假想之上，而实际上通过变频器联接发电时，励磁系统可能也会面临若干问题，且极有可能出现机组、励磁、保护与调速问题相互影响，导致调节过程不稳定，甚至振荡。此时涉及的因素更复杂，后续可与其它专业联合做一些探讨和研究。

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