陈宇祺

(海丰县青年水库管理所，广东 海丰 516400)

1 研究方法

水电站发电系统包括引水、调速、发电、励磁单元，发电系统的数学模型包括水力系统数学模型和调速系统模型[1-3]。

1.1 水力系统模型

水力系统的数学模型包括流量方程、水流方程和机械功率方程。

(1)流量方程。见式(1)：

Q=AU

(1)

式中：Q为管道流量，m3/s；A为管道横截面积，m2；U为管道内部流经水流的流速，m/s。

(2)水流方程。见式(2)：

(2)

式中：U为水流量的标幺值；G为阀门开度的标幺值；H为管路压力的标幺值。

(3)机械做功方程。见式(3):

P=U·H

(3)

式中：P为发电机的机械输入功率标幺值；U为发电机输出的最低功率对应的管路流量；H为管路压力的标幺值。

1.2 调速系统模型

水电站的发电系统虽然各有不同，但是由于其发挥的功能是相似的，其组成部分也具有相似性。对于系统的组成部分而言，可以将控制策略分为线性模型和非线性模型两类，水体根据水力学分类有刚性水体和弹性水体两种水力特性，针对某种水体又分为调压和非调压两种终端压力需求，所以水电站的调速模型的分类见图1。在生产应用中的调速模型主要使用线性调速模型、理想调速模型和综合非线性调速模型[4]。

图1 水力发电系统的调速模型分类

2 水电站负荷控制现状

水电机组控制系统是发电系统的核心部分，其主要作用是通过调节机组的输出功率保持进入电网的电能具有恒定的频率和电压等级，控制系统包括发电机的调速部分和励磁部分，机组输出的电能在并网时为了保持为负荷侧提供的电能质量稳定，系统的AGC(自动发电负荷调整系统)输出相应的控制指令并控制机组的调速系统，达到控制输出和给定信号一致的目的，使得系统频率和电网频率一致。

2.1 经典控制策略最常用

由于负荷自动调整系统包括了调速系统、励磁系统以及水电机组发电系统，其复杂的机械和电气耦合特性使得控制输出信号和给定之间存在不同程度的差异，一般为了简化控制策略和操作流程，多用PD或者PI策略进行控制信号的处理，编程简洁，实用性强，且满足大多数工况，是应用比较广泛的经典控制策略。但由于系统调节参数只关注电气系统内部的固有特性，在极端工况下(如工况转换或者是暂态模式)跟随性能较差。

2.2 反馈信息多为系统外部输出信号

根据传动理论，发电机组输出电能的反馈信息是将发电、励磁和调速作为一个整体而施加控制的，系统内部的相互影响未考虑，将级联进行了理想化处理，内部约束能力差，复杂运行状态下的控制效果不理想，需要进行系统完备性的改进。

随着发电机组和电网控制要求的提升，电力系统的智能化水平也越来越高，投入使用的传感器、在线监测等技术提升了水电站的电网控制效果，与此同时，先进且高效的控制策略正逐步应用于发电机组，对提升电网质量和系统稳定性，优化发电机组的控制水平具有较强烈的促进作用。

3 数字调速器的设计

水电站发电机组的稳定运行是一个水电站的重要考核指标，并且具备应急状态下的快速自启动能力，即一旦发生电网失电事故，水电站必须做到自启动机组带动非自启动机组实现系统黑启动。所以，基于目前各用电负荷对电源质量的高标准要求，需要水电站的电力匹配、机组调速等方面做到和用户需求完美吻合，方可实现机组在功率和频率双调节上达标。

3.1 技术要求

发电机组在实现系统黑启动的前提下，需要达到以下要求，具体见表1。

表1 发电机组数字调速技术要求

3.2 技术参数

系统已知参数见表2。

表2 水电站已知参数(举例说明)

3.3 机械液压部分

(1)储能罐。储能罐为通用的皮囊式，其组成部分包括充气阀、储能罐壳体、胶囊式储能单元、进油阀和出油阀，胶囊起到储存和释放油液的作用，且由于胶囊式储能罐其机械惯性不大，对压力敏感，故可以为管路快速提供油液且没有较大的压力波动，预充氮气容量可以使用一年以上，维护少，使用寿命长。

(2)蓄能器。蓄能器的用油量需要同时满足接力器、电磁阀和液控阀的过油量、以及导叶阀的内泄漏。根据设计汇总系统内蓄能器相关的机械参数和液压参数见表3：

表3 蓄能器机械及液压参数

此时可以计算蓄能器的总容量为30.6 L。除此以外，电磁阀和液控阀同时动作时，开机前需要2.0 L，开机后进行动作时，过流量需要1.0 L。

内泄漏的油量为导叶控制阀组的内泄漏总量，包括3个电磁阀、1个压紧阀、1个手阀、1个停机阀和1个事故液控阀，且通径均为NG6，查阅《中小型水轮机调速器技术规程》(SL 755—2017)中对于通径为6 mm的阀门其内泄漏量不应超过 100 mL/min，所以导叶阀组的最大内泄漏量不超过5.4 L/h。

(3)核算蓄能器容量。在极端情况下，即黑启动状态时需要用蓄能器的油量来启动接力器，蓄能器容量初始选型为80 L，此时,低压下提供的油量总体积为15.67 L。

15.67 L的油量是接力器刚开机需要用油量2.0 L的7.8倍，超过3个接力器开关行程，符合黑启动时的油量储存条件。

(4)核算蓄能器等待时间。蓄能器的等待时间是指失电后系统再次启动需要的最短时间，一般情况下，没有黑启动配置的系统恢复供电需要6～8 h，具备黑启动配置的系统恢复供电时间为1～4 h,而恢复供电时间的长短取决于蓄能器容量在弥补内泄漏支撑导叶阀组启动的理论测算值。

本系统中正常工况下的油压下限Pmin为 14.4 MPa，低油压停泵值PCLOSE为10 MPa,低压时油量总体积为15.67 L，导叶阀组内泄漏量不超过5.4 L/h,满足最大泄漏量的情况下，蓄能器可以支撑的最长时间为2.9 h，符合黑启动配置中的系统恢复供电时间范围。

3.4 控制回路

调速系统的控制部分参数如表4。

表4 控制系统配置参数

调速器为导叶阀提供调速直流电源的容量为350 W，满足行程需要。220 V市电交直流分别作为调速器的电源，交流电失电后直流电提供系统启动电源。

3.5 调速系统运行方式

正常工况下，调速器运行在负荷跟随调整状况、应急工况或工控切换下时，系统工作在黑启动状态，此时，系统以小网或者孤网方式运行。

孤网运行至工况切换状态时，调速器的接触器触点判断出系统是工作在发电状态或者空载状态，此时，数字调速器将根据判断条件切换不同工况下储存的调节参数。

3.6 数字控制器的参数优化

数字式控制器将PID控制策略运行至工况切换状态，此时孤网和大网不同工况下的调节算法中优先使用变结构和变PID参数的优化PID策略，使得PCC调节器自动根据不同工况及切换工况进行控制策略的选择，匹配进入大网空载、大网变负荷、大网稳定运行及孤网运行和孤网切换的不同状态，确保每个状态下系统具有良好的快调节、高输出稳定输出功率的特征。

当调速器在孤网带负荷运行状态时，发电机组出口的断路器始终保持接通的状态，在正常工作状态时，负荷调整跟随策略优先，系统稳定运行，输出功率恒定。

通过两种状态及状态切换时的负荷突变试验发现，稳态输出频率为50±0.5 Hz，稳态至负荷突变状态时，调节至稳态的时间最长不超过30 s，符合电网快速稳定的条件。

4 结 语

通过对水电站的负荷特性进行分析，为保证发电机组的稳定运行以及电网输出功率的恒定性，需要对调速器进行参数优化调整，保证其具备恒频率和快调节特性。本文对机械液压特性及选型参数进行优化，得出在极限状态下获得稳定输出系统和短时进入稳态的重要核心条件，详细阐述了调速器的重要性，通过容量和时间核算，实现调速器的稳定运行和正常工况下的稳定调节。