高水頭沖擊式水輪發電機組交流勵磁與調速協調控制策略

李川，王明渝

(重慶大學電氣工程學院，重慶 400044)

高水頭沖擊式水輪發電機組交流勵磁與調速協調控制策略

李川，王明渝

(重慶大學電氣工程學院，重慶 400044)

分析了影響沖擊式水輪機的效率的因素，針對基于雙饋異步電機的高水頭沖擊式水輪機發電機組的多變量、強耦合特點，提出了交流勵磁和液壓調速的變參數、變結構的協調控制策略，完成了兩者之間的最優動態匹配，既實現了最優轉速跟蹤，又實現了有功功率和無功功率的解耦控制，提高了并網穩定性。仿真研究結果表明所提出的控制策略是有效的。

高水頭沖擊式水輪發電機;變速恒頻;效率優化

按水流作用于水輪機轉輪的方式，水輪機有反擊式和沖擊式之分。沖擊式水輪機結構簡單，機組安裝高程不受空蝕條件的限制，在國內外的高水頭電站中得到了較為普遍的應用［1］。傳統的高水頭沖擊式水輪發電機組采用恒頻恒速技術，要求發電機轉速恒定，導致水能利用率低且適應工況的能力不強。隨著電力電子技術、自動控制理論和微電子技術的發展，基于雙饋異步電機的交流勵磁變速恒頻沖擊式水輪發電機組成為趨勢，它簡化了發電系統結構，降低了成本，提高了能源轉換效率［2］。

1 沖擊式水輪機組特性

設實驗水頭恒定，轉速恒定，同一個水斗單位時間接受的射流流量在不同位置是不一樣的，用下式表示:

式(1)中:s0為射流截面面積;v0為射流速度;u為圓周速度;n為轉速;α為圓周速度與射流速度的夾角;D1為轉輪有效直徑。

研究在恒定水頭和噴針開度的條件下，如何獲得最大的ΔQ。沖擊式水輪機當水頭恒定時，其管道壓力恒定，v0恒定;當噴嘴開度恒定時，s0恒定，故影響ΔQ的因素就只有圓周速度u和水輪機轉速n。所以對于沖擊式水輪機，其轉速是影響效率的主要因素。

沖擊式水輪機效率曲線如圖1所示［3］。效率隨轉速急劇變化，取得最優效率的轉速范圍很窄。轉速越快，效率下降越快，而且轉速上升時效率下降的速度比轉速下降時效率下降的速度要快。

圖1 沖擊水輪機的效率曲線

2 交流勵磁與調速協調控制

常規水輪發電機組(即同步發電機組)只能在額定同步轉速下運轉，機組轉速固定不變，無調節余地。通常設計成在加權平均水頭下達到最優單位轉速，在最優單位轉速附近水輪機具有良好性能和效率。若水頭變化而轉速不能改變，則水輪機勢必效率降低、氣蝕系數增大，磨蝕和振動增加，運行工況惡化。對于交流勵磁變速恒頻機組，在實時水頭變化時可以通過動態調節輪機轉速來獲得最大效率和最優工況［4］。系統總體結構如圖2所示。

圖2 交流勵磁變速恒頻發電機組結構框圖

圖2中，核心模塊是交流勵磁與調速協調控制系統。當水頭發生變化時，由最優轉速模型計算出最優轉速指令，速度控制回路調節噴針開度，滿足轉速指令，獲得最大效率;在速度調節過程中，功率調節回路維持發電機輸出功率不變。

并網運行發電機組存在多工況運行情況，如空載運行和并網發電運行等，不同工況被控對象的數學模型差異較大［5］。要獲得良好的控制品質，不同工況應采用不同的控制策略。本文提出了變結構、變參數協調控制思想，即設計協調控制模塊，建立協調控制機制。在協調控制模塊管理下實現空載運行控制和并網發電控制的動態切換、交流勵磁控制和轉速控制的動態匹配。協調控制系統總體結構框圖如圖3所示。協調控制模塊實時監測發電機組狀態，按協調機制調用控制策略、調整控制結構、重配控制參數。

圖3 協調控制系統總體框圖

并網斷路器狀態信號DL用于觸發空載運行控制和并網發電控制的動態切換。當DL=0即并網斷路器分閘時，調用空載運行控制策略;當DL =1即并網斷路器合閘時，切換到并網發電控制策略。協調控制模塊監測功率需求增量ΔP和水頭增量Δh，并分4種情況啟動不同的控制策略。當ΔP≠0，Δh=0，即需求電功率變化時，功率調節回路調節交流勵磁電流向量，從而控制輸出電功率以滿足需求變化。速度調節回路恒定機組轉速，由于功率調節快、速度調節慢，因此在速度調節回路投入開度前饋控制，動態改變水機噴針開度增量Δδ=f(ΔP)，預調水輪機出力以減小轉速波動。當ΔP=0，Δh≠0，即水頭變化時，速度調節回路按最優轉速指令控制轉速以實現最大效率追蹤。功率調節回路檢測水機轉速，調節勵磁電流幅值及頻率，恒定輸出電功率。由于功率調節快，功率調節回路能抑制速度變化帶來的擾動，故可不設功率前饋控制，但要兼顧電功率變化時的跟隨性能和水頭變化時的抗擾性能。當ΔP≠0，Δh≠0，即功率需求和工作水頭同時變化時，功率調節、最大效率追蹤控制和開度前饋控制遵循嚴格時序，即先啟動功率調節以保證電網穩定，接著啟動開度前饋控制預調機械出力，待功率調節過程基本穩定后再啟動最大效率追蹤控制。

當電網有功負荷突變時，發電機組有功給定來不及變化，有功供需失衡引起電網頻率變化。同理，當電網無功負荷突變時，無功供需失衡引起電網電壓幅值變化。為了快速抑制負荷突變或電網故障所引起的頻率和電壓波動，協調控制系統還應考慮有功、無功校正環節。

3 系統仿真研究

根據上述控制策略，在Matlab/Simulink環境下建立系統仿真模型。系統仿真原理框圖和雙饋發電機空載模型如圖4、5所示。根據水頭h，得到最優轉速。有功和無功是通過矢量控制算法實現解耦的。

圖4 發電機組運行控制仿真框圖

圖5 MT坐標系下的雙饋發電機空載模型

系統仿真結果如圖6～8所示。圖6為機端電壓波形，頻率為50 Hz。

圖6 機端電壓A相波形

模擬水頭變化，改變水頭h的輸入值，分別為h1=400 m，h2=600 m，h3=800 m，轉輪直徑D= 1.25 m，按最優轉速模型(算法)計算最優轉速。設最優轉速階躍變化±20%，記錄機組轉速，有功、無功變化曲線。圖7為雙饋電機超同步運行時轉速給定，轉速跟蹤及有功，無功變化曲線。圖8為雙饋電機亞同步運行時轉速給定、轉速跟蹤及有功、無功變化曲線。

圖7 最大效率追蹤控制(超同步運行)

圖8 最大效率追蹤控制(亞同步運行)

可以看出:最優轉速算法能實時計算最優轉速，計算精度高;速度控制回路按最優轉速指令調節，將轉速穩定在最優轉速;轉速響應慢而穩、有效克服了機組抽動。交流勵磁與調速器的協調控制，使最大效率追蹤過程中的轉速變化不影響有、無功輸出。調節過程中有功波動很小，無功無波動，穩定后有、無功不變。

4 結束語

高水頭沖擊式水輪發電機組存在多工況運行情況，控制系統較為復雜，具有多變量、多回路控制的特點，且被控參量非線性、強耦合。既要進行有功、無功調節，又要對最大效率追蹤控制。本文基于融合技術的交流勵磁系統和液壓調速器的最優動態匹配，提出協調控制策略和適應不同工況的多模態控制算法，以實現有、無功獨立快速控制和最大效率追蹤。仿真研究結果表明了控制算法的準確性。

［1］程時兵，羅耀華.變速恒頻雙饋潮流發電機勵磁控制技術［J］.應用科技，2008，35(2):41－44.

［2］劉其輝，賀益康，卞松江.變速恒頻風力發電機空載并網控制研究［J］.中國電機工程學報，2004，24(3):6－11.

［3］陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［4］廖勇，楊順昌.交流勵磁發電機勵磁控制［J］.中國電機工程學報，1998，18(2):87－90.

［5］吳國祥，黃建民，陳國呈，等.變速恒頻雙饋風力發電運行綜合控制策略［J］.電機與控制學報，2008，12 (4):435－440.

(責任編輯 楊黎麗)

Coordinating Control Strategy on AC-excited and Variable Speed Generating Group with High Water-head Im pulse Turbine

LIChuan，WANG Ming－yu
(College of Electrical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

This paper analyzed the factor to influence the efficiency of high water－head impulse turbine.Aimed to the characteristics ofmulti－variables and strong coupling of the controlled device based on double feed induction generator，a coordinating control strategy with variable parameters and variable structure for AC－excited and variable speed system is presented.The algorithm achieved the optimal dynamic matching between them，not only the optimal speed tracking，but also the decoupling control between active power and reactive power，and improving the stability for linking grid.The results of simulation research showed that the strategy presented in the paper is effective.

high water－head impulse turbine;variable speed constant frequency;efficiency optimization

TM343

A

1674－8425(2014)09－0108－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.09.023

2014－03－20

重慶市科委科技攻關計劃項目(cstc，2007ac3033)

李川(1981—)，碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動研究。

李川，王明渝.高水頭沖擊式水輪發電機組交流勵磁與調速協調控制策略［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(9):108－111.

format:LIChuan，WANG Ming－yu.Coordinating Control Strategy on AC－excited and Variable Speed Generating Group with High Water－head Impulse Turbine［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(9):108－111.