績溪抽水蓄能機組調速系統的現場應用

于紅巖，袁鵬展，張海嘯

（南瑞集團有限公司，江蘇 南京 210000）

收稿日期：2021-06-24

作者簡介：于紅巖（1985-），男，工程師，從事水輪機調速器的設備研制、項目管理、工程應用等工作。

1 引言

根據“十四五”規劃，風電、光伏等可再生能源的比重將快速增加[1]，這將加大電力系統的不穩定性，為了確保電力系統的穩定運行，抽水蓄能作為可再生儲能方式，將發揮重要作用。抽水蓄能是以新能源為主體的新型電力系統的重要組成部分，抽水蓄能電站利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電的水電站，可將電網負荷低時的多余電能，轉變為電網高峰時期的高價值電能，運行靈活、反應快速，能夠適應負荷快速變化，具備調峰、填谷、調頻、調相和事故備用等多種用途，對提高電力系統安全穩定運行水平、電網供電質量和可靠性具有重要作用，有效避免“棄風、棄光”現象發生，被譽為“綠色充電寶”[2]。

近年來，國家電網公司高度重視抽水蓄能發展，已建成抽蓄電站22座，在運、在建裝機規模達6 229萬kW，“十四五”期間目標是新增開工2 000萬kW以上。南瑞集團依托自身優勢，強化核心技術攻關,以技術創新破新能源消納難題，研制監控系統、勵磁系統、調速系統、變頻啟動系統（SFC）、保護系統等關鍵設備，在多個抽蓄電站實施應用，形成抽蓄二次系統設備產業化發展，相關產品打破國外壟斷，成為該行業的領跑者。以下主要介紹安徽績溪抽水蓄能電站調速器系統的主要應用情況。

2 調速器系統概述

抽水蓄能電站調速系統設備組成與常規水電機組調速系統基本相同，主要包括調速器電氣控制柜、機械液壓操作柜、主配壓閥及其電液隨動控制系統、油壓裝置及其控制柜、分段關閉裝置（閥）、事故配壓閥、接力器等[3]。作為調速器系統的核心，電氣控制柜采集抽水蓄能機組的導葉開度、有功功率、轉速、水頭等信息，通過控制流程和程序計算出相應的導葉開度給定，并轉換成相應的電氣量輸送到液壓操作柜。液壓操作柜主要配置比例伺服閥放大器和手動增減、停機等操作回路，主要將電氣控制柜信號進行傳遞和放大，并對液壓系統進行各種控制操作。液壓隨動系統主要配置了比例伺服閥和主配壓閥，主要對電氣控制柜信號進行電液轉換，并進行液壓放大。事故配壓閥主要在調速系統電氣或液壓隨動系統失靈時，能夠緊急關閉導葉。分段裝置根據調保計算值整定，實現一段或二段關閉。油壓裝置主要包括壓力罐和回油箱及其附屬自動化元件，主要為調試系統提供工作油壓；油壓裝置控制柜主要功能是通過對油泵的啟停控制和自動補氣控制來維持壓力罐的油壓穩定和合理的油氣比[4]。

3 現場應用情況

從2020年1月至2021年2月,績溪抽水蓄能電站實現6臺機組全部投產，自首臺機組投入商業運行以來，調速系統穩定、可靠，為機組運行提供了強力保障。下面就績溪1號機組現場試驗情況進行介紹，以備后期對該系統的現場實際性能做參考。

3.1 導葉擾動試驗

該系統在具備無水試驗的條件下，進行了導葉擾動試驗，分別進行了1%、5%、30%等各個梯級段的導葉擾動試驗，如圖1所示。從實驗結果看，調速器無論是1%的小擾動還是15%大擾動，調速系統的擾動均可靠、穩定，主配壓閥的精度高，對比DL/T 1549-2016《可逆式水泵水輪機調節系統技術條件》,滿足導葉開度設定值與導葉電氣反饋值偏差小于0.4%的要求，動態響應速度快、靈敏度高，能滿足能調速系統的開機、空載、并網等各項調節的要求[5]。

圖1 導葉擾動試驗錄波曲線

3.2 空載擾動及自動開機試驗

績溪抽水蓄能電站空載擾動試驗，前后進行了多次試驗，分別對A機和B機進行了±1 Hz、±2 Hz、±4 Hz等空載擾動試驗項目，如圖2所示。PID參數也進行了多組選擇，通過現場分析和對比，選擇了最優的PID調節參數（Kp=0.4,Ki=0.2,Kd=1），額定水頭工況下行，機組處于手動狀態，測得3 min內空載擺動為±0.15%。參數選定后，投入自動，空載轉速擺動穩定在±0.14%范圍，優于DL/T 1549-2016規定的±0.2%。從機組自動開機錄波（見圖3）可以看出，調速器分三段開機：第一段，導葉以1.5 %/s的速度增加至理論空載開度的4/5；頻率達到35 Hz后，導葉以1.5 %/s的速度增加至理論空載開度；等頻率達到49 Hz，進入空載調節，投入PID控制。整個過程轉速上升平穩，幾乎沒有超調量，機組振動較小，約80 s轉速穩定到額定，滿足抽水蓄能啟動及迅速并網要求。

圖2 機組空載擺動試驗

圖3 機組自動開機試驗

3.3 一次調頻試驗

當機組發電運行時，機組頻率跟隨電網頻率。電網正常運行時頻率在50 Hz附近小幅波動，頻差較小。電科院采用仿真儀輸出仿真頻率進行試驗，通過修改電氣調節柜內部控制邏輯為試驗程序，在軟件中實現頻率偏差的模擬。

現對績溪抽水蓄能電站1號機組的一次調頻試驗結果做簡要分析。1號機組在165 MW時，分別進行±0.1 Hz、±0.15 Hz、±0.2 Hz的一次調頻擾動試驗，頻差信號產生后15 s內機組處理響應均滿足要求變化處理的90%以上；頻差信號產生45 s內，機組實際出力與機組響應目標偏差的平均值，均在機組額定有功處理的±2%以內；頻差信號產生后，功率響應滯后實際2 s以內。以上數據均滿足DL/T 1549-2016的相關規定。

通過圖4、圖5錄波數據可以看出，績溪1號機組的一次調頻響應數據均滿足DL/T 1549-2016的相關規定。

圖4 165 MW高水頭、-0.15 Hz一次調頻響應曲線

圖5 165 MW高水頭、0.15 Hz 一次調頻響應曲線

3.4 甩負荷試驗

績溪抽水蓄能電站甩負荷試驗在各負荷下，每臺機組進行了4次，其中甩25%額定負荷時接力器不動時間測得0.19 s（國標規定不超過0.2 s）。圖6中可以看出，甩負荷試驗里調速器控制還是比較理想的，各項指標均優于國標規定（調節次數小于2次，調節時間小于40 s）。

圖6 機組25%甩負荷試驗

通過現場試驗和運行驗證，績溪抽水蓄能電站調速系統質量可靠、功能完善、運行穩定，具有很好的靜態特性和動態特性，各項指標都達到或優于國標，為績溪抽水蓄能電站機組安全穩定運行提供了可靠的保障。

4 結束語

績溪抽水蓄能電站調速系統采用了南瑞自主開發的調速器系統，配合阿爾斯通主配，構成了一個完整的調速系統。從試驗數據看，該系統各項數據指標均滿足設備運行需要。國產抽水蓄能機組近年來發展比較迅速，希望績溪電站的投運能為抽水蓄能電站的完全國產化提供工程經驗。