陽江400MW 特大型抽水蓄能機組調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及現(xiàn)場試驗

蔡衛(wèi)江，楊小龍，湯德海，陳 陽，王 昱

［1．南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院） 江蘇省南京市 211106；2．南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司工程建設(shè)管理分公司，廣東省廣州市 510630］

1 概況

抽水蓄能是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、壽命周期最長、容量最大的大規(guī)模物理儲能方式[1]，大規(guī)模開發(fā)抽水蓄能已成為支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要措施[2]。2021 年3 月19 日，國家電網(wǎng)有限公司提出“十四五”期間，將力爭新增開工2000 萬kW 以上抽水蓄能機組，并明確表示“集中攻克變速機組、40 萬kW 以上大容量機組、機組出口開關(guān)國產(chǎn)化等技術(shù)難題” 。

陽江抽水蓄能電站位于廣東省陽春市八甲山區(qū)，電站規(guī)劃裝機容量240 萬kW，分兩期建設(shè)，將安裝六臺40 萬kW的機組，單機容量在國內(nèi)最大，最大毛水頭約700m，是國內(nèi)同類型電站中水頭最高的電站之一。由于水頭高、容量大，其配套水泵水輪機調(diào)速系統(tǒng)不僅控制精度和可靠性要求高，設(shè)計和制造難度也大。水泵水輪機控制系統(tǒng)采用南瑞集團公司生產(chǎn)的SAFR2000H 型微機調(diào)速系統(tǒng)。微機調(diào)節(jié)器部分采用了ABB-貝加萊公司的X20 控制器，機械液壓部分選用博世-力士樂公司的比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換單元，法國ALSTOM公司的D100D 液壓閥作為主配壓閥，電源、控制模塊、傳感器等全部采用了雙冗余配置，軟件方面采用改進型并聯(lián)PID調(diào)節(jié)，變結(jié)構(gòu)參數(shù)自適應(yīng)控制策略[3]。系統(tǒng)整體配置高，調(diào)節(jié)性能優(yōu)越，可靠性高。

2022 年5 月，陽江一期3 臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電，目前運行穩(wěn)定，現(xiàn)將現(xiàn)場調(diào)速器設(shè)計及試驗情況作一介紹。

2 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及組成

2.1 調(diào)速器電氣調(diào)節(jié)柜

圖1 為陽江調(diào)速器電氣柜硬件配置圖，選用了ABB-貝加萊X20 系列的各模塊組成硬件控制核心，CPU 模塊采用CP1585，主頻400MHz，存儲空間256MB SDRAM，4GB 數(shù)據(jù)及程序存儲卡，2 個網(wǎng)口。控制器主要對已獲得的頻率、有功、開度、指令等信號進行處理，通過PID 調(diào)節(jié)計算，最終輸出控制信號。電網(wǎng)和機組頻率、齒盤轉(zhuǎn)速測量采用高速信號處理DS1319 模塊；導(dǎo)葉開度、有功功率、水頭等模擬信號輸入采用AI4622 模塊；開停機、斷路器位置、增減、抽水、水輪機/水泵方向等外部開關(guān)量指令采用DI9371 模塊輸入，故障報警信號和手動、一次調(diào)頻等狀態(tài)信號采用DO9322 模塊輸出。導(dǎo)葉伺服閥控制、參數(shù)辨識試驗?zāi)M信號、PMU 模擬信號等采用AO4622 模擬量輸出模塊；雙機切換則由智能切換PLC來保證，HMI 人機界面采用15 寸觸摸屏作為兩套系統(tǒng)的信息顯示。

圖1 陽江調(diào)速器電氣柜硬件配置圖Figure 1 Hardware configuration diagram of governor electrical cabinet of Yangjiang

所有模塊均為冗余配置，兩套調(diào)節(jié)器之間通過以太網(wǎng)接口和交換機進行通信，實現(xiàn)信息冗余和相互切換時穩(wěn)定工作。兩套CPU 分別處理采集到的信號，一套處于主控模式，一套處于熱備用模式，當(dāng)其中一套發(fā)生故障或需要檢修時，通過智能切換單元使另一套立即自動投入。

2.2 液壓控制部分原理設(shè)計

陽江調(diào)速器液壓調(diào)節(jié)原理圖如圖2 所示，主要包括主配壓閥、先導(dǎo)控制電磁閥組及液壓集成塊、雙切換過濾器、機械過速保護機構(gòu)。其中先導(dǎo)控制電磁閥組由比例伺服閥、雙冗余停機電磁閥、過速保護液控閥組成，具備自動、電手動、停機、過速停機等功能。自動工況下，調(diào)速器電氣控制柜根據(jù)機組運行工況，測量出的頻率、功率、開度、水頭信息，以及相關(guān)給定信息，比較獲得偏差，通過PID 計算得到最終控制信號，輸出控制信號到10EM01 比例伺服閥，通過伺服閥將電信號轉(zhuǎn)換為液壓控制信號，控制液壓放大元件主配壓閥10ALSTOM 動作，主配壓閥驅(qū)動導(dǎo)葉接力器以電氣柜程序要求的速度和方向動作。手動工況下，調(diào)速器電氣柜僅接受手動給定值，比較導(dǎo)葉開度反饋，取得偏差，進行開度閉環(huán)調(diào)節(jié)，通過比例伺服閥控制接力器動作。緊急停機回路采用雙冗余設(shè)計，當(dāng)急停電磁閥10EM01、10EM02 任何一個動作時，主配壓閥的控制腔C 均通向回油，在對側(cè)恒壓力腔作用下，主配將直接關(guān)閉，可靠停機。此外，液壓回路還設(shè)計有機械過速保護裝置的接口，如圖2 所示，正常情況下，機械過速保護裝置常態(tài)輸出壓力油，液控閥10HV01 工作在左位，當(dāng)機組過速超過過速保護裝置設(shè)定值時，安裝在大軸上的過速保護裝置飛擺動作，行程閥動作換向輸出回油，液控閥10HV01 在右邊彈簧作用下回到右位，主配壓閥的控制腔C 均通向回油，導(dǎo)葉直接關(guān)閉。

圖2 陽江調(diào)速器導(dǎo)葉液壓控制原理圖Figure 2 Schematic diagram of vane hydraulic-control of governor of Yangjiang

2.3 分段關(guān)閉閥原理設(shè)計

抽水蓄能機組由于水頭較高，往往在百米以上，導(dǎo)葉關(guān)閉過快將造成水壓上升過高，造成壓力鋼管爆裂，球閥密封受損，導(dǎo)致水淹廠房等事故，因此采用分段關(guān)閉方式可有效避免水壓上升隱患[4]。陽江抽水蓄能電站機組由于水頭高，單機容量大，機組過渡過程計算要求導(dǎo)葉采用分段關(guān)閉方式。為安全起見，分段關(guān)閉設(shè)計采用機械先導(dǎo)閥和電磁閥共同驅(qū)動方式。按照陽江過渡過程計算要求，水輪機工況，機組甩負荷導(dǎo)葉采用兩段關(guān)閉規(guī)律，第一段關(guān)閉速度較快，第二段關(guān)閉速度較慢，水泵工況下，水泵斷電采用一段關(guān)閉規(guī)律，關(guān)閉速率居于水輪機兩段關(guān)閉速率之間。

為實現(xiàn)上述導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，陽江分段關(guān)閉液壓原理圖設(shè)計如圖3 所示，分段關(guān)閉裝置由3 個插裝閥和1 個先導(dǎo)電磁換向閥及1 個機械行程換向閥組成，3 個插裝閥具備限位調(diào)節(jié)螺桿，可實現(xiàn)3 種不同關(guān)閉速率。當(dāng)水輪機工況甩負荷，導(dǎo)葉從較高開度往關(guān)方向運動，未到機械式行程閥動作點之前，行程閥輸出為回油，13C03 插裝閥上部控制腔也為回油，13C02 插裝閥上部控制腔則為壓力油，呈關(guān)閉狀態(tài)，主配回油只能經(jīng)過13C01 和13C03 兩個插裝閥，關(guān)閉速度是速率1 和速率3 之和，速率較快。當(dāng)關(guān)閉到分段關(guān)閉行程閥動作時，13C03 插裝閥上腔通壓力油，呈關(guān)閉狀態(tài)，只有13C01 插裝閥打開，此時，導(dǎo)葉關(guān)閉速率變慢，變成速率1。當(dāng)水泵工況斷電時，由于工況切換閥13EM01切換到右位，13C03 插裝閥上腔始終通壓力油，呈關(guān)閉態(tài)，13C02 插裝閥上腔通回油，此時，主配回油只能經(jīng)過13C01 和13C02 兩個插裝閥，關(guān)閉速度是速率1 和速率2之和，速率中等。

圖3 陽江分段關(guān)閉閥液壓原理圖Figure 3 Schematic diagram of step closure device of Yangjiang

總體上看，通過3 個插裝閥組合，可以實現(xiàn)3 種不同速率，水輪機工況，快關(guān)段采用速率1 和速率3 疊加，慢關(guān)段采用速率1，水泵工況，采用速率1 和速率2 疊加，速度居中。

3 現(xiàn)場試驗情況

2021 年10 月，陽江抽水蓄能首臺機組開始啟動調(diào)試，2022 年6 月，3 臺機組全部完成現(xiàn)場調(diào)試，投產(chǎn)發(fā)電，其調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過第三方檢測單位南網(wǎng)電科院嚴格的現(xiàn)場測試和試驗，均達到優(yōu)良水平。

3.1 工況轉(zhuǎn)換試驗

3.1.1 靜止—開機—并網(wǎng)發(fā)電

圖4 為陽江3 號機組從靜止—開機—并網(wǎng)帶負荷過程錄波，從錄波圖中可以看出，調(diào)速器收到開機令，機組啟動到轉(zhuǎn)速上升到80%時間約48s，轉(zhuǎn)速滿足并網(wǎng)頻差要求且穩(wěn)定在100%時間約70s，兩者時間比值為1.46，按照國家標準GB 9652.1《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)條件》，兩者時間比值應(yīng)不超過5 倍，一般比值越小越優(yōu)，可見，陽江機組啟動迅速且平穩(wěn)，遠遠優(yōu)于國標要求。從現(xiàn)場錄波圖可以看出，機組最終并入電網(wǎng)時間約為120s，負荷帶到100MW 時間約135s，調(diào)速器控制導(dǎo)葉動作靈活平滑，機組轉(zhuǎn)速、功率上升平滑、迅速、無超調(diào)。僅在并網(wǎng)瞬間功率有沖擊，但沒有影響導(dǎo)葉動作。整個調(diào)節(jié)過程完全滿足抽水蓄能機組緊急啟動、快速并網(wǎng)要求。

圖4 陽江3 號機組從靜止到開機到并網(wǎng)帶負荷錄波Figure 4 Wave recording from standstill to start-up to grid-connected with load of No．3 of Yangjiang

3.1.2 背靠背拖動試驗

陽江3 號機組背靠背拖動試驗如圖5 所示，該圖為3 號機組作為拖動機啟動2 號機組試驗錄波，從圖中可以看出，兩臺機組背靠背連接后，導(dǎo)葉采用階躍方式開到10.5%，施加一定啟動力矩克服機組靜摩擦力讓機組啟動，待測到轉(zhuǎn)速后，調(diào)速器按設(shè)定好的速率控制機組轉(zhuǎn)速按0.22Hz/s 速度上升，整個過程采用PID 閉環(huán)方式啟動，2 臺機轉(zhuǎn)速上升平穩(wěn)，完全同步，轉(zhuǎn)速從0 到額定時間約220s，2 號機組在同期裝置控制下約280s 并入電網(wǎng)，啟動完成，3 號機組完成拖動隨后轉(zhuǎn)停機。機組有功在整個拖動過程中輸出平滑穩(wěn)定，無波動和超調(diào)。

圖5 陽江3 號機拖動2 號機試驗錄波Figure 5 Wave recording of No．3 dragging No．2 test of Yangjiang

3.1.3 抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水試驗

陽江2 號機抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水試驗如圖6 所示，通過前期背靠背啟動，2 號機組轉(zhuǎn)入發(fā)電調(diào)相運行，消耗功率約-10MW，此時要開始抽水，40s 時刻，機組進水球閥逐步打開，機組濺水功率逐步上升到-32MW、-80MW，達到濺水功率要求，此時監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)調(diào)速器抽水命令，調(diào)速器按照水泵揚程對應(yīng)的開度逐步開啟導(dǎo)葉到設(shè)定值。此時，水泵消耗功率逐步上升，最終達到-403MW 額定值附近。整個轉(zhuǎn)換過程，水泵入力變化平穩(wěn)，導(dǎo)葉開度啟動平滑穩(wěn)定。

圖6 陽江2 號抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水試驗錄波Figure 6 Wave recording of pumping phase modulation to pumping test of No．2 of Yangjiang

3.2 一次調(diào)頻試驗

一次調(diào)頻是指當(dāng)電網(wǎng)的頻率偏離額定值時，電網(wǎng)中機組調(diào)速系統(tǒng)就自動地控制機組有功功率的增減，限制電網(wǎng)頻率變化，使電網(wǎng)頻率維持穩(wěn)定的自動控制過程。一次調(diào)頻試驗主要用來測試調(diào)速器適應(yīng)電網(wǎng)頻率的快速調(diào)節(jié)能力[5]。圖7 為陽江3 號機組一次調(diào)頻+0.15Hz 頻率階躍擾動試驗波形，圖8 為3 號機組-0.15Hz 階躍擾動波形。表1 為陽江3 號機360MW 工況一次調(diào)頻響應(yīng)特性匯總，包括±0.05Hz、±0.1Hz、±0.15Hz 三組共六次一次調(diào)頻試驗數(shù)據(jù)記錄。

表1 陽江3 號機360MW 工況一次 調(diào)頻響應(yīng)特性匯總Table 1 Summary of primary frequency regulation response of No.3 of Yangjiang under 360MW condition

圖7 陽江3 號機組+0．15Hz 階躍一次調(diào)頻錄波Figure 7 Wave recording of +0．15Hz step primary frequency regulation of No．3 of Yangjiang

圖8 陽江3 號機組-0．15Hz 階躍一次調(diào)頻錄波Figure 8 Wave recording of -0．15Hz step primary frequency regulation of No．3 of Yangjian

從表1 的試驗匯總數(shù)據(jù)分析表明，陽江抽水蓄能電站調(diào)速器一次調(diào)頻響應(yīng)時間最大1.41s、達到目標幅度90%時間最大13.31s、穩(wěn)定時間最大25.2s，按照相關(guān)行業(yè)標準（DL/T 1245《水輪機調(diào)速器并網(wǎng)運行技術(shù)導(dǎo)則》）要求，水電機組并網(wǎng)發(fā)電工況下，帶70% 以上負荷，通過施加一定幅值的頻率階躍（有效頻差大于0.1Hz），調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻響應(yīng)時間滯后應(yīng)小于4s、達到目標幅度90% 時間不超過15s、穩(wěn)定時間應(yīng)不超過30s。可見陽江調(diào)速器調(diào)節(jié)性能指標優(yōu)于行業(yè)標準要求，表明其一次調(diào)頻功能完備，滿足電網(wǎng)相關(guān)要求，為發(fā)揮陽江特大型抽水蓄能機組一次調(diào)頻能力，維持電網(wǎng)安全穩(wěn)定提供重要支撐。

3.3 過渡過程試驗

3.3.1 甩負荷試驗

抽水蓄能電站過渡過程綜合了水輪機和水泵過渡過程特性，特別是高水頭、大容量的水輪機工況異常情況下甩負荷，蝸殼進口及尾水管進口壓力的大小，對電站整個輸水系統(tǒng)及機組的安全性都有很大影響[6]。甩負荷試驗是抽水蓄能電站機組調(diào)速器的一項重要試驗，用于考核機組在事故情況下與電網(wǎng)解列，調(diào)速器的快速反應(yīng)和調(diào)節(jié)能力，一方面要防止轉(zhuǎn)速上升過高，同時還要防止導(dǎo)葉關(guān)閉過快引起水壓上升過高[7]。抽水蓄能機組調(diào)速器甩負荷一般直接停機，陽江3號機組甩100%負荷試驗錄波如圖9 所示，水泵水輪機過渡過程計算設(shè)計的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律如圖10 所示，其試驗數(shù)據(jù)記錄如表2 所示。

表2 陽江3 號機甩負荷試驗記錄Table 2 Record of load shedding of No.3 of Yangjiang

圖9 陽江3 號機甩100%負荷試驗波形Figure 9 Waveform of 100% load rejection test of No．3 of Yangjiang

圖10 陽江水泵水輪機過渡過程計算導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律Figure 10 Design of guide vane closing law during the transition process of Yangjiangt pump turbine

通過陽江現(xiàn)場甩負荷試驗記錄可看出，導(dǎo)葉關(guān)閉符合陽江水力過渡過程要求的兩段關(guān)閉規(guī)律，分段點為62.8%，第一段速率為12.1%/s，第二段速率為1.1%/s，機組轉(zhuǎn)速最高上升到127.5%，滿足陽江水泵水輪機過渡過程計算及設(shè)計要求。

3.3.2 水泵斷電試驗

陽江3 號機組水泵滿功率抽水工況突然斷電試驗波形如圖11 所示，過渡過程計算導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律見圖10，設(shè)計采用直線關(guān)閉，速率為5.81%/s，從圖中可以看出，水泵失電后，導(dǎo)葉按照機組過渡過程要求的規(guī)律關(guān)閉，從當(dāng)前抽水開度88.5%至全關(guān)共耗時15.2s，速率為5.81%/s，滿足水泵工況過渡過程計算及設(shè)計要求。全過程機組轉(zhuǎn)速下降平穩(wěn)，無反復(fù)，導(dǎo)葉關(guān)閉到零時，轉(zhuǎn)速已下降到10%以下，表明導(dǎo)葉關(guān)閉及時，沒有出現(xiàn)關(guān)閉過慢導(dǎo)致機組反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，機組反轉(zhuǎn)可能造成大軸受到扭矩反復(fù)沖擊，帶來振動等，影響機組安全[8]。

圖11 陽江3 號機組水泵抽水?dāng)嚯娫囼灢ㄐ蜦igure 11 Waveform of power-off pumping test of No．3 of Yangjiang

4 結(jié)束語

陽江抽水蓄能電站單機容量400MW，是國內(nèi)最大的該類型機組，由于其機組容量大，水頭高，正反轉(zhuǎn)控制，工況轉(zhuǎn)換頻繁，對其水輪機調(diào)速器的控制要求極高。通過調(diào)速器的設(shè)計和現(xiàn)場試驗，可以得出以下結(jié)論：

（1）采用高性能PCC 微控制器，配套比例伺服閥作為高精度電液轉(zhuǎn)換器，以及雙冗余電氣回路和停機保護、機械式分段關(guān)閉設(shè)計，具有良好的調(diào)節(jié)性能和安全可靠性，適用于國內(nèi)特大抽水蓄能機組的控制。

（2）通過現(xiàn)場工況轉(zhuǎn)換、一次調(diào)頻、大波動過渡過程等全面試驗，表明調(diào)速器各項性能滿足國標、行標相關(guān)要求，對發(fā)揮抽水蓄能機組快速轉(zhuǎn)換、調(diào)峰調(diào)頻、新型電力系統(tǒng)的響應(yīng)起到重要支撐作用。