李湛　歐陽(yáng)本凱　余子健

摘要：小水電作為一種可再生能源，在水利資源豐富地區(qū)得到了大量應(yīng)用，并逐步實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守的自動(dòng)化控制，而自動(dòng)控制器作為其核心技術(shù)，在開機(jī)過程中啟動(dòng)勵(lì)磁時(shí)頻率會(huì)下降，而且不同水頭的水電站，頻率變化率差異較大。針對(duì)這兩個(gè)問題，提出了優(yōu)化頻率調(diào)節(jié)的措施，分別是在起勵(lì)的同時(shí)增加導(dǎo)葉開度、根據(jù)不同的水頭自適應(yīng)調(diào)節(jié)頻率、采用反時(shí)限設(shè)置導(dǎo)葉控制時(shí)間，以更快地調(diào)整頻率，達(dá)到優(yōu)化開機(jī)時(shí)間的效果。

關(guān)鍵詞：頻率調(diào)節(jié);開機(jī)時(shí)間;自動(dòng)控制器;小水電

0 引言

我國(guó)小水電資源豐富，廣泛分布于各個(gè)省份，其中桂、川、貴、滇、鄂五省的小水電可開發(fā)量較大，目前我國(guó)小水電裝機(jī)容量為1億kW左右，年發(fā)電量3 000億kWh左右，小水電的建設(shè)和發(fā)展對(duì)于節(jié)約能源資源、減少溫室氣體排放、優(yōu)化能源戰(zhàn)略布局和促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展等具有重要意義。小水電投資小、周期短、見效快，為解決無(wú)電、缺電地區(qū)人口用電問題，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和農(nóng)民脫貧致富做出了歷史性貢獻(xiàn)[1-6]。

小水電無(wú)人值守已成發(fā)展趨勢(shì)，而要實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的自動(dòng)控制，關(guān)鍵技術(shù)是自動(dòng)控制器，目前的自動(dòng)控制器仍存在調(diào)整頻率時(shí)間較長(zhǎng)的問題，影響自動(dòng)開機(jī)的速度[7-8]。

本文先介紹小水電的開機(jī)過程，再針對(duì)自動(dòng)開機(jī)操作時(shí)間較長(zhǎng)的問題進(jìn)行分析，并提出自動(dòng)調(diào)整頻率的優(yōu)化措施，從而達(dá)到快速開機(jī)并網(wǎng)的效果。

1 開機(jī)流程分析

小水電自動(dòng)控制器開機(jī)程序如圖1所示。調(diào)速器觸發(fā)方式分為水位觸發(fā)和人工觸發(fā)。水位觸發(fā)通過檢測(cè)水位高度實(shí)現(xiàn)，人工觸發(fā)通過操作把手實(shí)現(xiàn)。調(diào)速器啟動(dòng)后，導(dǎo)葉打開，逐漸進(jìn)水，頻率上升，接著啟動(dòng)自動(dòng)勵(lì)磁裝置，電壓調(diào)整至額定值，這個(gè)過程頻率會(huì)下降，需要繼續(xù)調(diào)整頻率。若頻率過低，則加大調(diào)速器出力;頻率過高，則減小出力，直至頻率達(dá)到額定值。當(dāng)頻率和電壓符合要求后進(jìn)行同期并網(wǎng)，并網(wǎng)成功后，繼續(xù)調(diào)整調(diào)速器出力，讓水電出力達(dá)到目標(biāo)值[9]。

2 開機(jī)優(yōu)化措施

開機(jī)調(diào)頻過程受勵(lì)磁影響，在起勵(lì)后頻率會(huì)有一定幅度的下降，如果水頭較小，單次調(diào)節(jié)率較低，那么整個(gè)頻率調(diào)節(jié)的時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，開機(jī)過程會(huì)比較慢[10-11]。為了優(yōu)化開機(jī)時(shí)間，本文提出了3種措施。

2.1? ? 措施一：在起勵(lì)的同時(shí)增加導(dǎo)葉開度，以縮短頻率調(diào)節(jié)時(shí)間

有學(xué)者研究了勵(lì)磁調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)之間的相互影響[12-14]，指出勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響是存在的，并且得出在發(fā)電機(jī)端電壓有較高穩(wěn)態(tài)電壓精度的前提下，勵(lì)磁調(diào)節(jié)的影響與電壓調(diào)節(jié)器綜合放大系數(shù)KV的取值有關(guān)。當(dāng)KV≥10時(shí)，變化很小，可以不用考慮此影響;當(dāng)KV<10時(shí)，要考慮此影響。

若電壓調(diào)節(jié)器綜合放大系數(shù)較小，勵(lì)磁調(diào)節(jié)的影響較大，開機(jī)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，則此優(yōu)化措施的效果更突出[15]。

優(yōu)化后的開機(jī)流程圖如圖2所示。觸發(fā)開機(jī)后導(dǎo)葉打開，調(diào)速器工作，待頻率上升到起勵(lì)頻率時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)勵(lì)磁裝置，并同時(shí)調(diào)速，增加開導(dǎo)葉時(shí)間，等起勵(lì)穩(wěn)定后，檢測(cè)電壓和頻率，若滿足條件則進(jìn)行并網(wǎng)操作，開機(jī)完成。

2.2? ? 措施二：調(diào)速器開導(dǎo)葉的時(shí)間根據(jù)頻率的變化自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)

水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)動(dòng)方程式：

式中：Mt為水輪機(jī)主動(dòng)力矩;Mg為發(fā)電機(jī)阻力矩;J為發(fā)電機(jī)的慣量常數(shù);ω為角速度。

式中：λ為水的密度;Q為水輪機(jī)引用流量;H為水輪機(jī)工作水頭;η為水輪機(jī)效率。

由公式（1）（2）可得，水輪機(jī)主動(dòng)力矩大于發(fā)電機(jī)阻力矩時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，而水輪機(jī)主動(dòng)力矩又與水輪機(jī)引用流量、工作水頭和機(jī)組效率等參數(shù)正相關(guān)，且水頭和效率一般是不能改變的，只能通過改變水輪機(jī)引用流量Q來(lái)調(diào)節(jié)主動(dòng)力矩Mt，從而調(diào)節(jié)頻率。對(duì)于中大型的水輪發(fā)電機(jī)組，可以通過改變導(dǎo)葉開度來(lái)調(diào)節(jié)水流量;而對(duì)于小水電的水輪發(fā)電機(jī)組，只能通過調(diào)整開導(dǎo)葉時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)水流量。而且若水頭較小，單次的頻率變化量就會(huì)比較小，那么整個(gè)開機(jī)過程會(huì)比較耗時(shí);若水頭較大，則頻率上升太快，不易控制，所以本文提出了一種導(dǎo)葉開通時(shí)間自適應(yīng)的優(yōu)化措施。

假設(shè)一般小水電水輪機(jī)組開機(jī)后調(diào)速器一直打開，頻率到達(dá)精調(diào)頻率門檻后根據(jù)起勵(lì)之前頻率的變化率來(lái)自動(dòng)調(diào)整開導(dǎo)葉時(shí)間。若頻率變化率較大，說明水頭較大，則減小開導(dǎo)葉時(shí)間;若頻率變化率較小，說明水頭較小，則增大開導(dǎo)葉時(shí)間。

若上一次頻率大于50 Hz，經(jīng)過減速調(diào)整后，超調(diào)導(dǎo)致頻率小于50 Hz，再經(jīng)過加速調(diào)整后，頻率又大于50 Hz，那么此時(shí)減速階段自適應(yīng)，減少減速時(shí)間。同樣，若下次頻率又小于50 Hz需要加速調(diào)整，則加速階段自適應(yīng)，減少加速時(shí)間，以此確保水輪機(jī)轉(zhuǎn)速能夠快速調(diào)整并穩(wěn)定在50 Hz附近。

優(yōu)化后的自適應(yīng)開機(jī)流程圖如圖3所示。觸發(fā)開機(jī)后，調(diào)速器打開，當(dāng)頻率升高到一定程度時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)勵(lì)磁裝置，結(jié)合優(yōu)化措施一，起勵(lì)時(shí)給予調(diào)速器反饋，電壓升高的同時(shí)抑制頻率下降。當(dāng)頻率上升至精調(diào)頻率門檻時(shí)，開導(dǎo)葉時(shí)間根據(jù)起勵(lì)之前的頻率變化率自適應(yīng)調(diào)整。若頻率變化率過大，則適當(dāng)減小開導(dǎo)葉時(shí)間;若頻率變化率過小，則適當(dāng)增大開導(dǎo)葉時(shí)間，即負(fù)向調(diào)節(jié)。最后檢測(cè)頻率，同期并網(wǎng)。

開導(dǎo)葉時(shí)間的自適應(yīng)調(diào)整類似一種前饋控制，前饋控制是指通過觀察情況、收集整理信息從而掌握規(guī)律、預(yù)測(cè)趨勢(shì)，正確預(yù)計(jì)未來(lái)可能出現(xiàn)的問題，提前采取措施，將可能發(fā)生的偏差消除在萌芽狀態(tài)中。而本優(yōu)化措施的自適應(yīng)控制就是在前面調(diào)速的階段得出頻率變化規(guī)律，使后面的精調(diào)階段有規(guī)可循，從而縮短開機(jī)時(shí)間，并防止頻率上升過快超過額定值造成沖擊，達(dá)到優(yōu)化的目的。

2.3? ? 措施三：采用反時(shí)限設(shè)置導(dǎo)葉控制時(shí)間

同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角加速度與作用在轉(zhuǎn)子軸上的不平衡轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系可以用如下方程描述：

由此可得，當(dāng)水輪機(jī)有功缺額ΔP固定時(shí)，其角速度與時(shí)間為一個(gè)二階方程，在控制發(fā)電機(jī)調(diào)速過程中由此構(gòu)建一個(gè)反時(shí)限公式關(guān)系，用發(fā)電機(jī)機(jī)端頻率代替發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，其反時(shí)限特征方程為：

式中：Δf為頻率變化率;tp為根據(jù)不同水輪機(jī)設(shè)置的參數(shù)，對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)。

頻率接近50 Hz之后，調(diào)整導(dǎo)葉開度使得發(fā)電機(jī)頻率穩(wěn)定在50 Hz附近，如果穩(wěn)定時(shí)間為定時(shí)限固定時(shí)間，那么當(dāng)調(diào)整導(dǎo)葉開度之后若頻率仍在變化，則需要等待固定時(shí)間才能再次調(diào)整，導(dǎo)致時(shí)間難以設(shè)置;如果穩(wěn)定時(shí)間為反時(shí)限時(shí)間，其穩(wěn)定時(shí)間實(shí)際上是上述反時(shí)限公式中的時(shí)間因子tp，而每次調(diào)整導(dǎo)葉開度后，等待的穩(wěn)定時(shí)間呈現(xiàn)出反時(shí)限特性，若頻率持續(xù)增大或減小，則立即進(jìn)入下次調(diào)整程序，實(shí)際調(diào)整控制更快速，適應(yīng)性更強(qiáng)，魯棒性更高。反時(shí)限特性曲線如圖4所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了小水電自動(dòng)控制器的開機(jī)流程，針對(duì)勵(lì)磁階段、頻率精調(diào)階段和頻率穩(wěn)定時(shí)間，提出了3種優(yōu)化措施，以縮短開機(jī)時(shí)間。在啟動(dòng)自動(dòng)勵(lì)磁裝置時(shí)，給予調(diào)速器一個(gè)反饋，在起勵(lì)階段同時(shí)調(diào)速，以抑制頻率的下降;當(dāng)頻率達(dá)到精調(diào)頻率門檻后，根據(jù)前面的頻率變化規(guī)律自適應(yīng)調(diào)整導(dǎo)葉開啟時(shí)間，減少水頭帶來(lái)的影響，達(dá)到優(yōu)化開機(jī)時(shí)間的效果;利用反時(shí)限控制導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，減少等待延時(shí)，快速調(diào)整頻率。經(jīng)實(shí)際工程應(yīng)用證明，以上措施可有效縮短水電機(jī)組開機(jī)時(shí)間，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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收稿日期：2021-01-27

作者簡(jiǎn)介：李湛（1983—），男，廣東湛江人，工程師，研究方向：自動(dòng)化控制。