水电厂调速系统一次调频调节方法探讨

水电厂调速系统一次调频调节方法探讨

尹广斌1王秀清1李东峰2王珍明2

（1.国网新源水电有限公司丰满培训中心吉林丰满132000；

2.武汉三联电工有限公司湖北武汉430000）

摘要：为使水电机组实际运行中能满足电网对其一次调频功能的要求，从调速器与水轮机组、电网关系入手，结合水电机组实际运行工况中影响到一次调频性能的各种因素，提出调速系统在开度（或功率）模式下进行一次调频的控制方法，并在水电站现场试验中，确认水电机组运用此控制方法能满足一次调频相关规范的各项指标要求。

关键词：开度模式；一次调频；调差系数

DiscussiononControlStrategyofPrimaryFrequencyonHydropowerPlant

Abstract:Inordertoachievetherequirementsoftheprimaryfrequencymodulationfunctionofhydropowerunits,startingfromtherelationshipbetweenhydraulicturbineandgovernor,analysisofthePrincipleoffrequencycontrolsystem,andcombinedwiththeactualoperationofhydropowerunitaffectstheprimaryfrequencymodulationperformanceofvariousfactorsofworkingcondition,putforwardthegovernorcontrolsystemtheprimaryfrequencycontrolstrategyinopeningmode.Thentestinginhydropowerstation,fromthedataoftesting,confirmtherealizationofhydropowerunitprimaryfrequencyfunctionbyusingthiscontrolstrategycancompletelymeettherequirementsoftheindicatorsofprimaryfrequencymodulationoftherelevantnorms.

Keywords:openingregulationmodel；PrimaryFrequency

1引言

随着经济的增长和科技的发展，水力发电在经济和能源建设中的地位越来越大，对电网的要求也越来越高，一次调频是发电机组的基础功能之一，是保障电网安全、稳定、优质运行的重要技术手段，水电厂一次调频功能的投入对保持电网频率稳定，确保供电质量有着至关重要的作用[1—2]。目前水电机组一次调频功能在实际运行中出现不合格现象比较严重，出现如：不调节或调节不明显、反向调节、调节幅度不够等等；都满足不了一次调频的要求，影响水电厂经济效益。鉴此，本文通过研究影响一次调频性能的众多因素，从调速系统本身的静态特性和动态调节规律出发，在常规一次调频功能控制方法上，提出了开度（或功率）模式下一次调频的控制方法，对改善一次调频效果，提高电网稳定有重大意义。

2一次调频的要求

一次调频是由发电机组调速系统的静态特性和动态调节规律实现对电网功率/频率的控制。根据电网对水电机组一次调频技术性能的要求[3]，其分为技术参数规范、动态品质规范、限幅及与自动发电控制（automaticgenerationcontrol，AGC）协调规范三个部分。其中技术参数规范的具体内容为：

（1）一次调频死区不大于±0.05Hz。

（2）速度不等率（调差率）不高于4%。

（3）调速系统迟缓率

a.机组容量≤100MW：迟缓率小于0.15%；

b.机组容量100MW~200MW（包括200MW）：迟缓率小于0.1%；

c.机组容量>200MW：迟缓率小于0.07%。

而有关动态品质的规范为以下几点：

a）当电网频率变化超过机组一次调频死区时，机组响应时间应不大于3s。

b）在电网频率变化超过机组一次调频死区开始的15s内，机组出力实际调节量应达到出力变化量P理论最大值的60%以上。

c）在电网频率变化超过机组一次调频死区开始的60s内，机组实际出力与响应目标偏差的平均值应在理论计算调节幅度的±8%内。

电网频率变化超过机组一次调频死区时机组响应目标Pg的计算公式：

式中：PST为电网频率变化超过机组一次调频死区时机组的实际出力；PMCR为机组额定有功出力；Df为电网频率变化量；t为时间；Dn为电网频率变化超过一次调频死区，扣除死区的一次调频转速差；nr为机组额定转速；Kc为机组转速不等率。

因此，电网对各电站一次调频功能的要求其实最终是要调节机组功率，并且是以调节功率优先。其核心点就是迅速调功，并贡献足够的电量。

3影响一次调频的因素

影响一次调频效果的因素有很多，其中以功率响应滞后、功率自身波动较大、电网频率在一次调频动作临界点波动等因素的影响尤为明显。

3.1功率响应滞后

从自动控制理论的观点分析可知，当系统频率超出一次调频死区设定值时（水电机组一次调频死区一般为0.05HZ），调速器切换为频率调节，且调用一次调频参数，此时调速器的控制计算值会根据频率差值进行计算，调速器的机械部分驱动主接力器调节水轮发电机组的导叶开度。而水轮机调节系统实际是一个非最小相位系统[4]，由于过水管道水流惯性的原因会产生水锤效应，当电网频率上升，调速器控制导叶开度关的瞬间钢管压力上升，机组功率会先上升后再与导叶开度运动的方向一致。当电网频率下降，调速器控制导叶开度开的瞬间钢管压力下降，机组功率会先下降后再与导叶开度运动的方向一致。这样就出现了一次调频动作的瞬间，机组功率反相调节的现象。

3.2功率自身波动

水轮发电机组由于浪涌和引水管道的影响和机组自身的震动，机组的出力都存在着波动，一般情况机组的出力波动在机组额定功率的1%-3%，但是一次调频动作时的开度变化△Y和频率偏差△F的对应关系（bp=4.0%，一次调频死区为0.05Hz）剔除一次调频的死区后的开度变化的关系如下：

△F=0.051HZ时，△Y=0.05%

△F=0.060HZ时，△Y=0.50%

△F=0.100HZ时，△Y=2.50%

△F=0.250HZ时，△Y=10.00%

因此，一次调频动作过程中系统频率在小范围内上下变化，一次调频的调节量与机组有功功率自身的波动量会出现相互抵消和叠加，造成一次调频的调节幅度和方向与理论值不一致的现象。

根据一次调频动作时的开度变化△Y和频率偏差△F的对应关系可以看出，功率波动小的机组△F变化至少要超过0.06HZ以上时，机组的功率变化才会明显看得出来，功率波动大的机组△F变化需要超过0.08HZ以上时，机组功率的变化才会明显看得出来。

水轮发电机组的出力是和当前水头有直接关系的，当水头低时水电机组无法达到额定出力。这样当机组在低水头运行时，机组出力为当前水头最大值时，此时如果电网频率低于49.95HZ一次调频动作时，机组的实际出力是不会改变的。水电站水头的不确定性不是人为能控制的，再加上外来因素的影响，如引水工程等等因素，会造成库区水位的不断变化，这样会对一次调频的动作结果有着直接的影响。

3.3实际电网频率在一次调频临界点波动

电网输出功率与用户使用功率不匹配时就会造成电网频率波动。这种频率波动是时时刻刻都客观存在的，电网频率不可能像做试验时，阶跃一个频率后，稳定在某一个频率不动。当电网频率在一次调频临界点来回波动时就会产生类似今年年初南方电网功率振荡的现象，其原因就是金安桥电站一次调频动作、复归太快，见图1，引发主网联络线功率波动。

图1.金安桥电站有功功率录波曲线

Fig.1Thecurveofactivepowerforjinanqiaopowerstation

振荡期间金安桥电厂频繁发生一次调频的动作和复归，其动作和复归的间隔时间小于3秒：

时间内容

2016-01-2416:27:28.0872号机组调速器一次调频动作

2016-01-2416:27:26.6582号机组调速器一次调频动作复归

2016-01-2416:27:24.8322号机组调速器一次调频动作

2016-01-2416:27:23.8712号机组调速器一次调频动作复归

2016-01-2416:27:21.6632号机组调速器一次调频动作

2016-01-2416:27:20.3182号机组调速器一次调频动作复归

2016-01-2416:27:18.8182号机组调速器一次调频动作

总结以上种种情况，要满足电网的一次调频要求，原有的一次调频控制方法亟待完善。

4一次调频的控制方法探讨

水电机组调速器在发电运行工况下有三种主要的调节模式[5]；频率调节模式、功率调节模式和开度调节模式，其相互间的转换可以由调速系统根据当前工况自动完成，也可以人为选择。调节模式见图2：

图2：调速系统调节模式框图

Fig.2Themodeldiagramofregulationsystem

一次调频的控制策略现阶段常规模式是调速系统在频率控制模式下进行，运用的是频率调节模式下的一次调频的PID参数，且为了满足一次调频的速动性，选取的PID参数都很大。但是PID调节对于单台调速器而言是在单机小网或空载工况下才能明显改变其控制目标（即指频率），而一次调频虽说是调频，却是难以改变电网频率的，并且PID中的比例项和微分项又是与目标频率无关的趋势调节和超前调节，如此若是这两项之和超过积分项，一般就会出现一次调频的调节过程向电网贡献的电量不够；甚至出现了反向调节的现象。针对这一情况，结合调速系统另外两种控制模式：开度控制模式和功率控制模式，推导出直接在开度（功率）控制模式下选取合适的调节参数进行一次调频的控制方法。

4.1开度调节模式下一次调频的调差系数

水电厂调速系统并网后一般是在开度调节模式下运行，但式（1）和式（2）仅适用于功率调节模式的水电机组[6]，考虑到一次调频其实就是调功，因此，一次调频不需要转换到频率模式，而应直接在开度模式下进行调功。因为频率调节模式的调差系数bp是频率与导叶开度的关系，而机组功率对应的导叶的变化范围是小于导叶开度变化范围的，并且由于水电厂机组的水头是变化的，机组最大功率所对应的导叶开度是不同的，也就是说，频率调节模式的调差系数bp不等于功率调节模式下的调差系数，所以调速系统必须要根据机组功率与导叶开度的关系以及频率与功率之间的关系，引入值的概念。

开度调节模式下的一次调频的调差系数可由下式得出：

（3）

其中：bp为频率调节模式的调差系数；

Ypmax为机组某水头时最大功率对应的导叶开度；

Ypmin为机组某水头时零功率对应的导叶开度，也就是空载开度；

Ymax为100%导叶开度；

当调速系统检测到电网频率变化需要一次调频时，由计算出调节量，加到开度目标值上，形成开度模式下的一次调频工况的控制目标值，具体计算方法如下：

调节目标值；Y（k）=Y(m)+Yf（k）

其中：Y(k)为一次调频开度目标值；

Y(m)为一次调频动作前开度值；

Yf(k)为频率偏差ΔF（k）≠0时的开度调节量；ΔF（k）=0时，Yf(k)=0；

Yf(k)与调差系数以及频率偏差之间的关系如下（机组的额定频率为50Hz）：

（4）

Ymax为100%导叶开度；

ΔF（k）为K时刻的频差偏差；

一次调频的频率死区Ef一般为0.05Hz，一次调频的频率偏差要求剔除死区，即：

ΔF（k）=（Fw（k）-Fg）-Ef；（5）

其中：Fw（k）为当前电网（机组）频率，Fg为频率给定（50Hz）；

由式（3）和式（4）式可以看出，是小于bp的，调速系统根据值在一次调频工况进行调节开度，才能保证一次调频过程中，有功功率对电网的贡献率满足要求。

4.2开度调节模式下一次调频的死区

一次调频死区又叫做一次调频动作点，在前面已经提到电网对其要求是不大于±0.05Hz，不同厂家的调速器测频精度也不一致，但一般都会小于±0.01Hz，所以±0.05Hz其实是人工设置的频率死区，调速器系统都能满足此死区要求，但是多数调速器厂家都没有考虑到实际情况当电网频率超过死区临界点来回波动时，调速器应该怎么应对，电网也没有对其作出要求或解释，只是对动作时的迟缓率和响应时间有明确限制要求；并且针对金安桥电站出现的因为一次调频动作和退出的频率过快导致电网震荡，建议在60秒的连续时间间隔内，调速器应该只允许一次调频动作一次，意思是即使在此60秒内，若电网频率反复越出死区和进入死区范围以内，调速器都应始终在一次调频中，不应简单的以电网频率在死区范围外或内，来决定一次调频的投或退。只有当电网频率连续60秒稳定在死区范围内，才认为一次调频结束，随即退出一次调频，回到初始所带功率；否则应根据实际频差和转差系数始终贡献当前时刻所需贡献负荷。

4.3开度调节模式下增强型一次调频

普通型一次调频频差计算框图如下：

普通型一次调频频差计算方法也是电网要求的一次调频频差计算方法，当机组频率偏差超过设定的“一次调频频率死区”后，会先减去频率死区，再进行后续计算。

增强型一次调频频差计算框图如下：

增强型一次调频频差计算方法是针对电站采用开度调节模式时由于开度与功率的非线性关系导致的一次调频功率积分电量不够而进行的改进。当偏差超过设定的“一次调频频率死区”后，不减去频率死区，直接进行后续计算。

增强型算法与普通型算法相比，增大了一次调频动作后调节变化的幅度，也即增加了一次调频动作期间有功功率的变化量。这样也有效的避开了功率自身波动、以及功率响应滞后引起的电网考核。

5实例分析

图3是某电厂运用新的控制策略在开度（功率）模式下进行一次调频功能的实时运行曲线，

图3：一次调频动作实时曲线

Fig.3ThecurveofPrimaryfrequencyaction

从图中可以看出，机组额定功率为72MW，当前机组实际功率61.2MW，为额定功率的85%。

当电网频率高于50.05HZ时，机组一次调频动作，调频延迟时间0.8秒，功率下降到84.13%额定功率，电网频率继续上升，机组功率持续下降，调速系统根据开度（功率）控制策略中的值将机组功率调整到目标值，整个调频持续时间60秒，电网频率回到一次调频死区以内，机组实际功率也回到一次调频动作前的初始值。

一次调频动作连续3秒内机组出力朝着一次调频负荷调整的方向变化，响应速度达到要求。

15秒内实际出力的最大值（或最小值）达到理论调整负荷的96%，负荷调整幅度达到要求。

实测bp值为4.03%（实际值为4%），理论贡献电量0.007MWH,实际贡献电量0.0073MWH。

机组实际出力与响应目标偏差的平均值在理论调整负荷最大值的±15%之内。负荷调整幅度偏差达到要求。

一次调频实际负荷变化的积分值和期望负荷变化的积分值之比为1.042，一次调频响应指数合格。

以上结果全部满足智能电网对调速系统一次调频功能的要求。

6结论

提出了调速系统直接在开度/功率模式下，实现一次调频功能的方法以供探讨。在一次调频功能中引入这个参数，抓住了一次调频的实质是：及时调节功率以满足电网对水电厂机组有功功率的贡献需求。对需要具备一次调频功能的水电站机组解决一次调频贡献电量不够和调频震荡的问题提供了有效、可靠的解决方案。

参考文献

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ZHENGQing-ping,LIUAn-ping.GridFrequencyRegulationatWuxijiangHydropowerPlant[J].InternationJournalHydroelectricEnergy,2008,26(2):184-187.

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[5]魏守平.现代水轮机调节技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

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WUDao-ping,XUZhi-tian,GONGQiang.StudyonPrimaryFrequencyRegulationTestofHydroelectricGenerationSet[J].JiangxiElectricPower,2008,32(4):11-14.

作者简介

尹广斌，男，高级工程师。

王秀清，男，高级工程师。