蓄能機組一次調(diào)頻分析及優(yōu)化

代 雄

（廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510950）

蓄能機組一次調(diào)頻分析及優(yōu)化

代 雄

（廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510950）

介紹了一次調(diào)頻在電力系統(tǒng)中的作用及廣東電網(wǎng)對一次調(diào)頻技術(shù)指標(biāo)要求，并介紹了PID參數(shù)整定方法，對廣州蓄能水電廠6號機組調(diào)速器PID參數(shù)優(yōu)化進行了闡述。

一次調(diào)頻；PID參數(shù)；整定方法；參數(shù)優(yōu)化

0 引言

發(fā)電機組是電力系統(tǒng)的重要組成部分，一次調(diào)頻功能是發(fā)電機組的基礎(chǔ)功能之一，對整個系統(tǒng)的安全運行至關(guān)重要。如果一次調(diào)頻響應(yīng)特性良好，能迅速緩解電網(wǎng)頻率的劇烈波動，大大提高電網(wǎng)的頻率控制水平和電能質(zhì)量，降低電網(wǎng)運行風(fēng)險，提高整個電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性、增強電網(wǎng)抗事故能力。

1 一次調(diào)頻響應(yīng)特性技術(shù)指標(biāo)

《廣東電力系統(tǒng)一次調(diào)頻運行管理規(guī)定》（以下簡稱《規(guī)定》）中要求廣東電力系統(tǒng)并網(wǎng)運行機組原則上都應(yīng)參與一次調(diào)頻。并且水電機組一次調(diào)頻響應(yīng)特性滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

（1）在電網(wǎng)頻率變化超過機組一次調(diào)頻死區(qū)時，機組響應(yīng)時間應(yīng)小于等于3s。

（2）在電網(wǎng)頻率變化超過機組一次調(diào)頻死區(qū)時，開始時的15s內(nèi)機組出力實際調(diào)節(jié)量應(yīng)達到機組出力理論最大值的60%以上。

（3）在電網(wǎng)頻率變化超過機組一次調(diào)頻死區(qū)后60s內(nèi)，機組實際出力與響應(yīng)目標(biāo)偏差的平均值應(yīng)達到理論計算的調(diào)整幅度的±8%內(nèi)。

2 蓄能機組調(diào)速器簡介

廣州蓄能水電廠（簡稱廣蓄）總裝機容量240萬kW，分為A廠和B廠，各安裝4臺30萬kW的水泵水輪發(fā)電機組。廣蓄B廠機組由德國伏依特公司承制、供貨，調(diào)速系統(tǒng)采用數(shù)字式電氣調(diào)速器，型號為：VGC2120—3PR，采用單導(dǎo)葉控制，共裝有20個電液轉(zhuǎn)換器和20個接力器。邏輯控制單元為為雙PLC冗余配置，由PLC1和PLC2完成，單導(dǎo)葉控制單元由PLC3完成，其轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)采用PID調(diào)節(jié)，功率控制環(huán)節(jié)采用PI調(diào)節(jié)。

3 PID控制器參數(shù)整定方法

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法主要包括：經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。經(jīng)驗法又叫現(xiàn)場湊試法，即先確定一個調(diào)節(jié)器的參數(shù)值Kp和Ti，通過改變給定值對控制系統(tǒng)施加一個擾動，現(xiàn)場觀察判斷控制曲線形狀。若曲線不夠理想，可改變Kp或Ti，再畫控制過程曲線，經(jīng)反復(fù)湊試直到控制系統(tǒng)符合動態(tài)過程品質(zhì)要求為止，這時的Kp和Ti就是最佳值。如果調(diào)節(jié)器是PID三作用式，那么要在整定好的Kp和Ti的基礎(chǔ)上加進微分作用。由于微分作用有抵制偏差變化的能力，所以確定一個Td值后，可把整定好的Kp和Ti值減小一點再進行現(xiàn)場湊試，直到Kp、Ti和Td取得最佳值為止。

4 調(diào)速器調(diào)節(jié)模式和參數(shù)對應(yīng)關(guān)系

由上述公式可知，一次調(diào)頻響應(yīng)穩(wěn)定條件是Pc=Pg，響應(yīng)穩(wěn)定時間與比例增益和積分時間密切相關(guān)，增大比例增益或積分時間均可縮短負荷響應(yīng)時間，提高一次調(diào)頻響應(yīng)特性，但二者對一次調(diào)頻響應(yīng)特性的影響并不相同。增大比例增益，可以提高調(diào)速器速動性，過大會導(dǎo)致調(diào)節(jié)振蕩；增大積分時間，能夠提高調(diào)速器動作速度，太大亦會降低調(diào)節(jié)穩(wěn)定性。

比例增益Kp和積分時間KI與暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt和緩沖時間常數(shù)Td的關(guān)系如下：

5 調(diào)速器PID參數(shù)優(yōu)化靜態(tài)試驗

5.1 試驗條件

以廣蓄6號機為例，在機組停機，蝸殼靜水條件下進行。

5.2 試驗接線

在停機狀態(tài)下完成各接線，包括：“TG2000H發(fā)電機組特性和參數(shù)綜合測試系統(tǒng)”（以下簡稱“TG2000H測試儀”）輸入信號（接力器行程平均反饋、仿真功率反饋），“TG2000H測試儀”輸出信號（仿真功率輸出、脈沖仿真頻率），具體接線如圖1：

圖1 靜態(tài)試驗接線

5.3 試驗方法

分別在預(yù)先分析的幾組不同功率調(diào)節(jié)PID參數(shù)組合下，給調(diào)速器施加正負階躍（±0.1Hz、±0.15Hz、±0.2Hz）機頻擾動信號，模擬一次調(diào)頻動作，根據(jù)記錄的導(dǎo)葉開度、有功功率（“TG2000H測試儀”實時仿真）的響應(yīng)曲線，測定不同PID參數(shù)組合下機組的一次調(diào)頻性能。根據(jù)靜態(tài)試驗結(jié)果，選取幾組合適的PID參數(shù)進行動態(tài)試驗。

5.4 試驗結(jié)論

本次試驗共選取了9組PID參數(shù)進行試驗，見表1。根據(jù)試驗情況分析如下：保持bt不變，減小Td，顯著的減小了負荷響應(yīng)時間，提高了一次調(diào)頻響應(yīng)性能，且不對頻差超過一次調(diào)頻死區(qū)的調(diào)節(jié)特性產(chǎn)生影響；保持Td不變，減小bt，亦可以提高一次調(diào)頻響應(yīng)性能，但調(diào)節(jié)初始階段的導(dǎo)葉動作速度明顯加快，詳見圖2、圖3、圖4。導(dǎo)葉動作速度太快，幅度太大，不利于負荷穩(wěn)定，試驗時機組功率由TG2000H根據(jù)導(dǎo)葉開度線性仿真，無法模擬該現(xiàn)象。因此，為滿足《規(guī)定》中對于負荷穩(wěn)定和達調(diào)節(jié)量60%時間的要求，以降低Td為主，若負荷穩(wěn)定時間可以滿足，而達調(diào)節(jié)量60%時間不符合要求，則可以輔以調(diào)整bt，但需保證調(diào)節(jié)初始導(dǎo)葉動作幅度和速度不能太大。從靜態(tài)模擬試驗的結(jié)果和以往動態(tài)試驗測得一次調(diào)頻響應(yīng)時間來看，決定選取參數(shù)一、參數(shù)二和參數(shù)八分別進行動態(tài)試驗，從而確定最終的Td和bt值。

表1 選取的9組調(diào)速器PID參數(shù)

圖2 上擾0.1Hz錄波圖（原始值）

圖3 上擾0.10Hz錄波圖（參數(shù)1）

圖4 上擾0.10Hz錄波圖（參數(shù)6）

6 調(diào)速器PID參數(shù)優(yōu)化動態(tài)試驗

6.1 試驗條件和方法

調(diào)速器PID參數(shù)優(yōu)化動態(tài)試驗在機組發(fā)電工況中進行，試驗前將機組有功功率、導(dǎo)葉開度反饋平均值、蝸殼壓力信號接入“TG2000H測試儀”，將“TG2000H測試儀”的脈沖仿真頻率輸出接入調(diào)速器測速系統(tǒng)。試驗方法：分別于額定網(wǎng)頻基礎(chǔ)上施加正負階躍（±0.1Hz、±0.15Hz、±0.2Hz）擾動信號，記錄導(dǎo)葉開度、有功功率和蝸殼壓力的響應(yīng)曲線。調(diào)速器不同PID參數(shù)下的功率調(diào)整響應(yīng)時間見表2。

表2 調(diào)速器在不同PID參數(shù)下功率達理論調(diào)節(jié)量60%和達到負荷調(diào)整穩(wěn)定時間對比

6.2 試驗結(jié)論

本次試驗為優(yōu)化調(diào)速器PID參數(shù)而選擇了3組參數(shù)，與調(diào)速器的原始參數(shù)下一次調(diào)頻特性進行對比，選出符合《規(guī)定》的最優(yōu)的一組參數(shù)作為優(yōu)化的依據(jù)。從試驗數(shù)據(jù)的對比來看，設(shè)置第二組參數(shù)時，調(diào)速器的調(diào)節(jié)時間較快，調(diào)節(jié)較穩(wěn)定，一次調(diào)頻特性明顯好于其他幾組參數(shù)以及原始參數(shù)，因此采用第二組參數(shù)作為調(diào)速器PID參數(shù)。

7 結(jié)語

以廣蓄6號機組為例，對調(diào)速器一次調(diào)頻相關(guān)參數(shù)進行了優(yōu)化，優(yōu)化后一次調(diào)頻響應(yīng)特性明顯優(yōu)于之前狀況，其它電廠進行類似參數(shù)優(yōu)化可供參考。

[1]魏守平，羅萍，張富強.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的適應(yīng)式變參數(shù)控制[J].水電能源科學(xué)，2003（1）：64-67.

[2]魏守平.水輪機控制工程[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

[3]戴義平，趙婷，高林.發(fā)電機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的特性研究[J].中國電力，2006，39（11）：37-41.

TK730.4+1

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1672-5387（2013）05-0021-03

2013-04-17

代 雄（1983-），男，工程師，從事抽水蓄能電廠檢修與維護工作。