水電機組不同類型一次調(diào)頻對實際積分電量的影響

李璽，徐廣文，黃青松，姚澤

(廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080)

?

水電機組不同類型一次調(diào)頻對實際積分電量的影響

李璽，徐廣文，黃青松，姚澤

(廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080)

水電機組一次調(diào)頻考核中普遍存在實際積分電量不滿足要求的情況，不同類型的一次調(diào)頻對應的調(diào)節(jié)幅度不一樣，對一次調(diào)頻實際積分電量會造成影響。為此分析了不同類型一次調(diào)頻控制原理的差異，借助PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序提供的水電機組原動機及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，仿真并對比兩種類型一次調(diào)頻動態(tài)響應過程。最后結合實例計算相同擾動下2類一次調(diào)頻實際積分電量，分析增強型一次調(diào)頻對積分電量的補償優(yōu)勢，并指出了其在電網(wǎng)穩(wěn)定性和機組安全性方面的不足。

一次調(diào)頻；普通型；增強型；積分電量；考核；建模仿真

一次調(diào)頻有利于維護電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行并提高電能質(zhì)量，被列為電廠并網(wǎng)發(fā)電機組必須提供的基本輔助服務之一[1]。電網(wǎng)對于一次調(diào)頻的投入率、正確率及調(diào)頻質(zhì)量都設定了相應的考核指標，若一次調(diào)頻被考核為不合格，相應電廠會被扣減發(fā)電量，直接影響其經(jīng)濟效益。

在水電機組輔助服務考核中，最常見的問題是一次調(diào)頻合格率不達標，即機組一次調(diào)頻實際貢獻電量未達到相應指標要求。針對該問題，國內(nèi)已有機構和學者開展了一些研究，分析了速度不等率、調(diào)頻幅度、調(diào)頻死區(qū)對一次調(diào)頻的影響，指出頻率測量誤差、數(shù)據(jù)傳輸延時等因素會影響一次調(diào)頻考核的結果，并提出了一些針對性的建議[2-4]。本文從水電機組調(diào)速系統(tǒng)的不同頻差計算方法角度入手，研究不同類型一次調(diào)頻對實際貢獻電量的影響。

1 不同一次調(diào)頻類型

一次調(diào)頻死區(qū)是為了防止在電網(wǎng)頻差小范圍變化時發(fā)電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)不必要的動作而設置的調(diào)節(jié)盲區(qū)，直接關系到機組參與系統(tǒng)調(diào)頻的時機。機械元件間的遮程、間隙和電氣元件的非線性導致調(diào)速器固有一定的轉速死區(qū)，同時對調(diào)速器還人為設定有轉速失靈區(qū)，即人工頻率死區(qū)。

水電機組電子調(diào)節(jié)器部分常規(guī)并聯(lián)比例積分微分(proportion integral derivative，PID)調(diào)節(jié)原理如圖1所示。

fg—機組頻率；fc—頻率給定；Yc—開度給定；Pc—功率給定；Pg—機組功率；bp—功率或開度調(diào)差系數(shù)；Ef—人工頻率死區(qū)；Δf—頻率偏差；KP—比例增益；KI—積分增益；KD—微分增益；T1v—微分時間常數(shù)；YPID—電子調(diào)節(jié)器輸出。圖1 水電機組電子調(diào)節(jié)器部分常規(guī)PID調(diào)節(jié)簡圖

根據(jù)人工頻率死區(qū)Ef與頻率偏差Δf的關系，可將其分為數(shù)字型和機械型2類。人工頻率死區(qū)為機械型時，頻率偏差計算為:

(1)

人工頻率死區(qū)為數(shù)字型時，頻率偏差計算為:[5]

(2)

普通型一次調(diào)頻采用機械型人工頻率死區(qū)，其頻差計算框圖如圖2所示；增強型一次調(diào)頻采用數(shù)字型人工頻率死區(qū)，其頻差計算框圖如圖3所示。

ΔY—開度實際值與目標值的差值；ΔP—功率實際值與目標值的差值。圖2 普通型一次調(diào)頻頻差計算框圖

圖3 增強型一次調(diào)頻頻差計算框圖

普通型一次調(diào)頻較為常見，也有些水電廠如楓樹壩水電廠、大廣壩水電廠、金安橋水電廠的機組采用增強型一次調(diào)頻。由式(1)和式(2)相比可看出，增強型算法與普通型算法的一次調(diào)頻動作條件相同，但增強型算法增大了一次調(diào)頻動作后調(diào)節(jié)變化的幅度，即響應目標值不同，使得2種類型的一次調(diào)頻最終獲得的實際積分電量也不相同。

2 不同類型一次調(diào)頻對實際積分電量的影響

2.1 積分電量考核方法

當電網(wǎng)頻率偏差超出水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻死區(qū)時，一次調(diào)頻機組的積分電量占相應時間的機組一次調(diào)頻理論計算積分電量的比例，作為考評機組一次調(diào)頻的合格率[6]。

機組一次調(diào)頻理論積分電量

(3)

式中：Wt為理論動作積分電量；Pn為機組額定有功功率；t0為積分起始時間，即電網(wǎng)頻率超出一次調(diào)頻死區(qū)的時刻；Δt為一次調(diào)頻考核持續(xù)時間(不超過60 s)；Δf(t)為t時刻頻率偏差，按式(1)進行計算；fn為電網(wǎng)額定頻率。

實際動作積分電量

(4)

式中：Wr為實際動作積分電量；P(t)為t時刻機組有功功率；P0為積分起始時刻對應的機組有功功率[7]。

2.2 數(shù)值模擬

借助數(shù)值仿真技術，在MATLAB/Simulink平臺搭建水機調(diào)速系統(tǒng)模型，包括電調(diào)類調(diào)速器模型中并聯(lián)PID控制的電子調(diào)節(jié)器模型、電液伺服系統(tǒng)模型(導葉執(zhí)行機構模型)及水輪機原動機模型[8-9]。由電子調(diào)節(jié)器模型輸入頻率信號、輸出YPID信號，導葉執(zhí)行機構模型根據(jù)YPID信號模擬導葉開度的動作情況，以此影響水輪機原動機模型的仿真功率輸出，如圖4所示。

模型參數(shù)依據(jù)廣東某水電廠調(diào)速系統(tǒng)設備實測參數(shù)進行設置，見表1。

YPID,max—調(diào)節(jié)器輸出上限；YPID,min—調(diào)節(jié)器輸出下限；Yc—開度給定；—副環(huán)PID控制比例增益；—副環(huán)PID控制積分增益；—副環(huán)PID控制微分增益；vmax—導葉最快開啟速度；vmin1、vmin2—導葉的2種關閉速度；Ty—接力器反應時間常數(shù)；Ymax—接力器行程上限；Ymin—接力器行程下限；Y—接力器行程；Tw—水流慣性時間常數(shù)；P—功率輸出；S—拉普拉斯算子。圖4 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型

表1 某水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型參數(shù)

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值bp0.04Ef(標幺值)0.001KP5KI1.8KD0T1V0.01YPID,max1YPID,min0K'P1.6K'I0K'D0Ty0.677vmax(標幺值)0.0175vmin1(標幺值)-0.145vmin2(標幺值)-0.011Ymax1Ymin0Tw1.132

仿真采用一定斜率緩慢變動的頻率擾動作為模型的輸入型號，模擬水電機組一次調(diào)頻響應，對比理論積分電量與2種不同類型的一次調(diào)頻實際積分電量，結果如圖5所示。

Pt—理論功率值；Pr—實際功率值。圖5 理論積分電量與不同類型一次調(diào)頻實際積分電量仿真對比

由圖5可知，ts時刻頻率開始增大，到t0時刻頻率變化超出人工頻率死區(qū)Ef，一次調(diào)頻開始響應，此時開始對Pt與Pr進行積分，經(jīng)過Δt(超過60 s時按60 s計)到達t0+Δt時刻，積分結束，得到Wt與Wr。普通型與增強型一次調(diào)頻功率響應穩(wěn)定值分別為P2和P3，由于理論積分電量的頻差與普通型一次調(diào)頻均按式(1)進行計算，有P1=P2-P0。由圖5可知，理論積分電量為區(qū)域①，普通型一次調(diào)頻實際積分電量為區(qū)域②，增強型一次調(diào)頻實際積分電量為區(qū)域②+③。

由文獻[10]及文獻[11]可知，電網(wǎng)調(diào)度部門評價機組一次調(diào)頻動作合格與否的標準，是計算一次調(diào)頻實際動作電量在理論值中的占比，若Wr不小于Wt的50%，則判定機組一次調(diào)頻動作合格，否則為不合格。由圖4分析可得增強型一次調(diào)頻實際積分電量多于普通型一次調(diào)頻，從一次調(diào)頻合格與否的判定規(guī)則角度出發(fā)，使用增強型一次調(diào)頻的機組其合格率更容易達標。

3 實例分析

廣東某水電廠裝機容量為3×45 MW，人工頻率死區(qū)Ef為0.05 Hz，暫態(tài)轉差率bt為0.4，緩沖時間常數(shù)Td為1.08 s-1，加速度時間常數(shù)Tn為0。其1號機和3號機采用增強型一次調(diào)頻，2號機采用普通型一次調(diào)頻。一次調(diào)頻動作時調(diào)速器為開度調(diào)節(jié)，調(diào)差系數(shù)bp為0.04，在頻差確定的情況下機組導葉響應目標是確定的，由于機組出力與水頭相關，相同導葉變化對應的功率變化量是不定的，一次調(diào)頻考核用的理論積分電量按頻差對應理論功率進行計算，所以會出現(xiàn)實際積分電量與理論積分電量相差較大的情況出現(xiàn)。

對該電廠1號機和2號機分別進行頻率階躍擾動試驗，階躍頻率為-0.15 Hz，分別記錄2臺機組功率響應過程，取其一次調(diào)頻開始60 s內(nèi)功率響應曲線進行積分，與理論積分進行對比，如圖6所示。

圖6 某水電廠普通型與增強型一次調(diào)頻機組實際與理論積分電量對比圖

從圖6可得，t0時刻頻率擾動-0.15 Hz，機組頻差超出人工頻率死區(qū)，經(jīng)短暫延時一次調(diào)頻開始動作，由于水力慣性的原因在導葉運動初期出現(xiàn)反調(diào)效應，如圖中t0至t1時段和t0至t2時段，此時機組為反方向出力響應，實際積分電量為負值。t1和t2時刻之后，機組出力轉為正方向，實際積分電量逐漸變?yōu)檎?。計算圖中陰影部分，結果為：在積分的60 s時間里，理論積分電量367 kWh，采用普通型一次調(diào)頻的2號機組的實際積分電量278 kWh，采用增強型一次調(diào)頻的1號機組的實際積分電量466 kWh。對比可知，采用增強型一次調(diào)頻的機組積分電量在接受考核時容錯率較高，更容易滿足一次調(diào)頻合格率的要求。

4 增強型算法的不利影響

在增強型一次調(diào)頻動作開始時，頻差計算值是階躍變化的，因此在調(diào)節(jié)初期的調(diào)節(jié)速度及幅度都較普通型一次調(diào)頻大。如果系統(tǒng)頻率長時間在人工死區(qū)附近擺動，機組一次調(diào)頻會頻繁地動作與復歸，受頻差計算值的階躍影響，調(diào)速系統(tǒng)液壓傳動機構會頻繁大幅度動作，加重元器件的磨損，縮短調(diào)速系統(tǒng)壽命。同時，這種頻繁的動作與復歸調(diào)節(jié)，會導致機組功率輸出值發(fā)生間歇性波動，嚴重時可能會引起電網(wǎng)的功率震蕩，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。2016年1月云南某水電廠機組因使用增強型一次調(diào)頻，在長時間運行于49.95 Hz附近時，一次調(diào)頻的頻繁動作引發(fā)機組功率波動，與云南電網(wǎng)對廣東電網(wǎng)震蕩模式頻率接近，產(chǎn)生共振，從而引發(fā)主網(wǎng)聯(lián)絡線功率波動，如圖7所示。

圖7 增強型一次調(diào)頻機組引發(fā)系統(tǒng)功率波動

為研究此類情況，采用圖4所示模型，模擬頻率輸入在人工死區(qū)附近波動，2種一次調(diào)頻調(diào)節(jié)過程如圖8所示。

圖8 頻率在人工死區(qū)附近波動時2種一次調(diào)頻調(diào)節(jié)過程對比

經(jīng)模擬頻率在49.95 Hz附近進行正弦波動，仿真結果顯示普通型一次調(diào)頻有0.1 MW左右的調(diào)節(jié)量，增強型一次調(diào)頻有1.7 MW左右的功率波動，且其波動的平均值由210 MW逐步漂移到214 MW左右。由式(1)和式(2)計算過程可知，增強型一次調(diào)頻頻差的階躍效果造成了調(diào)節(jié)初期反調(diào)峰值大，在一次調(diào)頻復歸時，頻差回復的階躍又會形成反方向的大幅反調(diào)效果，因此增強型一次調(diào)頻在此頻率波動下功率出現(xiàn)大幅波動。波動的平均值漂移是因為在一次調(diào)頻動作和復歸兩種情況下，參與積分運算的差值不同而導致開方向與關方向的調(diào)節(jié)速度不同。積分環(huán)節(jié)按式

進行運算，式中YI為積分環(huán)節(jié)輸出。當式中Δf+bp(Yc-Y)=0時積分調(diào)節(jié)達到穩(wěn)定。Δf在一次調(diào)頻動作和復歸時有階躍變化，而bp(Yc-Y)隨著功率的漂移其階躍值慢慢變大，直到能與Δf的階躍效果相平衡，波動的平均值最終穩(wěn)定。

5 結論

理論積分電量隨頻差實時改變，而水輪機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)滯后性較強，功率響應相對較慢，致使相同時間段內(nèi)實際積分電量積分值較小，且由于水力慣性的原因，在調(diào)節(jié)初期會出現(xiàn)反調(diào)效應，進一步導致實際積分電量減少，易使水電機組一次調(diào)頻積分電量不達標。常規(guī)水電廠一次調(diào)頻多采用開度閉環(huán)調(diào)節(jié)，功率調(diào)節(jié)深度受水頭影響，特別是低水頭機組，水頭的變化是制約一次調(diào)頻深度的關鍵因素。增強型一次調(diào)頻與普通型一次調(diào)頻的區(qū)別如下：

a) 增強型一次調(diào)頻從調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制原理上增加了參與調(diào)節(jié)的頻差值，使響應目標的調(diào)節(jié)幅度增大，容易滿足電網(wǎng)調(diào)度對機組一次調(diào)頻的考核要求。

b) 增強型一次調(diào)頻在頻差超過頻率死區(qū)后不減去頻率死區(qū)，直接進行計算，頻差有大于0.05Hz的階躍突變，調(diào)速系統(tǒng)的動作幅度會增大。如果電網(wǎng)頻率在頻率死區(qū)邊界上下浮動變化，會導致調(diào)速系統(tǒng)頻繁大幅度動作，機組導葉開度和出力會出現(xiàn)波動，從電網(wǎng)穩(wěn)定性和機組安全性角度考慮，增強型一次調(diào)頻容易引起脈沖式功率震蕩，也會對機組調(diào)速系統(tǒng)造成損耗。

[1] 南方區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則[S].廣州：國家電力監(jiān)管委員會南方監(jiān)管局，2009.

[2] 曾志堅，萬文軍，雄婷婷，等.并網(wǎng)發(fā)電機組一次調(diào)頻問題分析[J].廣西電力，2012，35(4)：80-84.

ZENGZhijian，WANWenjun，XIONGTingting，etal.AnalysisofPrimaryFrequencyRegulationofGrid-connectedGenerationUnit[J].GuangxiElectricPower，2012，35(4)：80-84.

[3] 何良超，馮國柱.廣西水電機組一次調(diào)頻輔助服務考核狀況及分析[J].廣西電力，2013，36(2)：69-72.

HELiangchao，F(xiàn)ENGGuozhu.StatusandAnalysisofPrimaryFrequencyRegulationAssistantServiceExaminationinGuangxiHydropowerUnit[J].GuangxiElectricPower，2013，36(2)：69-72.

[4] 麥衛(wèi)良，吳杰.飛來峽水電廠機組一次調(diào)頻考核結果異常分析[J].洪水河，2013，32(4)：67-71.

MAIWeiliang，WUJie.AbnormalityAnalysisonCheckResultsofPrimaryFrequencyModulationforUnitofFeilaixiaHydropowerStation[J].HongShuiRiver，2013，32(4)：67-71.

[5] 徐廣文，黃青松，姚澤，等.水電機組一次調(diào)頻技術參數(shù)規(guī)范探討[J].水電能源科學，2011，29(3)：134-136.

XUGuangwen，HUANGQingsong，YAOZe，etal.DiscussiononTechnicalParameterSpecificationofPrimaryFrequencyRegulationforTurbineGeneratorSets[J].WaterResourcesandPower，2011，29(3)：134-136.

[6] 楊建華.華中電網(wǎng)一次調(diào)頻考核系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32(9)：96-99.

YANGJianhua.ResearchandDevelopmentofAssessmentSystemofPrimaryFrequencyRegulationinCentralChinaPowerGrid[J].AutomationofElectricPowerSystem，2008，32(9)：96-99.

[7] 向德軍，盧建剛.區(qū)域電網(wǎng)實施輔助服務補償與并網(wǎng)運行考核機制的關鍵技術[J].能源技術經(jīng)濟，2011，23(8)：8-13.

XIANGDejun，LUJiangang.KeyTechniquesforCarryingoutAncillaryServicesCompensationandGrid-connectedOperationAssessmenttoRegionalPowerPlants[J]ElectricPowerTechnologicEconomics，2011，23(8)：8-13.

[8] 徐廣文.水輪機微機調(diào)速器PSD-BPA模型及應用[J].廣東電力，2014，27(5)：34-38.

XUGuangwen.PSD-BPAModelofGovernorofWaterTurbineMicrocomputerandItsApplication[J].GuangdongElectricPower，2014，27(5)：34-38.

[9] 徐廣文.PSD-BPA暫態(tài)程序內(nèi)水輪機模型的缺陷及改進[J].水電能源科學，2014，32(8)：142-144.

XUGuangwen.DefectandImprovementofHydro-turbineModelinPSD-BPA[J].WaterResourcesandPower，2014，32(8)：142-144.

[10] 廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心.廣東電力系統(tǒng)一次調(diào)頻運行管理規(guī)定[Z].廣州：廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，2010.

[11] DL/T 1245—2013，水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術導則[S].

(編輯 霍鵬)

Influence of Different Typed Primary Frequency Regulation of Hydropower Units on Actual Integral Power

LI Xi, XU Guangwen, HUANG Qingsong, YAO Ze

(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

There is situation of actual integral power being unable to satisfy requirements in check on primary frequency regulation for hydropower units, and corresponding regulation ranges of different primary frequency regulation are not the same which will influence actual integral power of primary frequency regulation.Therefore, this paper analyzes differences of control principles for different typed primary frequency regulation, carries out simulation and comparison for dynamic response process of two typed primary frequency regulation with the help of models of prime motor of hydraulic turbine and its adjustment system provided by PSD-BPA transient stable program.Combining examples, it calculates actual integral power of two typed primary frequency regulation under the same disturbance, analyzes compensation advantages of enhanced primary frequency regulation on actual integral power and points out insufficiencies in power grid stability and unit security.Key words：primary frequency regulation; ordinary type; enhanced type; integral power;assessment; modeling and simulation

2016-05-24

2016-08-30

廣東電網(wǎng)有限責任公司科技項目(GDKJQQ20152035)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.11.011

TV734.4；TK321

B

1007-290X(2016)11-0052-05

李璽(1984)，男，河南新鄉(xiāng)人。工程師，工學碩士，研究方向為水電機組機網(wǎng)協(xié)調(diào)。

徐廣文(1980)，男，江蘇鹽城人。高級工程師，工學碩士，研究方向為水電機組機網(wǎng)協(xié)調(diào)。

黃青松(1963)，男，廣東揭陽人。教授級高級工程師，工學碩士，研究方向為水電機運行與控制。