桐柏抽水蓄能電站一次調(diào)頻性能試驗與分析

朱佳，戴建軍

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責任公司，浙江天臺317200）

桐柏抽水蓄能電站一次調(diào)頻性能試驗與分析

朱佳，戴建軍

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責任公司，浙江天臺317200）

為驗證桐柏抽水蓄能電站機組調(diào)速器系統(tǒng)檢修后一次調(diào)頻性能是否滿足《華東區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則（試行）》和《華東區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則（試行）》中關(guān)于一次調(diào)頻性能指標的要求，對機組進行了一次調(diào)頻性能試驗，并分析試驗結(jié)果，在保證機組安全穩(wěn)定運行的前提下，對調(diào)速器參數(shù)進行優(yōu)化，使得機組一次調(diào)頻性能達到電網(wǎng)要求。

抽水蓄能；調(diào)速器；一次調(diào)頻；PID；調(diào)節(jié)參數(shù)

1 引言

桐柏抽水蓄能電站位于浙江省天臺縣，總裝機容量為1 200 MW，設有4臺單機300 MW的立軸單極混流可逆式機組，在系統(tǒng)中承擔調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用任務。

抽水蓄能機組具備較強的一次調(diào)頻能力,是電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的重要保證。為了更好地發(fā)揮大型抽水蓄能機組在電力系統(tǒng)中的作用，對大型抽水蓄能機組進行一次調(diào)頻性能試驗及優(yōu)化，顯得尤為重要。桐柏抽水蓄能電站根據(jù)《華東區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則（試行）》和《華東區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則（試行）》中關(guān)于一次調(diào)頻性能指標的要求，對機組進行了一次調(diào)頻性能試驗。本文以桐柏抽水蓄能電站1號機為例，介紹了大型抽水蓄能機組一次調(diào)頻性能試驗及分析。

2 一次調(diào)頻技術(shù)指標

華東電網(wǎng)要求水電機組應該達到的一次調(diào)頻技術(shù)指標如下，一次調(diào)頻性能試驗即以此指標為指導。

（1）機組一次調(diào)頻的頻率死區(qū)控制在±0.05 Hz范圍內(nèi)；

（2）機組的轉(zhuǎn)差率不大于4%；

（3）最大調(diào)整負荷限幅：為確保一次調(diào)頻投入后機組的安全運行，一次調(diào)頻的最大調(diào)整負荷限制幅度為機組額定負荷的±10%；

（4）機組調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)小于0.04%；

（5）投運范圍：機組一次調(diào)頻投運范圍為機組核定的有功出力范圍，即機組在核定的最低和最高有功出力范圍內(nèi)。

（6）響應行為：額定水頭在50 m及以上的水電機組，其一次調(diào)頻負荷響應滯后時間應小于4 s；額定水頭在50 m及以下的水電機組，其一次調(diào)頻負荷響應滯后時間應小于8 s；當電網(wǎng)頻率變化超過機組一次調(diào)頻的頻率死區(qū)時，機組一次調(diào)頻的負荷調(diào)整幅度應在15 s內(nèi)達到該工況下的一次調(diào)頻目標負荷調(diào)整幅度的90%；在電網(wǎng)頻率變化超過機組一次調(diào)頻死區(qū)時開始的45 s內(nèi)，機組實際出力與機組響應目標偏差的平均值應在機組額定有功出力的±3%以內(nèi)。

3 轉(zhuǎn)速死區(qū)測試

針對一次調(diào)頻技術(shù)指標中轉(zhuǎn)速死區(qū)小于0.04%的要求，按《DL/T496-2001水輪機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置調(diào)整試驗導則》中的靜特性法測轉(zhuǎn)速死區(qū)的試驗步驟，在bp＝6%工況下測試調(diào)速器固有的轉(zhuǎn)速死區(qū)。試驗結(jié)果如表1所示，計算得出轉(zhuǎn)速死區(qū)為0.012%，滿足考核要求。

表1.號機轉(zhuǎn)速死區(qū)數(shù)據(jù)

4 一次調(diào)頻性能試驗方法和內(nèi)容

4.1.驗方法

一次調(diào)頻的試驗方法是通過模擬頻率偏差（頻率參考-實際機頻），使機組功率跟隨頻差發(fā)生變化來驗證原動機一次調(diào)頻的功能和性能。為避免實際機頻波動對響應的影響，在電調(diào)中增加臨時邏輯，試驗時不使用實際頻率偏差，切換到人為設定的固定頻差值。

4.2.驗工況

抽水蓄能機組與常規(guī)水電機組的顯著差異之一是水頭變化頻繁且幅度大，而水頭對機組功率有非線性影響，此外導葉開度對機組功率也有非線性影響。為確保機組在所有運行工況下均滿足一次調(diào)頻響應的快速性和穩(wěn)定性，需選取有代表性的工況進行試驗。

根據(jù)歷史運行經(jīng)驗，選取日常運行水頭范圍內(nèi)的高水頭和低水頭，并在同一水頭下分別在運行負荷范圍的最低負荷，中間負荷和高負荷3個負荷點進行一次調(diào)頻性能考核：

高水頭（275 m左右）：200 MW、250 MW、300 MW；

低水頭（245 m左右）：200 MW、250 MW、300 MW。

4.3.驗內(nèi)容

在不同水頭下的3個試驗主要負荷點選取的6個一次調(diào)頻性能考核工況下，分別進行下列試驗：

（1）頻率死區(qū)試驗（±0.05 Hz）；（2）小幅度頻差試驗（±0.15 Hz）；（3）大幅度頻差試驗（±0.20 Hz）；（4）電網(wǎng)事故頻差試驗（±0.3 Hz）。

5 1號機一次調(diào)頻性能試驗分析

5.1.率死區(qū)

調(diào)速器邏輯中人工死區(qū)設為±0.04 Hz，頻率死區(qū)測試時設頻率偏差為±0.05 Hz，測試導葉和負荷是否變化。圖1是低水頭300 MW工況下頻率死區(qū)響應曲線，圖2是高水頭300 MW工況下頻率死區(qū)響應曲線。各工況下頻差大于人工死區(qū)后導葉均立即動作，但負荷響應相對緩慢，存在滯后。

圖1.水頭300 MW工況頻率死區(qū)曲線

圖2.水頭300 MW工況頻率死區(qū)曲線

5.2.應行為

一次調(diào)頻性能試驗在不同工況下分別進行了不同幅度的頻差階躍試驗，在此選取兩個有代表意義工況下的試驗曲線分析。選取的試驗曲線針對水機的非線性特征，若低水頭高負荷工況下一次調(diào)頻響應速度符合要求，則基本所有工況響應速度均符合；若高水頭低負荷工況下一次調(diào)頻穩(wěn)定，則基本所有工況響應特性均不會有嚴重超調(diào)和振蕩。

圖3是低水頭300 MW工況下階躍頻差為-0.2 Hz的響應曲線，負荷響應速度稍慢，響應延遲大于4 s。圖4是高水頭200 MW工況下階躍頻差為+0.2 Hz的響應曲線，負荷響應迅速，負荷響應有超調(diào)和衰減過程，但總體響應特性穩(wěn)定。

圖3.水頭300 MW工況-0.2 Hz響應曲線

圖4.水頭200 MW工況+0.2 Hz響應曲線

5.3.運范圍測試

調(diào)速器邏輯設置機組并網(wǎng)后一次調(diào)頻即投入，無一次調(diào)頻投運范圍下限，機組最大出力限幅為額定的104%。圖5是低水頭200 MW工況下模擬-0.15 Hz頻差的響應曲線，當機組運行于核定負荷調(diào)節(jié)范圍下限時，若頻率升高，機組功率將根據(jù)頻差大小相應降低，無一次調(diào)頻投運范圍下限。圖6是低水頭300 MW工況下模擬+0.2 Hz頻差的響應曲線，按頻差計算，功率設定值應為322.95 MW，由于一次調(diào)頻上限功能作用，功率設定值限制在軟件設定的最大超發(fā)功率312 MW，機組實際負荷響應能達設定值，但導葉開度接近開限。

圖5.水頭200 MW工況-0.15 Hz響應曲線

5.4.頻限幅測試

調(diào)速器邏輯設置±10%額定負荷的調(diào)頻限幅，轉(zhuǎn)差率等于4%對應±0.25 Hz的頻率偏差，當頻率偏差大于±0.25 Hz時，機組功率設定值變化將限制在額定負荷的±10%。圖7是低水頭300 MW工況模擬-0.3 Hz頻率偏差的響應曲線，功率設定值被限制在270 MW。

圖6.水頭300 MW工況+0.2 Hz響應曲線

圖7.水頭300 MW工況一次調(diào)頻限幅功能

5.5.1.機一次調(diào)頻性能試驗結(jié)論

通過對1號機進行一次調(diào)頻性能試驗并對試驗結(jié)果進行分析，針對1號機得到如下結(jié)論：

（1）轉(zhuǎn)差率參數(shù)設4%時，功率設定值按相應函數(shù)關(guān)系變化，實際響應功率與設定值偏差在0.8 MW功率死區(qū)范圍內(nèi)；

（2）靜特性試驗，表明調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)小于0.04%；

（3）電調(diào)人工死區(qū)設為±0.04 Hz，頻率死區(qū)小于±0.05 Hz；

（4）實際最大調(diào)整負荷限幅為機組額定負荷的±10%；

（5）一次調(diào)頻投運范圍無下限，最高出力限制為104%；

（6）在高水頭整個投運負荷范圍內(nèi)（200 MW～300 MW）和低水頭低負荷段，一次調(diào)頻響應滯后在4 s左右，15 s和45 s的響應行為指標均滿足要求；

（7）在低水頭高負荷工況，受機組固有的功率反調(diào)特性影響，一次調(diào)頻響應滯后時間稍大于4 s；受機組固有的功率響應非線性影響，一次調(diào)頻的響應行為將稍微變慢，達90%目標負荷時間大于15 s。

綜上所述，桐柏抽水蓄能電站1號機組具有一次調(diào)頻功能，在投運負荷范圍內(nèi)（200 MW～300 MW）和正常運行水頭范圍（245 m～275 m）內(nèi)，一次調(diào)頻性能基本滿足試驗考核指標要求。針對在低水頭高負荷工況一次調(diào)頻的響應行為稍慢，達90%目標負荷時間大于15 s的情況，需要通過修改調(diào)速器PID參數(shù)進行調(diào)整，由于調(diào)整參數(shù)對調(diào)速器性能影響較大，需進一步深入分析討論后再進行優(yōu)化。

6 結(jié)論

桐柏抽水蓄能電站通過機組的一次調(diào)頻性能試驗,加深了對機組調(diào)速器系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性的了解,發(fā)現(xiàn)了存在的問題，指出了下一步研究的方向。今后將針對存在的問題進一步分析研究，提高機組一次調(diào)頻性能，全力保障華東電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。

[1]梅祖彥.抽水蓄能發(fā)電技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2]華東區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則（試行）[Z].

[3]華東區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則（試行）

TV743

A

1672-5387（2017）09-0006-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.09.003

2017-06-19

朱佳（1982-），男，工程師，從事抽水蓄能電廠運行維護工作。