水電機組一次調(diào)頻技術(shù)要求及與二次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制的實現(xiàn)方法

彭天波，王 楠，孫 剛，唐國平

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.葛洲壩水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443002）

電能生產(chǎn)與消費同時完成，因此要求發(fā)電機組運行時的出力與負荷之間保持平衡。保證電能的良好質(zhì)量是電能生產(chǎn)過程中的重要任務(wù)，通常衡量電能質(zhì)量的主要指標是電壓和頻率。

按照我國規(guī)定，電網(wǎng)的額定頻率為50 Hz，大電網(wǎng)允許的頻率偏差為±0.2 Hz。對我國的中小電網(wǎng)來說，系統(tǒng)負荷波動有時會達到其總?cè)萘康?%～10%；而且即使是大的電力系統(tǒng)，其負荷波動也往往會達到其總?cè)萘康?%～3%。電力系統(tǒng)負荷的不斷變化，導(dǎo)致了系統(tǒng)頻率的波動，因此需要不斷地調(diào)節(jié)發(fā)電機組的輸出功率，維持機組的轉(zhuǎn)速（頻率）在額定的規(guī)定范圍內(nèi)。

一次調(diào)頻就是利用發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)自身的頻率調(diào)節(jié)特性，對電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時進行自動調(diào)整。其特點是頻率調(diào)整速度快,不同的發(fā)電機組貢獻的調(diào)整量有差別,且調(diào)整量有限,值班調(diào)度員難以控制。

電網(wǎng)調(diào)頻，即二次調(diào)頻（或AGC），其對象是全電網(wǎng)系統(tǒng)，即當電力系統(tǒng)負荷或發(fā)電出力發(fā)生較大變化時,通過裝在發(fā)電廠和調(diào)度中心的自動裝置監(jiān)測到系統(tǒng)頻率的變化，然后由運行人員或系統(tǒng)自動地發(fā)出命令以增減發(fā)電機的發(fā)電出力,保持系統(tǒng)頻率在較小的范圍內(nèi)波動,而電網(wǎng)調(diào)頻又是建立在每個電廠自身調(diào)頻的基礎(chǔ)之上的。這就要求電廠每臺機組自身都能對電網(wǎng)的頻率波動，產(chǎn)生敏感反應(yīng)，及時進行自動調(diào)節(jié)。

1 水電機組一次調(diào)頻、二次調(diào)頻的靜態(tài)特性

機組原始工作位置見圖1所示的靜特性曲線1上A點，機組目標功率Pc1；機組實際功率P1，機組頻率 f1；調(diào)速系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)ep。電網(wǎng)發(fā)生功率缺額，折算到機組的功率缺額為P3－P1。

圖1 調(diào)速器靜態(tài)特性圖Fig.1 Static characteristics chart

一次調(diào)頻：電網(wǎng)功率缺額引起電網(wǎng)頻率降低，如果不進行調(diào)節(jié)，發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)則按靜特性曲線1運行，頻率應(yīng)降至 f3，各機組根據(jù)頻率偏差進行一次調(diào)頻，使機組增發(fā)了功率ΔPf=P2－P1，電網(wǎng)頻率為B點的 f2。雖然該機組與電網(wǎng)上其它機組一起進行了一次調(diào)頻，但電網(wǎng)頻率為f2，不可能恢復(fù)到擾動前的 f1。

二次調(diào)頻：若電網(wǎng)二次調(diào)頻將該機組的目標功率由Pc1修正為Pc2，則機組調(diào)速系統(tǒng)靜特性由特性曲線1變?yōu)樘匦郧€2。最后的調(diào)節(jié)結(jié)果為特性曲線2上C點：調(diào)速系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)ep、機組目標功率Pc2、機組實際功率P3、機組頻率 f1；電網(wǎng)的功率缺額得以補償，系統(tǒng)頻率也恢復(fù)到擾動前的數(shù)值 f1。

電網(wǎng)在負荷擾動后，電網(wǎng)頻率產(chǎn)生偏差，各機組的調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)頻率偏差Δf和功率調(diào)差系數(shù)ep進行一次調(diào)頻，迅速彌補系統(tǒng)部分功率差值；在一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上，電網(wǎng)AGC再經(jīng)過二次調(diào)頻重新修正相關(guān)機組的目標功率值。因此，調(diào)速系統(tǒng)通過兩個信號輸入端：頻率（轉(zhuǎn)速）輸入端(一次調(diào)頻)和機組目標功率輸入端（二次調(diào)頻或AGC）對電網(wǎng)的頻率進行調(diào)節(jié)，最終達到電網(wǎng)功率平衡和頻率恢復(fù)到規(guī)定的范圍之內(nèi)。

2 水電機組調(diào)速器實現(xiàn)一次調(diào)頻功能的方法與要求

在調(diào)速器程序中設(shè)定一次調(diào)頻專用的調(diào)差系數(shù)、頻率人工失靈區(qū)（頻率死區(qū)）和PID參數(shù)，并且具有一次調(diào)頻投入后調(diào)節(jié)范圍的限制功能，能有效的抑制一次調(diào)頻過程中機組有功功率的變化幅度，轉(zhuǎn)速死區(qū)設(shè)定和PID參數(shù)的選擇，能確定當電網(wǎng)頻率波動時，機組由正常發(fā)電運行工況轉(zhuǎn)換為一次調(diào)頻工況運行的響應(yīng)時間及調(diào)節(jié)能力。

調(diào)速器中仍能保留頻率調(diào)節(jié)模式和頻率調(diào)節(jié)模式所對應(yīng)的有關(guān)參數(shù)，不影響負載小電網(wǎng)和孤立電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)能力。

在調(diào)速器上設(shè)置一次調(diào)頻的投入、切除開關(guān)，并且當電網(wǎng)頻率波動時，調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻動作后，能將輸出接點信號輸出到計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

華中電網(wǎng)為了保證發(fā)電質(zhì)量和維護電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，并結(jié)合自身電網(wǎng)的特性，對參與一次調(diào)頻機組有如下要求。

（1）頻率（轉(zhuǎn)速）死區(qū)：參與一次調(diào)頻的水電機組的頻率（轉(zhuǎn)速）死區(qū)控制在±0.05 Hz內(nèi)。

（2）機組調(diào)速系統(tǒng)的速度變動率（水電機組永態(tài)轉(zhuǎn)差率）：水電機組速度變動率（永態(tài)轉(zhuǎn)差率）不大于4%。

（3）響應(yīng)特性：當電網(wǎng)頻率變化達到一次調(diào)頻動作值到機組負荷開始變化所需的時間為一次調(diào)頻負荷響應(yīng)滯后時間，額定水頭大于50 m的水電機組應(yīng)小于4 s，額定水頭小于50 m的水電機組應(yīng)小于8 s。當電網(wǎng)頻率變化超過機組一次調(diào)頻死區(qū)時，機組能在15 s內(nèi)達到一次調(diào)頻調(diào)整幅度（響應(yīng)目標）的90%。在電網(wǎng)頻率變化超過機組一次調(diào)頻死區(qū)的前45 s內(nèi)，機組實際出力與機組響應(yīng)目標偏差的平均值應(yīng)在機組額定有功出力的±3%內(nèi)。機組參與一次調(diào)頻過程中，在電網(wǎng)頻率穩(wěn)定后，在1 min內(nèi)，機組負荷達到穩(wěn)定所需的時間為一次調(diào)頻穩(wěn)定時間。

（4）參與一次調(diào)頻機組的最大調(diào)整負荷限幅：水電機組參與一次調(diào)頻的負荷變化幅度原則上不加限制，但是必須在調(diào)速器中可以對負荷變化幅度進行設(shè)定，一般負荷調(diào)整幅度不低于額定值的±10%。

3 水電機組實際運行過程中一次調(diào)頻與AGC的協(xié)調(diào)控制

水電機組并網(wǎng)運行的出力控制規(guī)律如下

Pg=Pc+Pf

式中：Pg為機組當前有功出力；Pc為電網(wǎng)AGC機組出力目標值；Pf為一次調(diào)頻偏差出力。

3.1 一次調(diào)頻退出

當一次調(diào)頻功能退出或電網(wǎng)頻差小于一次調(diào)頻頻率死區(qū)時，Pf＝0，此時機組的出力完全等于電網(wǎng)AGC所設(shè)定的機組出力目標值，即 Pg=Pc。

3.2 電網(wǎng)AGC退出、一次調(diào)頻投入

當機組運行在電網(wǎng)AGC所設(shè)定的機組出力目標值時，電網(wǎng)AGC功能退出，這時，如果電網(wǎng)頻率與額定頻率的偏差的絕對值大于一次調(diào)頻的頻率（轉(zhuǎn)速）死區(qū)，調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻根據(jù)電網(wǎng)偏離額定值的偏差自動投入運行。

3.3 一次調(diào)頻和AGC投入

在調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻投入后，由于調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻會使機組當前功率偏離電網(wǎng)AGC設(shè)定的目標出力，此時Pf≠ 0，如果電網(wǎng)AGC也正好在調(diào)整負荷，若電網(wǎng)頻率還未恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)，Pf會隨電網(wǎng)頻率的波動而變化，若電網(wǎng)頻率恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)，此時 Pg=Pc+Pf，這時 Pf≠ 0。機組調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻退出并恢復(fù)到功率或者開度模式運行，Pf將逐步回到零，致使 Pg≠Pc，電網(wǎng)AGC又將重新改變Pc來修正機組的實際出力。

因此在調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻投入運行的過程中，電網(wǎng)AGC二次調(diào)頻信號也加入到調(diào)速系統(tǒng)，機組實際運行時調(diào)速器立刻退出一次調(diào)頻并且將調(diào)速器的功率調(diào)節(jié)輸出信號與功率目標值設(shè)為一致，同步后再接收二次調(diào)頻命令，當二次調(diào)頻結(jié)束后如果電網(wǎng)頻差大于轉(zhuǎn)速死區(qū)，一次調(diào)頻將再次自動投入。

4 應(yīng)用實例

以葛洲壩電廠某臺機組一次調(diào)頻試驗為例說明如下。

試驗?zāi)康氖菣z驗機組在一次調(diào)頻運行方式下，出力隨頻率變化的響應(yīng)能力，測定機組的一次調(diào)頻動作滯后時間、調(diào)節(jié)時間等參數(shù)。試驗的前提條件必須滿足華中電網(wǎng)對參與一次調(diào)頻機組所提出的所有要求，從而優(yōu)化和設(shè)定機組的一次調(diào)頻PID參數(shù)。機組帶負荷穩(wěn)定運行，調(diào)速器在自動運行方式，電氣開度限制設(shè)定為100%；調(diào)差系數(shù)設(shè)定為bp=4%，頻率（轉(zhuǎn)速）死區(qū)設(shè)定為±0.05 Hz。

將調(diào)速器PID參數(shù)整定為所選取的一次調(diào)頻PID參數(shù)。機組分別帶60%、75%、90%、100%的額定負荷運行，將機組頻率（并網(wǎng)后也就是電網(wǎng)頻率）斷開，接入頻率信號發(fā)生器用來改變電網(wǎng)頻率。用調(diào)速器測試儀記錄機組頻率、機組出力、導(dǎo)葉接力器行程、槳葉行程等參數(shù)的變化過程曲線。圖2～3為葛洲壩電廠某臺機組一次調(diào)頻試驗的錄波圖。表1為葛洲壩電廠某臺機組帶75%額定負荷運行的一次調(diào)頻試驗結(jié)果，表2為葛洲壩電廠某臺機組調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻響應(yīng)特性。

試驗結(jié)果可以清楚看出，當頻率信號向上或向下階躍發(fā)生時，接力器迅速反應(yīng)，滯后時間、穩(wěn)定時間均滿足要求。由此可以看出：當頻率變化時，機組有功相應(yīng)迅速變化，發(fā)揮了調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率的作用。

圖2 一次調(diào)頻動態(tài)試驗波形圖Fig.2 Grid frequency modulation dynamical test oscillation chart

圖3 一次調(diào)頻動態(tài)試驗波形圖Fig.3 Grid frequency modulation dynamical test oscillation chart

表1 葛洲壩電廠一次調(diào)頻試驗結(jié)果Tab.1 The result of grid frequency modulation in Gezhouba hydropower plant

表2 葛洲壩電廠機組一次調(diào)頻響應(yīng)特性Tab.2 Grid frequency modulation characteristic of Gezhouba hydropower plant

5 結(jié)論

經(jīng)過一次調(diào)頻試驗和實際運行表明，葛洲壩電廠試驗機組完全滿足華中電網(wǎng)調(diào)頻的要求，并且能夠有效地避免調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻和電網(wǎng)AGC二次調(diào)頻之間的矛盾。本文闡述的一次調(diào)頻功能實現(xiàn)方法，協(xié)調(diào)了一次調(diào)頻和二次調(diào)頻之間既相互輔助又相互制約的關(guān)系，對保持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定、保證供電質(zhì)量有著非常重要的意義。

[1] 沈祖貽.水輪機調(diào)節(jié)[M].北京：中國水利水電出版社，1998.SHENG Zuyi.Turbine regulating[M].Beijing：China Water&Power Press,1998.

[2] 魏守平.現(xiàn)代水輪機調(diào)節(jié)技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.WEI Shouping.Modern water turbine regulation technology[M].Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press,2002.