抽水蓄能機組一次調(diào)頻試驗及性能分析

韓文杰

（清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東清遠511853）

1 引言

電力系統(tǒng)運行的主要任務之一，就是對頻率進行監(jiān)視和控制，發(fā)電機組的一次調(diào)頻功能對維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定至關重要，特別是對于那些快速調(diào)節(jié)機組比較少的電網(wǎng)尤為關鍵。抽水蓄能機組一次調(diào)頻可以在電網(wǎng)突發(fā)大負荷變化時快速地提高功率支援，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；此外蓄能機組一次調(diào)頻對短時間負荷波動的調(diào)節(jié)可以減少二次調(diào)頻裝置的動作，優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)度、穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。為進一步提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，廣東電網(wǎng)制定了《廣東電網(wǎng)發(fā)電機組一次調(diào)頻運行管理規(guī)定》（簡稱《規(guī)定》）。

本文以清遠抽水蓄能電站（以下簡稱清蓄）的2號機組為例，介紹了清蓄根據(jù)《規(guī)定》對抽水蓄能機組一次調(diào)頻試驗的成果及其應用。

2 一次調(diào)頻的功能及技術要求

一次調(diào)頻是指發(fā)電機組并入大電網(wǎng)運行時，當電網(wǎng)頻率出現(xiàn)偏差并超出其設定的頻率死區(qū)時，通過發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)自身的負荷頻率靜態(tài)和動態(tài)特性對輸出功率進行自動調(diào)整，以適應外界負荷變化的需要，從而使電網(wǎng)頻率迅速回到額定值范圍的特性。

按照《規(guī)定》，并參考DL/T1040-2007《電網(wǎng)運行準則》，水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)的一次調(diào)頻功能應滿足以下技術要求：

（1）機組的永態(tài)轉(zhuǎn)差率一般為3%～4%，調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)ix≤0.04%。

（2）調(diào)速器開啟、關閉方向的線性度誤差εx≤5%。

（3）機組一次調(diào)頻的頻率死區(qū)不大于±0.05Hz。

（4）水輪機組參與一次調(diào)頻的負荷變化幅度不應加以限制。

（5）一次調(diào)頻響應行為：電網(wǎng)頻率變化達到一次調(diào)頻頻率動作值到機組負荷開始變化所需的時間，為一次調(diào)頻的響應滯后時間，應小于或等于3s，在60s內(nèi)機組實際功率與目標功率偏差的平均值應在額定功率的8%內(nèi)。

3 清蓄2號機組調(diào)速器組成

清蓄2號機組微機調(diào)速器采用ALSTOM技術開發(fā)中心專門為水電站開發(fā)設計的TSLG型功能組合式數(shù)字式調(diào)速器，為雙中央處理單元+導葉開度控制單元的冗余結(jié)構，詳見圖1。在調(diào)速器設計、制造過程中ALSTOM集團嚴格依照相應的國際標準，產(chǎn)品性能符合IEC60308和IEC61362的規(guī)定，轉(zhuǎn)速死區(qū)（ix）小于0.02%，頻率測量精度小于0.001%，位移測量精度小于0.1%。

圖1 微機調(diào)速器結(jié)構

4 試驗儀器設備及測點布置

試驗主要儀器為“TG2000型水輪機調(diào)速器測試系統(tǒng)”（以下簡稱TG2000測試儀），包含1臺測試儀和1臺裝有測試系統(tǒng)軟件的便攜式計算機。

試驗測點和所用傳感器見表1。

表1 試驗測點及傳感器

5 試驗內(nèi)容及結(jié)果

5.1 機頻測量校驗

5.1.1 試驗內(nèi)容

通過TG2000測試儀給調(diào)速器主、備用通道UPC輸入與實際PT信號電壓相當?shù)念l率信號，逐一改變信號頻率，記錄主、備用通道UPC機頻實測值。在設計工作頻率范圍內(nèi)，測頻精度應滿足設計要求，若不符合要求，需現(xiàn)場校正，直至達標（測量誤差在±0.005Hz內(nèi)）。

5.1.2 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果見表2。

表2 機頻校驗記錄

由表2可知，調(diào)速器實測機頻與標準值一致，測頻精度符合要求。

5.2 靜特性試驗（測轉(zhuǎn)速死區(qū)ix和非線型度誤差εx）

5.2.1 試驗內(nèi)容

模擬機組運行于并網(wǎng)開度模式，將導葉接力器調(diào)整至50%行程附近。確認導葉開限全開，設置內(nèi)部 空 載 開 限 為 0% 、Intd_bp=6% 、Intd_Kp=10、Intd_Ti=0.5、Intd_Td=0、人工頻率死區(qū)為 0Hz。通過TG2000測試儀升高、降低機頻使導葉全關或全開，再按一個方向逐次升高、降低機頻使接力器相應關閉、開啟，記錄每次調(diào)節(jié)穩(wěn)定后的機頻及對應的主接行程。

分別繪制頻率升高、降低的靜態(tài)特性曲線，兩條曲線間的最大區(qū)間就是轉(zhuǎn)速死區(qū)ix。

注意：每條曲線在接力器行程（5%～95%）的范圍內(nèi)，測點不少于12點，如測點有1/4不在曲線上，或1/4測點反向，則此試驗無效。

5.2.2 試驗結(jié)果

試驗過程數(shù)據(jù)見表3，由計算結(jié)果（表4）可知：調(diào)速器開啟、關閉方向的線性度誤差分別為0.15%和0.15%，均小于規(guī)程所要求的5%，可近似為直線；轉(zhuǎn)速死區(qū)為0.005%，小于額定轉(zhuǎn)速的0.04%，滿足《規(guī)定》要求。

表3 機組靜特性試驗記錄

表4 轉(zhuǎn)速死區(qū)及線性度誤差計算結(jié)果

5.3 永態(tài)轉(zhuǎn)差率bp校驗

5.3.1 試驗內(nèi)容

模擬機組運行于并網(wǎng)開度模式，將導葉接力器調(diào)整至50%行程附近。導葉開限全開，設置內(nèi)部空載開限為 0%、Intd_Kp=10、Intd_Ti=0.5、Intd_Td=0、人工頻率死區(qū)為0Hz。

分別置Intd_bp=2%、4%、6%，通過TG2000測試儀升高、降低機頻使導葉全關或全開，再按一個方向逐次升高、降低機頻使接力器相應關閉、開啟，測取兩個接力器行程 Y1、Y2及其對應的頻率 f1、f2，按下式計算各刻度下的永態(tài)轉(zhuǎn)差率：

式中：Ymax—接力器最大行程；fr—額定頻率，50 Hz。

注意：選擇25%和75%行程位置附近為測量點，以確保校驗精度。

5.3.2 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果見表5。

表5 永態(tài)轉(zhuǎn)差率計算結(jié)果

由表5計算結(jié)果可知：機組調(diào)速器的bp實測值與設定值誤差不大于滿刻度的5%（即為0.5%，因滿刻度為10%），符合規(guī)程要求。

5.4 一次調(diào)頻死區(qū)校驗

5.4.1 試驗內(nèi)容

模擬機組運行于并網(wǎng)開度模式，將導葉接力器調(diào)整至50%行程附近。導葉開限全開，內(nèi)部空載開限為0% 、Intd_bp=4% 、Intd_Kp=5、Intd_Ti=2.8、Intd_Td=0，設置一次調(diào)頻死區(qū)為0.05Hz，通過TG2000測試儀模擬機頻斜坡擾動（±0.1Hz/40s、±0.15Hz/50s），記錄并觀察調(diào)節(jié)器輸出（YPID）信號的響應情況。忽略電子調(diào)節(jié)器的響應時間，可認定調(diào)節(jié)器輸出（YPID）信號不響應的機頻范圍就是一次調(diào)頻死區(qū)。

5.4.2 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果見表6。

清蓄2號機組TSLG型調(diào)試器功率閉環(huán)與開度閉環(huán)控制回路中，一次調(diào)頻死區(qū)設置、計算及比較模塊相同，本項試驗在功率閉環(huán)調(diào)節(jié)模式下進行機組的一次調(diào)頻死區(qū)校驗，開度閉環(huán)調(diào)節(jié)模式下效果相同。由表6校驗結(jié)果可看出ef實測值與設定值一致，符合規(guī)程要求。擾動過程見圖2。

表6 機組一次調(diào)頻死區(qū)校驗記錄及結(jié)果

圖2 頻率斜坡上擾（0.1Hz/40s）校驗一次調(diào)頻死區(qū)

5.5 一次調(diào)頻響應時間測定

5.5.1 試驗內(nèi)容

機組并網(wǎng)帶210MW負荷，調(diào)速器分別設置在功率模式和開度模式，一次調(diào)頻投入，設置Intd_bp=4%、一次調(diào)頻死區(qū)ef=0.05Hz，在50Hz額定頻率基礎上給調(diào)速器機頻施加階躍擾動（±0.1Hz），測定調(diào)節(jié)參數(shù)Intd_Kp、Intd_Ti、Intd_Td組合下的一次調(diào)頻性能，選定符合《規(guī)定》要求的參數(shù)組合作為運行值，再通過不同幅值的階躍擾動（±0.10Hz、±0.15Hz、±0.2Hz）測定該組參數(shù)下的調(diào)速器的響應，評估其一次調(diào)頻性能。

5.5.2 試驗結(jié)果

以Intd_Kp=5、Intd_Ti=2.8和Intd_Td=0為調(diào)節(jié)參數(shù)，在功率閉環(huán)模式下進行不同幅值的頻率擾動試驗，試驗過程見圖3～圖5，功率模式下一次調(diào)頻響應特性見表7。

圖 3 功率模式，Kp=5，Ti=2.8，Td=0，頻率擾動 0.1Hz，一次調(diào)頻調(diào)節(jié)過程

由以上數(shù)據(jù)可以看出，清蓄2號機組在功率調(diào)節(jié)模式下，以Intd_Kp=5、Intd_Ti=2.8和Intd_Td=0為調(diào)節(jié)參數(shù)，一次調(diào)頻響應特性符合《規(guī)定》中要求的：①在電網(wǎng)頻率變化超過機組一次調(diào)頻死區(qū)時，機組響應時間應小于等于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（開度）實際調(diào)節(jié)量應達到△P(△f,t)（△Y(△f,t)）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（開度）與響應目標偏差的平均值應達到理論計算的調(diào)整幅度的±8%內(nèi)。

圖 4 功率模式，Kp=5，Ti=2.8，Td=0，頻率擾動 0.15Hz，一次調(diào)頻調(diào)節(jié)過程

圖 5 功率模式，Kp=5，Ti=2.8，Td=0，頻率擾動 0.2Hz，一次調(diào)頻調(diào)節(jié)過程

表7 參數(shù)設置Kp=5，Ti=2.8，Td=0，功率模式下一次調(diào)頻響應特性

5.6 跟蹤電網(wǎng)頻率試驗

5.6.1 試驗內(nèi)容

機組并網(wǎng)并投入一次調(diào)頻功能，進行真正意義上的機組投入一次調(diào)頻功能的試驗，觀察機組在電網(wǎng)頻率超過一次調(diào)頻死區(qū)時的響應情況。

5.6.2 試驗結(jié)果

圖6是調(diào)速器功率模式下跟蹤網(wǎng)頻過程中一次調(diào)頻動作的示波圖。由圖中標注可知，當電網(wǎng)頻率超過死區(qū)（因電網(wǎng)頻率波動較小，為方便觀察，將頻率死區(qū)設定為0.02Hz）后，調(diào)速器的一次調(diào)頻開始動作，調(diào)節(jié)器的輸出開始響應。

圖6 跟蹤網(wǎng)頻試驗一次調(diào)頻下調(diào)和上調(diào)圖

6 結(jié)論

（1）調(diào)速器開啟、關閉方向的線性度誤差分別為0.15%、0.15%，滿足規(guī)程中εx≤5%的要求；轉(zhuǎn)速死區(qū)為0.005%，滿足《規(guī)定》中ix≤0.04%的要求。

（2）永態(tài)轉(zhuǎn)差率實測值與設定值一致，設定為4%，滿足《規(guī)定》要求。

（3）一次調(diào)頻死區(qū)實測值與設定值一致，設定為±0.05Hz，符合《規(guī)定》要求。

（4）調(diào)速器功率模式下的一次調(diào)頻參數(shù)設置為Intd_Kp=5，Intd_Ti=2.8，Intd_Td=0，該參數(shù)下的一次調(diào)頻性能符合《規(guī)定》要求。

（5）一次調(diào)頻投入后，在電網(wǎng)頻率越過一次調(diào)頻死區(qū)后，機組一次調(diào)頻動作正常，一次調(diào)頻響應特性符合《規(guī)定》。

（6）通過一次調(diào)頻試驗，清蓄2號機組滿足一次調(diào)頻運行管理規(guī)定的要求，當電網(wǎng)頻率超出50±0.05Hz時，機組能夠正常參與網(wǎng)頻的調(diào)節(jié)，一次調(diào)頻功能可以正常投入，各項指標滿足相關規(guī)程及《規(guī)定》的要求，可以并入電網(wǎng)運行。

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