基于PSD-BPA模型的水電機組一次調(diào)頻理論積分電量算法研究

李 璽，徐廣文，姚 澤，黃青松

(廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣州 510080)

一次調(diào)頻被列入并網(wǎng)發(fā)電機組必須提供的基本輔助服務(wù)之一[1]，各地區(qū)電網(wǎng)都頒布了相應(yīng)規(guī)范和細則，對一次調(diào)頻實施考核管理。水電機組因積分電量不合格經(jīng)常被考核，導致扣減發(fā)電量，減少了經(jīng)濟效益[2,3]。此問題被國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)和學者關(guān)注研究，從永態(tài)差值系數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸延時、開度功率調(diào)節(jié)模式、水頭、人工頻率死區(qū)等方面分析了原因，并提出了建議[4-6]。

電網(wǎng)目前已廣泛采用PSD-BPA電力系統(tǒng)分析軟件，軟件對各上網(wǎng)機組進行建模并通過參數(shù)實測及建模試驗獲得了各機組建模參數(shù)[7-9]，已具備了對各發(fā)電機組建模仿真的模型基礎(chǔ)和參數(shù)支持。在此基礎(chǔ)上，本文從基于PSD-BPA仿真模型及參數(shù)的角度出發(fā)，對一次調(diào)頻積分電量的考核計算進行研究。

1 一次調(diào)頻積分電量算法

南方電網(wǎng)一次調(diào)頻積分電量考核方法是為：在滿足考核前提的情況下，一次調(diào)頻實際動作的積分電量/理論動作積分電量的百分比小于50%判為不合格。其中理論積分時間和實際積分時間保持一致，積分開始時間為頻率過死區(qū)時間，積分結(jié)束時間為頻率回到死區(qū)的時間，最長不超過1 min。實際動作積分電量是根據(jù)實際功率—時間關(guān)系曲線來計算，而理論動作積分電量是根據(jù)頻率—時間關(guān)系曲線來計算的。理論積分電量的計算見式(1)，實際積分電量的計算見式(2)。

(1)

(2)

式中：Qt為理論動作積分電量，kWh；Pr為機組額定出力，kW；t0為積分起始時間，即頻率偏差超過頻率死區(qū)的時刻，s；Δt為積分開始后的一次調(diào)頻過程持續(xù)時間(最長不超過60 s，超過60 s的以60 s計算，s)；Δf為頻率偏差；4%為機組的轉(zhuǎn)速不等率(永態(tài)轉(zhuǎn)差率)；Qr為實際動作積分電量，kWh；Pa為機組實際出力，kW；P0為積分起始時間對應(yīng)的機組出力，kW[10]。

水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)滯后性較強，功率響應(yīng)相對較慢。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(yīng)，使相同時間段內(nèi)實際動作積分電量較理論值偏小。極端情況下，當頻率階躍擾動時，頻率—時間關(guān)系曲線為一條階躍線，而有功功率—時間關(guān)系曲線為一條曲線，如圖1所示。

圖1 頻率階躍變化情況下一次調(diào)頻理論動作積分電量與實際動作積分電量的對比圖

由圖1(a)可以看出，t0時刻頻率擾動-0.15 Hz，超出人工頻率死區(qū)(人工頻率死區(qū)設(shè)置為±0.05 Hz)，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(yīng)，如圖1(c)中t0-t1時段，此時機組為反方向出力響應(yīng)，實際積分電量為負值。t1時刻之后，機組出力轉(zhuǎn)為正方向，實際積分電量逐漸變?yōu)檎?。圖1(b)中陰影部分為理論動作積分電量，圖1(c)中陰影部分為實際動作積分電量，可以看出在計算過程中理論與實際值誤差較大。這說明用頻率—時間關(guān)系曲線來計算理論動作積分電量是不準確的，這也是造成水電機組一次調(diào)頻積分電量不達標，頻繁被考核的原因之一。

2 基于PSD-BPA模型的水輪發(fā)電機組建模

5.0版的PAD-BPA程序分別提供了調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型、電液伺服系統(tǒng)模型及水輪機模型可供水輪發(fā)電機組建模使用。其中調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型選用GM卡和GM+卡、電液伺服系統(tǒng)選用GA卡和GA+卡、水輪機模型可選用TV卡[11]，各模型邏輯框圖如圖2～圖4所示。

YC為開度前饋；Δω為頻差；PE為功率給定；Y為開度給定；TR1為頻率測量環(huán)節(jié)時間常數(shù)；TR2為功率測量環(huán)節(jié)時間常數(shù)；TR3為開度測量環(huán)節(jié)時間常數(shù)；DB1為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)死區(qū)，DB2為功率調(diào)節(jié)死區(qū)；DB3為開度調(diào)節(jié)死區(qū)；MIN1為一次調(diào)頻下限，MAX1為一次調(diào)頻上限；MIN2為功率限幅下限；MAX2為功率限幅上限；MIN3為開度限幅下限；MAX3為開度限幅上限；ep為調(diào)差系數(shù)；bp為轉(zhuǎn)差系數(shù)；KW為頻率偏差放大倍數(shù)；KP為調(diào)節(jié)器比例增益；KI為調(diào)節(jié)器積分增益；KD為調(diào)節(jié)器微分增益；T1V為調(diào)節(jié)器微分環(huán)節(jié)時間常數(shù)；INTMIN為PID積分環(huán)節(jié)下限；INTMAX為PID積分環(huán)節(jié)上限，PIDMIN為調(diào)節(jié)器輸出下限，PIDMAX為調(diào)節(jié)器輸出上限；YPID為調(diào)節(jié)器控制輸出；S為拉普拉斯算子。圖2 調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型(GM和GM+卡)

PCV為調(diào)門指令；KP為副環(huán)PID控制比例增益；KI為副環(huán)PID控制積分增益；KD為副環(huán)PID控制微分增益；VELclose為過速關(guān)閉系數(shù)(標幺值)；VELopen為過速開啟系數(shù)(標幺值)；TC為關(guān)閉時間常數(shù)；TO為開啟時間常數(shù)；PMAX為接力器行程上限；PMIN為接力器行程下限；PGV為—接力器行程；T2為行程反饋時間常數(shù)圖3 電液伺服系統(tǒng)模型(GA和GA+卡)

y為導葉開度；Q為機組流量；a為系數(shù)a；b為系數(shù)b；Tw為水流慣性時間常數(shù)；PM為機械功率輸出圖4 水輪機系統(tǒng)模型(TV卡)

將圖2～圖4模型相連接組成水輪發(fā)電機組仿真模型，相應(yīng)參數(shù)設(shè)置完畢，頻率給定值、功率給定、開度給定等條件在模型中設(shè)置完畢，模型參數(shù)按表1設(shè)置，在機組頻率處模擬機頻階躍變化±0.2 Hz，YPID輸出、導葉開度輸出、功率輸出的模擬值與實測值對比如圖5所示。其中表1參數(shù)為貴州省某水電機組調(diào)速系統(tǒng)實測數(shù)值。

圖5 機頻階躍變化0.2 Hz，水輪發(fā)電機組模型仿真與實測曲線對比

經(jīng)圖5模擬與實測數(shù)據(jù)對比，所用PAD-BPA模型與所設(shè)置參數(shù)可真實反映該水電廠機組動態(tài)調(diào)節(jié)過程。

3 理論動作積分電量的建模計算

上文指出，根據(jù)公式(1)，按頻率—時間關(guān)系曲線計算出的理論積分電量存在不合理之處，考慮用公式(2)的算法，按模型功率—時間關(guān)系曲線計算理論積分電量，實際積分電量的計算按實際功率—時間關(guān)系曲線計算，通過圖5的對比，模型功率與實際功率的動態(tài)過程一致，能更準確的反應(yīng)積分電量的理論值。

表1 水輪發(fā)電機組模型參數(shù)設(shè)置

用上文所選模型及參數(shù)，仿真出頻率向上階躍0.2 s工況下水電機組功率變化過程，通過模型功率—時間關(guān)系曲線按式(2)積分算出理論積分電量，與按公式(1)所算得的積分電量進行比較，對比過程如圖6、圖7所示。

圖6 公式(1)所計算理論積分電量與實際積分電量對比

圖7 公式(2)所計算理論積分電量與實際積分電量對比

圖6(a)為電網(wǎng)頻率隨時間變化曲線，電網(wǎng)頻率從初始值50 Hz階躍至50.2 Hz，超出一次調(diào)頻死區(qū)(±0.05 Hz)，水電機組一次調(diào)頻開始動作，有功功率P開始下降。圖6(b)為根據(jù)頻率偏差按照式(1)計算得到的按頻率偏差變化的曲線，積分后可得到理論動作積分電量值。圖6(c)為實測的機組有功功率一次調(diào)頻響應(yīng)過程，積分圖中曲線減去反調(diào)電量可得到實際動作積分電量值。假設(shè)一次調(diào)頻動作時間為Δt，則積分Δt秒得到的理論與實際積分電量值如圖中陰影所示。陰影部分①為一次調(diào)頻過程中(不超過60 s)理論積分電量，陰影部分②為實際積分電量。

圖7(a)為電網(wǎng)頻率隨時間變化曲線，電網(wǎng)頻率從初始值50 Hz階躍至50.2 Hz，超出一次調(diào)頻死區(qū)(±0.05 Hz)，水電機組一次調(diào)頻開始動作，一次調(diào)頻動作持續(xù)時間同樣為Δt，積分Δt秒可得到理論與實際動作積分電量值。此時的理論積分電量大小由仿真得出的有功功率P曲線進行積分，如圖7(b)所示，圖中的陰影部分③為優(yōu)化算法所得的一次調(diào)頻理論動作積分電量，圖7(c)中陰影部分④為實際積分電量。

圖6和圖7中曲線分別按各自計算公式積分60 s，積分電量結(jié)果比較見表2。

表2 一次調(diào)頻積分電量比較

由表2計算結(jié)果可看出，用PSD-BPA模型仿真出的模型功率—時間關(guān)系曲線所計算理論積分電量比頻率—時間關(guān)系曲線計算出的理論積分電量更接近實際積分電量，因此用模型仿真的方法計算機組理論積分電量比單純的頻率—時間關(guān)系曲線更合理和嚴謹。

4 結(jié) 語

水電機組一次調(diào)頻被考核原因多種多樣，機組和電網(wǎng)系統(tǒng)的特性所造成的原因雖可分析出來但難以改進。本文借助電力系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用的PSD-BPA電力系統(tǒng)分析軟件所提供的并網(wǎng)機組模型及實測參數(shù)，從考核方法上進行分析，通過建模計算使考核指標更接近實際情況，此改進更易于實現(xiàn)，可為減少水電機組一次調(diào)頻誤考核，增加考核的準確性提供參考。

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