李 璽,徐廣文,姚 澤,黃青松
(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,廣州 510080)
一次調(diào)頻被列入并網(wǎng)發(fā)電機(jī)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(xì)則,對一次調(diào)頻實施考核管理。水電機(jī)組因積分電量不合格經(jīng)常被考核,導(dǎo)致扣減發(fā)電量,減少了經(jīng)濟(jì)效益[2,3]。此問題被國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)和學(xué)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(jī)組進(jìn)行建模并通過參數(shù)實測及建模試驗獲得了各機(jī)組建模參數(shù)[7-9],已具備了對各發(fā)電機(jī)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(jìn)行研究。
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(jī)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(jī)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(jī)組實際出力,kW;P0為積分起始時間對應(yīng)的機(jī)組出力,kW[10]。
水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)滯后性較強(qiáng),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(dāng)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(dǎo)葉運(yùn)動初期出現(xiàn)反調(diào)效應(yīng),如圖1(c)中t0-t1時段,此時機(jī)組為反方向出力響應(yīng),實際積分電量為負(fù)值。t1時刻之后,機(jī)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(zhǔn)確的,這也是造成水電機(jī)組一次調(diào)頻積分電量不達(dá)標(biāo),頻繁被考核的原因之一。
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(jī)模型可供水輪發(fā)電機(jī)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(jī)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(biāo)幺值);VELopen為過速開啟系數(shù)(標(biāo)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(dǎo)葉開度;Q為機(jī)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(jī)械功率輸出圖4 水輪機(jī)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(jī)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(jī)組頻率處模擬機(jī)頻階躍變化±0.2 Hz,YPID輸出、導(dǎo)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(jī)組調(diào)速系統(tǒng)實測數(shù)值。
圖5 機(jī)頻階躍變化0.2 Hz,水輪發(fā)電機(jī)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(jī)組動態(tài)調(diào)節(jié)過程。
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(zhǔn)確的反應(yīng)積分電量的理論值。
表1 水輪發(fā)電機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(yán)謹(jǐn)。
水電機(jī)組一次調(diào)頻被考核原因多種多樣,機(jī)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(jìn)。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(jī)組模型及實測參數(shù),從考核方法上進(jìn)行分析,通過建模計算使考核指標(biāo)更接近實際情況,此改進(jìn)更易于實現(xiàn),可為減少水電機(jī)組一次調(diào)頻誤考核,增加考核的準(zhǔn)確性提供參考。
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