水電機(jī)組一次調(diào)頻PID參數(shù)全水頭適應(yīng)性研究

馬小雯，艾遠(yuǎn)高，余志強(qiáng)，翟玉杰

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌443133）

電網(wǎng)頻率是非常重要的電網(wǎng)特征參數(shù)，監(jiān)視和控制電網(wǎng)頻率在規(guī)定范圍內(nèi)變化，是電網(wǎng)調(diào)度的主要任務(wù)之一[1]。一次調(diào)頻是指當(dāng)電網(wǎng)頻率超出規(guī)定范圍（即一次調(diào)頻死區(qū)）后，電網(wǎng)中參與一次調(diào)頻的各機(jī)組自動(dòng)地調(diào)節(jié)有功出力，使電網(wǎng)達(dá)到新的平衡，從而快速穩(wěn)定電網(wǎng)頻率的功能[2]。水電機(jī)組在電力系統(tǒng)中主要承擔(dān)調(diào)頻、調(diào)峰任務(wù)，與火電機(jī)組相比，具有調(diào)節(jié)過程簡單、負(fù)荷調(diào)節(jié)速率快、調(diào)節(jié)幅度大、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，因此水電機(jī)組一次調(diào)頻功能對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行起著非常重要的作用[3]。

不同水頭下，滿足一次調(diào)頻性能指標(biāo)的PID參數(shù)不同，需要將PID參數(shù)與水頭適應(yīng)性進(jìn)行關(guān)聯(lián)。本文在某巨型水電站變水頭機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)一次調(diào)頻參數(shù)在全水頭范圍內(nèi)的適應(yīng)性進(jìn)行探究，以滿足機(jī)組在不同水頭的一次調(diào)頻性能要求，為巨型電站一次調(diào)頻控制策略制定提供理論支撐，對(duì)滿足電網(wǎng)運(yùn)行需求、實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制具有重要意義。

1 水電機(jī)組一次調(diào)頻性能指標(biāo)要求

水電機(jī)組一次調(diào)頻技術(shù)指標(biāo)[4]有：永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp不大于4%（或調(diào)差率ep不大于3%）；轉(zhuǎn)速死區(qū)ix設(shè)為0.04%；調(diào)頻死區(qū)不大于±0.05Hz；一次調(diào)頻的功率調(diào)整幅度應(yīng)考慮對(duì)機(jī)組的最大和最小負(fù)荷限制和避開振動(dòng)區(qū)與空化區(qū)運(yùn)行。一次調(diào)頻階躍響應(yīng)的要求：

開度模式。一次調(diào)頻開度響應(yīng)滯后時(shí)間thx應(yīng)不大于2s；接力器位移達(dá)到90%目標(biāo)值的上升時(shí)間t0.9應(yīng)不大于12s；開度調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定所經(jīng)歷的時(shí)間ts不大于24s。

功率模式。一次調(diào)頻功率響應(yīng)滯后時(shí)間thx，對(duì)于額定水頭50m及以上的水電機(jī)組，不大于4s；機(jī)組有功達(dá)到90%目標(biāo)值的上升時(shí)間t0.9應(yīng)不大于15s；功率調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定所經(jīng)歷的時(shí)間ts不大于30s。

2 機(jī)組調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)模型及一次調(diào)頻功能優(yōu)化

水電站機(jī)組一次調(diào)頻對(duì)電網(wǎng)的作用和貢獻(xiàn)可想而知，一般水電站庫水位受庫容季節(jié)的調(diào)節(jié)而變化，機(jī)組實(shí)際水頭也隨之而變。為保證機(jī)組的調(diào)節(jié)品質(zhì)滿足電網(wǎng)穩(wěn)定要求，確保機(jī)組在不同水頭下安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況，對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻功能及PID結(jié)構(gòu)需進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 開度模式下的一次調(diào)頻功能

如圖1所示，為開度模式的調(diào)速器PID結(jié)構(gòu)，采用PI控制規(guī)律。將機(jī)組頻差、導(dǎo)葉開度給定與反饋的偏差，共同輸入PID調(diào)節(jié)器，計(jì)算開度調(diào)節(jié)量，變更機(jī)組負(fù)荷。功率給定實(shí)時(shí)跟蹤機(jī)組實(shí)際功率，不參與閉環(huán)負(fù)荷調(diào)節(jié)，以保證由開度模式切換到功率模式時(shí)實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換[5]。當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)開度模式下的PID參數(shù)。

圖1 開度模式下的PID框圖

調(diào)速器采用限制機(jī)組頻率的方式實(shí)現(xiàn)功率限幅。當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，PID輸入的機(jī)組頻率將限制在一定范圍內(nèi)（默認(rèn)值為50.2～49.8Hz）；當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作復(fù)歸時(shí)，PID輸入的機(jī)組頻率沒有限幅環(huán)節(jié)。功率限幅環(huán)節(jié)可以通過程序進(jìn)行投退。

2.2 功率模式下的一次調(diào)頻功能

如圖2所示，為功率模式的調(diào)速器PID結(jié)構(gòu)，采用PI控制規(guī)律。有功反饋與有功給定輸入信號(hào)，經(jīng)過功率-開度協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線后，轉(zhuǎn)化為開度信號(hào)，乘以bp，輸入PID環(huán)節(jié)。由于調(diào)節(jié)量為開度，無法直接得出真實(shí)調(diào)節(jié)功率，因此，AGC功率限制線無法限制調(diào)速器在一次調(diào)頻動(dòng)作態(tài)時(shí)調(diào)速器收到的真實(shí)功率給定。

圖2 功率模式下的PID框圖

由于功率-開度協(xié)聯(lián)曲線與水頭協(xié)聯(lián)，調(diào)差率ep通過功率-開度協(xié)聯(lián)曲線和bp折算而成，且隨水頭變化而變化。某電站機(jī)組水頭變化范圍為71m至110m，高、低水頭相差較大，因此機(jī)組在不同水頭下，使用同一組PID參數(shù)，其開度調(diào)整量對(duì)應(yīng)的功率調(diào)整不同，無法保證調(diào)節(jié)過程都滿足一次調(diào)頻性能指標(biāo)。當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，功率模式下設(shè)置了兩組PID參數(shù)，一組為固定PID參數(shù)，一組為與水頭關(guān)聯(lián)的查表參數(shù)。

功率模式采用限制機(jī)組頻率的方式實(shí)現(xiàn)功率限幅，與開度模式功率限幅功能相同。

3 一次調(diào)頻有水試驗(yàn)與PID參數(shù)適應(yīng)性探究

試驗(yàn)前，在做好安全措施前提下，解下調(diào)速器PT測速信號(hào)，接入發(fā)頻儀，使機(jī)組在閉環(huán)狀態(tài)運(yùn)行。階躍變化輸入的測量頻率，對(duì)機(jī)組頻率、導(dǎo)葉開度、有功功率等參數(shù)進(jìn)行錄波。本文以某700MW機(jī)組為例，在50Hz的基礎(chǔ)上，利用發(fā)頻儀分別輸入±0.1Hz、±0.15Hz、±0.2Hz等階躍頻率信號(hào)，每個(gè)信號(hào)持續(xù)40s，以檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)行為。機(jī)組在高水頭（109.6m）的一次調(diào)頻有水試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表1所示。本次試驗(yàn)在78.1m水頭下進(jìn)行，采用109.6m水頭的PID參數(shù)以驗(yàn)證其適應(yīng)性。

表1 高水頭（109.6m）的一次調(diào)頻有水試驗(yàn)條件

3.1 開度模式

在水頭為78.1m時(shí)，以-0.1Hz階躍為例，當(dāng)模擬頻率階躍-0.1Hz時(shí)，頻差為-0.05Hz，PID參數(shù)為Kp=10，Ki=4.5，Kd=0。試驗(yàn)過程中，-0.1Hz階躍擾動(dòng)的響應(yīng)波形如圖3所示，一次調(diào)頻指標(biāo)如表2所示。由表2可知，在-0.1Hz（含死區(qū)）擾動(dòng)試驗(yàn)中，響應(yīng)滯后時(shí)間0.765s，90%上升時(shí)間11.303s，調(diào)節(jié)時(shí)間22.375s，滿足行標(biāo)。實(shí)際轉(zhuǎn)差率為4.031%，與設(shè)定值4%基本一致。因此，該P(yáng)ID參數(shù)可以滿足一次調(diào)頻性能指標(biāo)要求。

圖3 開度模式-0.1Hz階躍擾動(dòng)的響應(yīng)波形（功率/MW，時(shí)間/s）

在開度模式下還進(jìn)行了+0.1Hz、±0.2Hz、±0.25Hz的階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，調(diào)節(jié)性能滿足一次調(diào)頻指標(biāo)，高水頭采用的PID參數(shù)在當(dāng)前水頭下基本適用，水頭對(duì)階躍擾動(dòng)影響較小。

表2 開度模式頻率-0.1Hz階躍擾動(dòng)一次調(diào)頻指標(biāo)

3.2 功率模式

在109.6m水頭時(shí)，以+0.1Hz階躍為例，當(dāng)模擬頻率階躍+0.1Hz時(shí)，頻差為+0.05Hz，PID參數(shù)為Kp=12，Ki=2.8，Kd=0。試驗(yàn)過程中，+0.1Hz階躍擾動(dòng)的響應(yīng)波形如圖4所示，一次調(diào)頻指標(biāo)如表3所示。由表3可知，在+0.1Hz（含死區(qū)）擾動(dòng)試驗(yàn)中，響應(yīng)滯后時(shí)間1.97s，90%上升時(shí)間13.11s，調(diào)節(jié)時(shí)間21.328s，轉(zhuǎn)差率小于3%，滿足行標(biāo)。

圖4 Kp=12，Ki=2.8，Kd=0，高水頭（109.6m）功率模式+0.1Hz階躍擾動(dòng)的響應(yīng)波形（功率/MW，時(shí)間/s）

表3 高水頭（109.6m）功率模式的頻率+0.1Hz階躍擾動(dòng)一次調(diào)頻指標(biāo)

在78.1m水頭時(shí)，仍采用該P(yáng)ID參數(shù)進(jìn)行+0.1Hz階躍擾動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，響應(yīng)波形如圖5所示，一次調(diào)頻指標(biāo)如表4所示。

由表4可知，在+0.1Hz（含死區(qū)）擾動(dòng)試驗(yàn)中，90%上升時(shí)間大于15s，調(diào)節(jié)時(shí)間大于30s，低水頭下采用該參數(shù)，調(diào)節(jié)性能遲緩，不滿足行標(biāo)，需要重新對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.3 一次調(diào)頻試驗(yàn)存在的問題及對(duì)策

由前述可知，在開度模式下高水頭的PID參數(shù)基本適用于低水頭，但在功率模式下高水頭采用的PID參數(shù)不適用于低水頭，一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由于在功率模式下，功率-開度協(xié)聯(lián)曲線與水頭協(xié)聯(lián)，調(diào)差率ep經(jīng)功率-開度-水頭協(xié)聯(lián)曲線和bp折算而成，當(dāng)水頭發(fā)生較大變化時(shí)，使用同一組PID參數(shù)，其開度調(diào)整量對(duì)應(yīng)的功率調(diào)整量不同，因此高水頭采用的PID參數(shù)在低水頭時(shí)會(huì)造成調(diào)節(jié)性能遲緩，無法滿足行標(biāo)。

圖5 Kp=12，Ki=2.8，Kd=0，水頭 78.1m 功率模式+0.1Hz階躍擾動(dòng)的響應(yīng)波形（功率/MW，時(shí)間/s）

表4 水頭78.1m功率模式的頻率+0.1Hz階躍擾動(dòng)一次調(diào)頻指標(biāo)

表5 低水頭（78.1m）下一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)此，功率模式下，可根據(jù)不同水頭下選擇不同PID參數(shù)，以滿足一次調(diào)頻性能指標(biāo)。電站依據(jù)調(diào)速器PID結(jié)構(gòu)，建立了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型，模擬機(jī)組在不同工況下的一次調(diào)頻過程與實(shí)測機(jī)組調(diào)節(jié)品質(zhì)進(jìn)行比較，以期獲得調(diào)節(jié)性能良好的PID參數(shù)。

4 結(jié)語

本文對(duì)某巨型水電站700MW水電機(jī)組的一次調(diào)頻階躍擾動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行了分析，討論高水頭的PID參數(shù)在低水頭時(shí)的適應(yīng)性。開度模式下高水頭的PID參數(shù)基本適用于低水頭；功率模式下，由于機(jī)組高、低水頭變化幅度較大，一組固定的PID參數(shù)無法滿足一次調(diào)頻要求，因此需要投入與水頭協(xié)聯(lián)的PID參數(shù)，即適應(yīng)式變參數(shù)PID，在不同水頭下選擇不同PID參數(shù)，以滿足一次調(diào)頻全水頭適應(yīng)性需求。