燈泡貫流式機組一次調頻性能優(yōu)化試驗研究

周元貴 許炳坤 趙夏青

摘要：燈泡貫流式機組的低水頭運行特點在一定程度上限制了其一次調頻性能，往往會使其一次調頻的考核指標欠佳。對此，通過對燈泡貫流式機組一次調頻的控制邏輯進行理論分析和仿真模擬，在保證機組安全穩(wěn)定運行以及滿足電網(wǎng)考核指標的前提下，對調節(jié)速率和調節(jié)深度的影響因素及其解決方案進行了研究。經過在真機上對研究結果進行試驗驗證，結果表明：機組一次調頻性能得到了改善，一次調頻動作后的積分電量得以增加，實際效益也因此得到了提升。研究成果可為今后開展的燈泡貫流式機組的一次調頻性能優(yōu)化工作提供參考與借鑒。

關?鍵?詞：一次調頻; 調頻性能; 燈泡貫流式機組; 低水頭運行; 水電機組

中圖法分類號： TV734?文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.035

1?研究背景

燈泡貫流式機組具有適用水頭低、過機流量大等特點[1-3]，這種特點使得它的單位水頭對功率的影響要明顯高于混流式及軸流式機組[4]。在實際運行中，燈泡貫流式機組的水頭處于一個動態(tài)變化的過程，部分時段水頭變動范圍會達到數(shù)米[5]，從而造成同樣的導葉增量對應的功率增量具有明顯的差異[6]。

一般來說，水電機組并網(wǎng)運行后，以開度模式或功率模式為主運行[7-9]，長期的運行習慣以及出于對機組穩(wěn)定可控的考慮，更多地選擇了開度模式運行[10-11]，這就使得在低水頭運行時，燈泡貫流式機組的一次調頻效果大打折扣。因此，應該盡可能地增加燈泡貫流式機組在一次調頻過程中的導葉動作量。目前，各電網(wǎng)《兩個細則》對發(fā)電機組涉網(wǎng)性能的經濟核算中包含有考核和補償兩個部分[12-14]，尤其是西北區(qū)域對機組的一次調頻也應進行補償，補償不足的部分由各并網(wǎng)電廠進行分擔[15-16]，這也就意味著電廠不能僅僅考慮自身的一次調頻滿足基本指標，還要在一定程度上提升一次調頻的性能，否則即便自身的一次調頻性能具有一定的補償，但是在經過對區(qū)域內其他電廠分擔后又將成為負值，這樣在一定程度上會影響到電站的效益。

綜上所述，本文將在保證機組安全穩(wěn)定運行的前提下，以提高燈泡貫流式機組一次調頻的調節(jié)速率和調節(jié)深度為出發(fā)點，結合理論分析和現(xiàn)場試驗，進行一次調頻優(yōu)化研究，以期為相關的一次調頻優(yōu)化工作提供參考與借鑒。

2?微機調節(jié)器控制模型分析

在開度模式下，水電機組的一次調頻頻差Δ?F?與PID控制器輸出變化量Δ?Y?PID??之間的關系[17]如圖1所示。

圖1中，?KP、KI?分別為比例、積分控制參數(shù);?s?為拉普拉斯算子，Δ?F?和Δ?Y?PID??分別為頻差和PID控制器輸出變化量的拉普拉斯變換，對應時域變量為Δ?f??和Δ?y?PID??[18]。

易得，經典型PID控制器下的傳遞函數(shù)為

G（s）=KP+KI/s+KDs/（1+T?1v?s）1+bp[KP+KI/s+KDs/（1+T?1v?s）]

即

ΔY?PID=KDs2/（1+T?1v?s）+Kps+KIbpKDs2/（1+T?1v?s）+（1+bpKp）s+bpKIΔF

考慮到并網(wǎng)模式下，一般而言微分控制不投入，于是可以將上式簡化為

ΔY?PID?=Kps+KI（1+bpKp）s+bpKIΔF

由上述傳遞函數(shù)可以得出在單位價躍輸入Δ?f?下的過渡過程的代數(shù)方程如下：

Δy?PID?=[1bp-1bp（Kpbp+1）?e?-KIbpKpbp+1t]Δf

接下來，從3個階段來分析控制參數(shù)對相應暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)過程的影響。

2.1?起始階段

在起始階段，可以看作是頻差信號動作的初始時刻，此時：

Δy?PID?（0）=1bp+1KpΔf

顯然，當?bp越小，KP?越大，頻差Δ?f?越大時，一次調頻起始階段引起的導葉動作量就越大，即反應越靈敏;而考慮到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，?bp?按照電網(wǎng)要求設定即可，一般不宜過分減小。

2.2?過渡過程

在過渡過程，受到指數(shù)項的影響，定義過渡過程的影響因數(shù)?k?為

k=KIbpKpbp+1=1KpKI+1KIbp

影響因數(shù)?k越大，過渡過程越快，一次調頻越容易快速動作到位。從上式可以看出，KP越小，bp越大，KI越大過渡過程就越快。而在實際中，指數(shù)項前的系數(shù)1bp（Kpbp+1）?對起始階段的影響較大。因此，當起始動作量確定以后，對于過渡過程時間起到主要影響的是積分調節(jié)參數(shù)。

2.3?穩(wěn)態(tài)過程

穩(wěn)態(tài)過程的指數(shù)項衰減趨于0，有

Δy?PID?（∞）=1bpΔf

這說明，當一次調頻過程趨于穩(wěn)定時，導葉開度的增量將只依賴于?bp和頻差Δf?，而與其他控制參數(shù)無關。

由上述分析可以看出，為了增大一次調頻的動作速度，主要通過增大比例來調節(jié)參數(shù)?KP和積分調節(jié)參數(shù)KI。比例參數(shù)KP主要在一次調頻動作的起始階段控制調節(jié)速度，積分參數(shù)KI主要是調節(jié)暫態(tài)過渡過程的控制速度;而為了增加一次調頻的調節(jié)深度，可以通過縮小永態(tài)轉差系數(shù)bp和增大一次調頻頻差Δf來實現(xiàn)，前者一般會考慮到系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，根據(jù)電網(wǎng)的要求設定，一次調頻優(yōu)化首要考慮的是頻差Δf。而在給定頻率和電網(wǎng)頻率不變的情況下，頻差Δf主要受到一次調頻動作死區(qū)Ef?的影響。

3?仿真分析

基于Matlab/simulink[19-20]，搭建了水輪機調節(jié)系統(tǒng)參與一次調頻的經典型PID控制器模型，且均采取階躍擾動頻率-0.2 Hz進行了5組仿真。相應控制參數(shù)如表1所示，仿真結果見圖2。

仿真結果表明，由于增大了?KP?，仿真3和仿真4在起始階段的一次調頻動作量明顯要比仿真1和仿真2的大，而且在其他一次調頻參數(shù)一致的情況下，仿真3在5.00～9.00 s時一次調頻動作量持續(xù)超過仿真1，仿真4在5.00～8.36 s時一次調頻動作量持續(xù)超過仿真2。對于仿真5的起始階段高于仿真3和4的原因，經分析，是在于其一次調頻動作死區(qū)的減小。

在過渡過程中，由于增大了?KI?，仿真2和仿真4的暫態(tài)過程明顯要快于仿真1和仿真3，對于仿真1和仿真3，一次調頻動作曲線在9 s時出現(xiàn)了交叉現(xiàn)象，即仿真3增大了?KP?，使其起始過程加大。而根據(jù)前文分析可知，此時過渡過程影響因數(shù)將由0.254 2減小為0.241 9，因此，暫態(tài)過程被拖慢。同理，可分析仿真2和仿真4的過渡過程。因此，先定比例參數(shù)?KP，然后結合KI考慮整個過渡過程是較合理的。仿真2和仿真4的一次調頻動作曲線交叉時間8.36s要快于仿真1和仿真3的9.00 s，正是因為KI?增大而引起過渡過程動作整體加快。仿真5暫態(tài)過程快于仿真2和仿真4，是由一次調頻動作死區(qū)的減小引起一次調頻動作曲線整體抬升所造成的。

通過觀察仿真5曲線，不難發(fā)現(xiàn)，一次調頻動作死區(qū)減小，除了直接帶來最終穩(wěn)態(tài)過程的增加外，其在起始階段和過渡過程均明顯要優(yōu)于仿真1至仿真4。這也說明，動作死區(qū)對一次調頻過程的整體影響是應該首要考慮的因素。而這一點對于低水頭燈泡貫流式機組的一次調頻優(yōu)化也是極為關鍵的。

4?試驗驗證

某水電廠燈泡貫流式機組的主要參數(shù)如下：水輪機型號為GZ657-WP-545，額定出力為45 MW，額定水頭為19.6 m，最大水頭為26.3 m，最小水頭為10.5 m，額定轉速為125 r/min;發(fā)電機型號為SFWG44-48/6500，額定功率為45 MW，額定電壓為13.8 kV，額定電流為2 139 A，PT變比為138，CT變比為2 500。

該燈泡貫流式機組由于一次調頻投入后被考核，進行了一次調頻性能優(yōu)化試驗。由于相應的測頻單元校驗、PID參數(shù)校驗、靜特性校驗等試驗相對通用[21]，這里不再具體論述。

《兩個細則》[15-16]對貫流式機組一次調頻控制參數(shù)的要求包括以下3個部分：① 一次調頻動作死區(qū)?Ef?控制在0.05 Hz內;② 永態(tài)轉差系數(shù)?bp?不大于3%;③ 除振動區(qū)及空化區(qū)外不設置限幅。根據(jù)前文的分析，結合貫流式機組在低水頭、小頻差越一次調頻死區(qū)后導葉動作量較小的特點，首先將一次調頻動作死區(qū)減小為0.04 Hz，這樣既能滿足《兩個細則》對于一次調頻動作死區(qū)的規(guī)定，又能使得在一次調頻動作過程中導葉提前動作，加大功率增量。

按照前文分析過程，選取了兩組一次調頻參數(shù)載入調速器進行相應試驗?？紤]到試驗的全面性，本文對大小頻差擾動分別給出了一組試驗結果，具體結果如表2所示。

第1組參數(shù)為：?KP=6，KI=10，KD=0，bp=3%，Ef=±0.04Hz;第2組參數(shù)為：KP=8，KI=12，KD=0，bp=3%，Ef=±0.04Hz?。

現(xiàn)場實測結果表明，兩組參數(shù)均滿足《兩個細則》的要求，即上升時間不超過15 s，調節(jié)時間不超過45 s的要求。實際上，上升時間和調節(jié)時間在時間尺度上均對應于理論分析中的過渡過程，因此，可以看到第二組參數(shù)的上升時間和調節(jié)時間均優(yōu)于第一組。同時，《兩個細則》要求貫流式機組一次調頻動作時功率滯后時間不超過4 s，該過程對應于理論分析中一次調頻的起始階段，當階躍頻率為+0.07 Hz時，第一組參數(shù)功率滯后時間超標，而第二組加大了比例參數(shù)使其起始階段加快，因此滿足考核指標的要求。進一步，可以看到兩組參數(shù)在一次調頻時的功率反調相差不大且較小，因此，推薦選擇第二組參數(shù)作為該燈泡貫流式機組新的一次調頻運行參數(shù)。

投入第二組參數(shù)后，電網(wǎng)考核結果如表3所示。其中，指標表示一次調頻動作積分電量的月度平均合格率。表中，3月份機組為原一次調頻運行結果，4月份開始為一次調頻性能優(yōu)化后的結果。

根據(jù)相關《兩個細則》考核依據(jù)：“水電機組一次調頻平均合格率不小于50%;月度一次調頻平均合格率每降低1%按5分考核;每高出1%補償5分;發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理考核分值折算為電費，每分對應金額均為1 000元”。因此，根據(jù)一次調頻優(yōu)化后4～11月的指標總和為1 053.07%，計算對機組的月均補償為（?1 053.07?-50×8）×5×1 000/8=40.8萬元，顯然，極大地提高了水電廠的效益。可見，優(yōu)化后的燈泡貫流式機組一次調頻效果良好，滿足電網(wǎng)和電廠的要求。

5?結 語

本文針對燈泡貫流式機組運行水頭低、幅度變動大，造成一次調頻性能不足的問題，從理論研究分析和仿真試驗的角度分析了經典PID控制器下水電機組一次調頻動作的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程，并定義了暫態(tài)過渡過程中的影響因數(shù)?k?。分析結果表明：

（1） 比例控制參數(shù)主要會對起始階段的動作速度產生影響;

（2） 積分參數(shù)主要會對暫態(tài)過渡過程的動作速度產生影響;

（3） 永態(tài)轉差系數(shù)?bp和一次調頻動作死區(qū)Ef?對整個動作過程的速度均會產生影響，且直接決定了穩(wěn)態(tài)動作量，是一次調頻優(yōu)化考慮的重點。

根據(jù)理論分析結果，優(yōu)化了燈泡貫流式機組一次調頻調節(jié)速率及調節(jié)深度，在真機上對優(yōu)化后的燈泡貫流式機組一次調頻速率及調節(jié)深度進行了試驗驗證。結果表明，理論與試驗結果相符，這樣既提高了燈泡貫流式機組對電網(wǎng)的頻率支撐能力，又提高了電廠的效益。

參考文獻：

[1]劉國選.燈泡貫流式水輪發(fā)電機組運行與檢修[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[2]汪劍國.燈泡貫流式水電站廠房流固耦合動力特性研究[D].武漢：武漢大學，2017.

[3]周斌，萬天虎，李華.燈泡貫流式水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性測試與分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011，27（11）：88-92.

[4]李正貴，任明月，楊逢瑜.水位變化對貫流式水輪機組出力及穩(wěn)定性影響[J].水力發(fā)電學報，2017，36（7）：74-82.

[5]富旭平，鄭峰.燈泡貫流式水輪機效率問題[J].水電能源科學，2008，26（6）：132-133.

[6]張飛，陳俊鋒，呂剛，等.燈泡貫流式水輪機出力提升方案研究[J].中國水利水電科學研究院學報，2016，14（3）：219-223.

[7]姬鵬程.MGC4000-B1PD可編程微機調速器在黃金坪水電站的應用[J].水力發(fā)電，2016，42（3）：81-84.

[8]程遠楚，張江濱.水輪機自動調節(jié)[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[9]何常勝，董鴻魁，翟鵬，等.水電機組一次調頻與AGC典型控制策略的工程分析及優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39（3）：146-151.

[10]高山，葉蕓瑞，雷立超，等.電網(wǎng)負荷波動導致調速器工作模式切換原因分析[J].人民長江，2017，48（6）：85-87，91.

[11]魏守平.水輪機調節(jié)[M].武漢：華中科技大學出版社，2009.

[12]蔡秋娜，文福拴，陳新凌，等.發(fā)電廠并網(wǎng)考核與輔助服務補償細則評價指標體系[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36（9）：47-53.

[13]田雄，姚建剛，龔陳雄，等.電廠并網(wǎng)運行管理及輔助服務管理系統(tǒng)的研發(fā)[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39（1）：118-122.

[14]張碩，南慧，李瀚.華北電網(wǎng)一次調頻策略[J].電網(wǎng)技術，2014，38（s1）：15-18.

[15]國家能源局西北監(jiān)管局.西北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則（[2015]28號）[Z].2015.

[16]國家能源局西北監(jiān)管局.西北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則（[2015]28號）[Z].2015.

[17]魏守平.現(xiàn)代水輪機調節(jié)技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2002.

[18]胡壽松.自動控制原理（第四版）[M].北京：科學出版社，2001.

[19]王晶，翁國慶，張有兵.電力系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK仿真及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[20]薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/SIMULINK的系統(tǒng)仿真技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2011.

[21]DL/T 1245-2013 水輪機調節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術導則[S].北京：中國電力出版社，2013.

引用本文：周元貴，許炳坤，趙夏青.燈泡貫流式機組一次調頻性能優(yōu)化試驗研究[J].人民長江，2019，50（1）：198-201.

Experimental study on performance optimization ofprimary frequency regulation of bulb tubular unit

ZHOU Yuangui，XU Bingkun，ZHAO Xiaqing

（Datang Northwest Electric Power Test & Research Institute，Xi′an 710065，China）

Abstract：The operation characteristics of bulb tubular units with low water head limit the performance of primary frequency regulation to a certain extent and often result in poor performance of primary frequency regulation examination. Through the theoretical analysis and simulation of the control logic of the primary frequency modulation of bulb tubular unit， this paper studies the influential factors of the regulation rate and depth and their solutions under the premise of ensuring safe and stable operation of the unit and meeting the requirements of the power grid assessment index. The real machine test show that the performance of primary frequency regulation of the unit is improved， the integral quantity of electricity increase after primary frequency regulation operation， and the actual benefit is improved， which can be used for reference for optimizing the performance of primary frequency regulation of bulb tubular units.

Key words：?primary frequency regulation;performance of frequency regulation; bulb turbine units;operation in low water head; hydropower unit