水電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)用信號(hào)分析與探討

丁占濤，趙文利，張雨晗，程遠(yuǎn)楚

（1.新疆開都河流域水電開發(fā)有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒市 841000；2.水力機(jī)械過渡過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北省武漢市 430072）

0 引言

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，隨著電網(wǎng)容量的不斷增大，各區(qū)域聯(lián)網(wǎng)調(diào)度頻繁以及新能源發(fā)電設(shè)備的并網(wǎng)，維持電網(wǎng)內(nèi)有功功率平衡和頻率穩(wěn)定是基本要求。水電機(jī)組因調(diào)節(jié)速度快、調(diào)整幅度大，在電網(wǎng)頻率調(diào)整過程中具有極其重要的作用。在電網(wǎng)突發(fā)大負(fù)荷變化時(shí)，水電機(jī)組一次調(diào)頻可以快速地提供功率支援，提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[1]；此外，可快速完成短時(shí)間負(fù)荷波動(dòng)的調(diào)節(jié)，減少二次調(diào)頻的動(dòng)作，優(yōu)化系統(tǒng)的調(diào)度[2]。

為考核和檢驗(yàn)水電機(jī)組一次調(diào)頻功能與性能，各電網(wǎng)公司均提出了相應(yīng)的考核評(píng)價(jià)方法，比如西北電網(wǎng)要求水電站滿足《西北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》及《西北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》等指標(biāo)要求[3]。所有涉網(wǎng)的水電機(jī)組必須經(jīng)電網(wǎng)指定的檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)，只有試驗(yàn)合格的機(jī)組才能并網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)水電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行后，一次調(diào)頻考核指標(biāo)主要為積分電量和目標(biāo)響應(yīng)功率。但有不少經(jīng)試驗(yàn)合格的水電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)了一次調(diào)頻考核不合格的情況。為了滿足一次調(diào)頻考核響應(yīng)速度的要求，有些水電機(jī)組加大調(diào)速器控制參數(shù)值，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行過程中機(jī)組在一次調(diào)頻期間出力變化加劇，以產(chǎn)生較大的反調(diào)和超調(diào)為代價(jià)來獲得更高的一次調(diào)頻積分電量[4]。

針對(duì)水電機(jī)組一次調(diào)頻考核不合格的問題，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開展了一些研究。文獻(xiàn)[5]提出了一種增強(qiáng)型一次調(diào)頻的頻差算法來提高水電機(jī)組一次調(diào)頻合格率；文獻(xiàn)[6]從一次調(diào)頻短時(shí)間動(dòng)作過于頻繁、數(shù)據(jù)傳輸延遲、頻率測(cè)量誤差的角度分析，提出提高一次調(diào)頻考核相關(guān)數(shù)據(jù)傳送優(yōu)先級(jí)、對(duì)殘壓測(cè)頻裝置進(jìn)行校核的方法來提高一次調(diào)頻的合格率；文獻(xiàn)[7]從機(jī)組側(cè)和電網(wǎng)考核側(cè)頻率不一致、電廠上送有功信號(hào)延遲大的角度分析了一次調(diào)頻合格率低的原因；文獻(xiàn)[8]提出引入功率前饋控制，提高功率調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度，從而提高積分電量的方法。但這些研究都是從改良調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，這些方法可以一定程度上提高積分電量的合格率，但沒有回答為什么這些經(jīng)權(quán)威部門檢測(cè)合格的機(jī)組會(huì)在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)被考核的現(xiàn)象。本文擬從另一個(gè)角度分析問題，即為什么試驗(yàn)時(shí)指標(biāo)是合格的，而實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)考核不合格的問題。基于對(duì)一次調(diào)頻試驗(yàn)信號(hào)和實(shí)際一次調(diào)頻過程中頻率信號(hào)的差別的分析，本文提出了一種新的一次調(diào)頻試驗(yàn)信號(hào)及產(chǎn)生方法來完善水電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)。

1 一次調(diào)頻試驗(yàn)的性能指標(biāo)要求

關(guān)于一次調(diào)頻的性能考核指標(biāo)，各個(gè)電網(wǎng)公司都給出了具體規(guī)定，大多數(shù)指標(biāo)與要求相近。本文以《西北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》為例，給出其主要指標(biāo)要求，并以此為依據(jù)，開展一次調(diào)頻試驗(yàn)信號(hào)的分析研究。

1.1 一次調(diào)頻參數(shù)要求

（1）滯后時(shí)間：頻率信號(hào)超過一次調(diào)頻死區(qū)開始至機(jī)組實(shí)際負(fù)荷開始變化，且變化幅度超過穩(wěn)態(tài)偏差允許范圍，并在趨勢(shì)上不再反向的時(shí)刻差。額定水頭在50m以上的水電機(jī)組，一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時(shí)間應(yīng)小于4s；額定水頭在50m以下的水電機(jī)組，一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時(shí)間應(yīng)小于10s。

（2）響應(yīng)時(shí)間：所有機(jī)組一次調(diào)頻的負(fù)荷調(diào)整幅度應(yīng)在15s內(nèi)達(dá)到理論計(jì)算值的一次調(diào)頻最大負(fù)荷調(diào)整幅度的90%。

（3）積分電量：電網(wǎng)頻率超出一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)起到恢復(fù)至一次調(diào)頻死區(qū)內(nèi)時(shí)為止，實(shí)際發(fā)電出力與起始實(shí)際發(fā)電出力之差的積分值。一般要求實(shí)際積分電量與理論積分電量的比值不低于50%。

（4）大頻差擾動(dòng)性能指標(biāo)：當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生頻率超過（50±0.1）Hz大頻差擾動(dòng)時(shí)，單次大頻差擾動(dòng)一次合格率I應(yīng)不小于80%。

式中：Ir——機(jī)組一次調(diào)頻出力響應(yīng)合格率，具體為在頻率變化超過一次調(diào)頻死區(qū)開始至機(jī)組一次調(diào)頻應(yīng)動(dòng)作時(shí)間內(nèi)，機(jī)組實(shí)際最大出力調(diào)整量占理論最大出力調(diào)整量的百分比；

Ic——機(jī)組一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量合格率，具體為在頻率變化超過一次調(diào)頻死區(qū)開始至機(jī)組一次調(diào)頻應(yīng)動(dòng)作時(shí)間內(nèi)，機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)際貢獻(xiàn)電量占理論貢獻(xiàn)電量的百分比。

2 一次調(diào)頻試驗(yàn)信號(hào)分析

2.1 一次調(diào)頻試驗(yàn)分析平臺(tái)

在進(jìn)行電站的一次調(diào)頻試驗(yàn)時(shí)，用信號(hào)發(fā)生器模擬電網(wǎng)頻率，接入調(diào)速器的測(cè)頻回路，測(cè)試當(dāng)模擬的電網(wǎng)頻率變化時(shí)發(fā)電機(jī)輸出有功功率的變化過程，然后按兩個(gè)細(xì)則要求的指標(biāo)進(jìn)行考核。為了模擬實(shí)際電站的一次調(diào)頻試驗(yàn)過程，本文搭建了水電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)分析平臺(tái)，如圖1所示，主要由信號(hào)發(fā)生器、調(diào)速器控制部分、隨動(dòng)系統(tǒng)、水輪發(fā)電機(jī)組組成。其中，信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生仿真試驗(yàn)用信號(hào)；調(diào)速器控制部分采用與電站相同的PID控制算法，其算法如圖2所示；隨動(dòng)系統(tǒng)仿真主要由主配壓閥、主接力器等組成，具有與現(xiàn)場(chǎng)完全相同的開關(guān)速度特性，其數(shù)學(xué)模型如圖3所示；水輪機(jī)模型采用由綜合特性曲線外拓得到的非線性模型，引水系統(tǒng)采用單管形式的特征線性方法求解，發(fā)電機(jī)采用一階模型。

圖1 一次調(diào)頻研究用模型Figure 1 Investigative model of the primary frequency

圖2 水電站PID控制算法Figure 2 PID control algorithm of hydraulic power plant

圖3 隨動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型Figure 3 Mathematical model of servo-system

2.2 試驗(yàn)用信號(hào)設(shè)計(jì)

為了分析電站一次調(diào)頻被考核的原因，收集和分析了大量的電站一次調(diào)頻動(dòng)作過程曲線，以圖4為例，是某電站一次調(diào)頻過程中記錄的電網(wǎng)頻率與一次調(diào)頻過程，當(dāng)時(shí)電站水頭為84m，機(jī)組出力為50.38MW（額定出力為90MW），大頻差一次調(diào)頻各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示，被認(rèn)定為不合格。

表1 某電廠一次調(diào)頻性能指標(biāo)Table 1 Index of primary frequency in a hydraulic power plant

圖4所示曲線對(duì)應(yīng)的調(diào)速器參數(shù)為KP=1、KI=5、KD=1，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp為3%。依據(jù)電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，在所搭建的試驗(yàn)平臺(tái)上，進(jìn)行了階躍信號(hào)下的一次調(diào)頻仿真試驗(yàn)。

圖4 某電廠一次調(diào)頻過程Figure 4 Primary frequency of a hydraulic power plant

圖5是施加±0.15Hz階躍擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)作響應(yīng)曲線，它的各項(xiàng)考核指標(biāo)如表2所示，顯然，一次調(diào)頻性能滿足電網(wǎng)兩個(gè)細(xì)則的考核要求。從此實(shí)例中可以看出，在階躍信號(hào)下的一次調(diào)頻試驗(yàn)評(píng)價(jià)合格，并不代表在實(shí)際運(yùn)行中一次調(diào)頻考核合格?；陔姀S實(shí)際一次調(diào)頻過程被考核的背景，有必要開展一次調(diào)頻試驗(yàn)信號(hào)分析，使一次調(diào)頻試驗(yàn)過程盡可能地接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，當(dāng)出現(xiàn)大的負(fù)荷突變時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率快速變化，此時(shí)，所有參與一次調(diào)頻的機(jī)組均對(duì)自身輸出的有功功率進(jìn)行調(diào)整，電網(wǎng)頻率會(huì)逐步恢復(fù)。

表2 階躍信號(hào)下的一次調(diào)頻試驗(yàn)考核指標(biāo)Table 2 Index of primary frequency under step signal

圖5 階躍信號(hào)下的一次調(diào)頻試驗(yàn)過程Figure 5 A test of primary frequency under step signal

當(dāng)電網(wǎng)中一次調(diào)頻作用恰當(dāng)時(shí)，電網(wǎng)頻率以一定速度恢復(fù)至一次調(diào)頻死區(qū)內(nèi)，一次調(diào)頻過程結(jié)束。當(dāng)電網(wǎng)中一次調(diào)頻作用過強(qiáng)時(shí)，電網(wǎng)頻率會(huì)恢復(fù)到一次調(diào)頻死區(qū)之內(nèi)，然后再出現(xiàn)頻率超過一次調(diào)頻死區(qū)，繼續(xù)一次調(diào)頻的現(xiàn)象。顯然，由于水電機(jī)組輸出功率響應(yīng)的滯后性，考核指標(biāo)計(jì)算結(jié)果與頻率超過一次調(diào)頻的時(shí)間長短密切相關(guān)。因此，在進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)時(shí)，不能僅用階躍信號(hào)進(jìn)行考核，而是應(yīng)該基于實(shí)際運(yùn)行情況，采用脈沖信號(hào)進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)，并根據(jù)不同的要求，選擇不同的脈沖寬度進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)。

3 一次調(diào)頻試驗(yàn)分析

3.1 不同脈沖寬度信號(hào)下的試驗(yàn)分析

根據(jù)上節(jié)的分析，基于圖1所示的仿真平臺(tái)，分別選取脈沖寬度為50s、40s、30s、20s、10s、6s（現(xiàn)場(chǎng)大頻差脈寬）的脈沖信號(hào)進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)，當(dāng)KP=1、KI=5、KD=1，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp為3%，頻差為±0.15Hz時(shí)得到的一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果如表3和圖6所示。

圖6 不同脈沖信號(hào)下的一次調(diào)頻脈沖響應(yīng)Figure 6 The pulse responses of primary frequency under different signals

表3 某電廠在不同脈沖信號(hào)下的一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Tests of primary frequency in a hydropower plant under different pulse signals

由表3可知，采用不同寬度的脈沖信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)，一次調(diào)頻的滯后時(shí)間不變，而最大目標(biāo)響應(yīng)功率和積分電量與脈沖寬度，即一次調(diào)頻信號(hào)存在的時(shí)間長短有密切關(guān)系。

不同脈寬下的一次調(diào)頻試驗(yàn)脈沖響應(yīng)得到的理論積分電量和實(shí)際積分電量不同，由于水擊效應(yīng)，當(dāng)頻率發(fā)生變化時(shí)，存在響應(yīng)滯后和功率反調(diào)的情況。隨著脈沖寬度的減小，滯后效應(yīng)和反調(diào)對(duì)積分電量貢獻(xiàn)率的影響就愈發(fā)顯著。脈沖寬度小，積分時(shí)間短，調(diào)節(jié)功率響應(yīng)過程和反調(diào)部分占調(diào)節(jié)過程的比重大，積分電量的比值呈現(xiàn)單調(diào)變小的趨勢(shì)，積分電量考核比相應(yīng)降低。當(dāng)脈沖寬度過小時(shí)，調(diào)節(jié)目標(biāo)功率未達(dá)到穩(wěn)定就開始回復(fù)調(diào)節(jié)，一次調(diào)頻功率響應(yīng)合格率也會(huì)降低。如表3所示，當(dāng)脈寬減小至6s時(shí)，積分電量的比值為19.2%，小于50%，一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果不合格，一次調(diào)頻功率響應(yīng)比從脈沖50s時(shí)的152.9%降至84%，綜合考核比降至51.6%，不滿足一次調(diào)頻考核要求（80%）。

顯然，在一次調(diào)頻參數(shù)和系統(tǒng)條件相同的情況下，一次調(diào)頻的性能指標(biāo)與試驗(yàn)信號(hào)待續(xù)的時(shí)間長短有密切關(guān)系。當(dāng)脈沖寬度較?。?～10s）時(shí)，由于頻差持續(xù)時(shí)間短，調(diào)節(jié)過程還來不及完全響應(yīng)，頻差即已恢復(fù)到一次調(diào)頻死區(qū)內(nèi)，機(jī)組實(shí)際調(diào)節(jié)出力偏小，積分電量偏?。划?dāng)反調(diào)較大時(shí)，甚至可能出現(xiàn)積分電量為負(fù)的情況，導(dǎo)致一次調(diào)頻不合格。為降低水電機(jī)組一次調(diào)頻被考核的概率，建議在一次調(diào)頻試驗(yàn)時(shí)，增加脈寬可變的頻率信號(hào)進(jìn)行一次調(diào)頻性能校驗(yàn)。通過改變整定參數(shù)來增大實(shí)際積分電量和響應(yīng)功率，以改善電廠實(shí)際一次調(diào)頻考核不合格、調(diào)節(jié)深度不夠的問題。

3.2 脈沖信號(hào)下的一次調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)3.1的分析和圖4的實(shí)際頻率變化曲線，對(duì)調(diào)速器一次調(diào)頻參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。選取脈沖寬度為6s的脈沖信號(hào)進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)。當(dāng)參數(shù)選為KP=6、KI=4、KD=1時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，大頻差擾動(dòng)下機(jī)組一次調(diào)頻綜合考核比由55%增加到81.0%，滿足西北電網(wǎng)的考核要求。依據(jù)該調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行了小頻差信號(hào)下（0.065Hz）一次調(diào)頻仿真試驗(yàn)，理論積分電量為-1.875MWh，實(shí)際貢獻(xiàn)電量為-1.164MWh，積分電量比值為62.07%，大于50%的考核要求。

表4 脈寬為6s時(shí)的一次調(diào)頻試驗(yàn)脈沖響應(yīng)Table 4 The pulse response of primary frequency test when the width was 6s

基于此參數(shù)，進(jìn)行了實(shí)測(cè)電網(wǎng)頻率下的一次調(diào)頻仿真。仿真結(jié)果如圖7所示，各項(xiàng)指標(biāo)如表5所示。大頻差擾動(dòng)下機(jī)組一次調(diào)頻綜合考核比為89.7%，大于80%，滿足西北電網(wǎng)實(shí)際考核要求。

圖7 實(shí)測(cè)電網(wǎng)頻率下的一次調(diào)頻仿真Figure 7 Simulation of primary frequency under real frequency signal

表5 實(shí)測(cè)電網(wǎng)頻率下的一次調(diào)頻仿真指標(biāo)Table 5 The indexes of primary frequency under real frequency signal

4 結(jié)束語

本文以西北某水電站實(shí)際出現(xiàn)的一次調(diào)頻考核不合格現(xiàn)象為例，分析了目前水電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)過程中取用階躍信號(hào)的局限性，建議在試驗(yàn)過程中增加脈沖寬度可調(diào)的方波信號(hào)進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)，檢查在脈沖寬度為6～10s時(shí)的水電機(jī)組一次調(diào)頻性能，并對(duì)水電機(jī)組一次調(diào)頻參數(shù)進(jìn)行合理整定，提高電廠在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中的一次調(diào)頻考核合格率。