喜河水電廠機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)

申吳剛

（陜西漢江投資開發(fā)有限公司喜河水力發(fā)電廠 陜西 石泉 725271）

機(jī)組一次調(diào)頻 (primary frequency regulation，PFR)是指當(dāng)電網(wǎng)頻率超出規(guī)定的正常范圍后，電網(wǎng)頻率的變化將使電網(wǎng)中參與一次調(diào)頻的各機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化自動(dòng)地增加或減小機(jī)組的功率，從而達(dá)到新的平衡，并且將電網(wǎng)頻率的變化限制在一定的范圍內(nèi)。一次調(diào)頻是確保電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的主要途徑之一，目前國內(nèi)機(jī)組大多具備投入一次調(diào)頻功能的條件，并應(yīng)按規(guī)定投入一次調(diào)頻功能。一次調(diào)頻涉及到的控制邏輯和參數(shù)也應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行正確和必要的試驗(yàn)，從而充分發(fā)揮作用。

喜河水電廠是陜西南部電網(wǎng)漢江上游七級(jí)水電站的第3級(jí)，位于石泉、漢陰交界處，安裝3臺(tái)60MW的軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組。機(jī)組調(diào)速器為武漢事達(dá)電器股份有限公司研制生產(chǎn)的DFWST100-6.3-STARS自復(fù)中式微機(jī)雙調(diào)調(diào)速器。本文重點(diǎn)介紹了喜河水電廠機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)的內(nèi)容和結(jié)果。

1 調(diào)速器構(gòu)成、特點(diǎn)及主要參數(shù)

1.1 基本構(gòu)成

DFWST100-6.3-STAR調(diào)速器是一種具有比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)規(guī)律的新型數(shù)字式微機(jī)調(diào)速器，由自復(fù)中式伺服電機(jī)直線位移轉(zhuǎn)換器作為電液轉(zhuǎn)換元件，額定工作油壓6.3mPa，主配壓閥直徑100mm。由PLC調(diào)節(jié)器、液壓隨動(dòng)系統(tǒng)、油壓裝置三部分組成。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）可靠性高。采用進(jìn)口高可靠性可編程控制器 (PLC)和智能觸摸顯示控制單元(HMI)。伺服電機(jī)直線位移轉(zhuǎn)換器，線性度好，反應(yīng)靈敏，可靠性強(qiáng)并具有斷電自復(fù)中功能。

（2）可操作性強(qiáng)。智能化觸摸顯示技術(shù)的應(yīng)用取消了大多數(shù)按鍵和按鈕，操作簡單。

（3）外形美觀。機(jī)械液壓部分采用直連方式，無杠桿和明管。

1.3 主要參數(shù)

調(diào)速器調(diào)節(jié)規(guī)律位為PID調(diào)節(jié)，測頻方式為殘壓測頻+齒盤測頻。測頻分辨率：±0.0015Hz；頻率信號(hào)：電壓互感器 (0.3～150V)；測頻范圍：48Hz～52Hz；測頻分辨率：±0.0015Hz；永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp：(0～10)%；暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt：(5～200)%；緩沖時(shí)間常數(shù) Td：(2～20)s；加速度時(shí)間常數(shù) Tn：(0～2.0)s；頻率(轉(zhuǎn)速)失靈區(qū)：Ef=（0 ～ ±0.3Hz）；功率、開度失靈區(qū)：Ey/p=(0～±5)%；可調(diào)頻率給定：45Hz～55Hz。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 環(huán)境

試驗(yàn)溫度：10℃；相對濕度：75%；水頭：31.65m；人工水頭設(shè)定：25m。

2.2 試驗(yàn)儀器

水輪機(jī)調(diào)速器綜合仿真測試系統(tǒng)，測頻、發(fā)頻精度0.001Hz；WS10SG型位移變送器；2臺(tái)壓力變送器。

2.3 試驗(yàn)測點(diǎn)及信號(hào)引入情況

3 一次調(diào)頻試驗(yàn)

3.1 測頻單元校驗(yàn)

利用測試仿真儀發(fā)高精度的頻率信號(hào)，調(diào)速器的分辨率為0.01Hz，將輸出接入調(diào)速器的頻率測量端。調(diào)整信號(hào)源頻率輸出值，記錄測頻單元的數(shù)值，見表2，測試值為調(diào)速器顯示值，相差0.01Hz。

3.2 一次調(diào)頻功能設(shè)定與檢查

根據(jù)電力管理和調(diào)度部門的要求，并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組必須具備和投入一次調(diào)頻功能，我們給機(jī)組增加了一次調(diào)頻功能，包括：增設(shè)一次調(diào)頻限幅功能，通過設(shè)定一次調(diào)頻過程頻率差進(jìn)行限制，達(dá)到一次調(diào)頻限幅的目的；增設(shè)一次調(diào)頻專用調(diào)節(jié)參數(shù)，一次調(diào)頻開關(guān)投入后采用專用參數(shù)；增加一次調(diào)頻動(dòng)作接點(diǎn)，將一次調(diào)頻動(dòng)作情況上報(bào)至監(jiān)控系統(tǒng)。

表1 試驗(yàn)測點(diǎn)布置

表2 頻率校驗(yàn) （單位：Hz）

3.3 靜特性試驗(yàn)

在機(jī)組靜止條件下，將調(diào)速器參數(shù)設(shè)置為bt=0.05、Td=2、Tn=0、bp=6%、人工頻率死區(qū)Ef=0，將調(diào)速器調(diào)節(jié)模式置為開度調(diào)節(jié)模式，將測試仿真儀發(fā)出的頻率信號(hào)引入調(diào)速器機(jī)頻測量端，做機(jī)組靜特性試驗(yàn)，利用測試仿真儀自動(dòng)記錄試驗(yàn)過程。利用一元線性回歸分析方法，計(jì)算出該調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)、非線性度以及永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp的校驗(yàn)值，并繪制該調(diào)速器靜特性曲線圖（見圖1）。

轉(zhuǎn)速死區(qū)：0.03%（超過國標(biāo)要求的≯0.02%的規(guī)定）；非線性渡：0.53%（滿足國標(biāo)要求的＜5%）；試驗(yàn)時(shí)永態(tài)差值系數(shù)設(shè)為bp=6%，校驗(yàn)值：開啟方向運(yùn)動(dòng)時(shí)bp計(jì)算值為6.03%，關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)時(shí)bp計(jì)算值為6.0%；槳葉隨動(dòng)系統(tǒng)的不準(zhǔn)確度ia=0.63%（滿足國標(biāo)要求的≯0.8%）；實(shí)測協(xié)聯(lián)曲線與理論協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線的偏差：0.5%（滿足國標(biāo)要求的≯1.0%）。

3.4 一次調(diào)頻頻率階躍擾動(dòng)試驗(yàn)

機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，將測試儀的變頻信號(hào)源輸出的信號(hào)引入機(jī)頻測量端子，機(jī)組處于開環(huán)狀態(tài)，一次調(diào)頻功能投入，選擇幾組調(diào)節(jié)參數(shù)，利用測試儀發(fā)出頻率階躍信號(hào)，記錄整個(gè)擾動(dòng)過程主接力器輸出、機(jī)組功率等信號(hào)。

調(diào)速器并網(wǎng)調(diào)節(jié)為PI調(diào)節(jié)，無微分，調(diào)節(jié)參數(shù)的設(shè)置如表3中的參數(shù)。其中導(dǎo)葉和槳葉的死區(qū)不是計(jì)算死區(qū)，和頻率死區(qū)的概念不一樣，是在調(diào)節(jié)過程中接力器行程目標(biāo)值和實(shí)際值相差超過死區(qū)才進(jìn)行調(diào)節(jié)，但不影響目標(biāo)值和調(diào)節(jié)量，但影響調(diào)節(jié)速度，一次調(diào)頻過程的導(dǎo)葉接力器和槳葉接力器調(diào)節(jié)過程呈臺(tái)階狀就是由于動(dòng)作死區(qū)引起的。動(dòng)態(tài)一次調(diào)頻的初始工況為機(jī)組帶50MW，表4為動(dòng)態(tài)一次調(diào)頻頻率階躍擾動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算以機(jī)組出力為目標(biāo)值。

同時(shí)在一次調(diào)頻過程中由于引水系統(tǒng)的水擊效應(yīng)，將使得一次調(diào)頻過程可能出現(xiàn)功率反調(diào)，存在一個(gè)調(diào)節(jié)滯后時(shí)間，將明顯惡化一次調(diào)頻性能，也不利于調(diào)度考核。因此在試驗(yàn)中一要提高調(diào)節(jié)響應(yīng)速度，二要降低調(diào)節(jié)中的功率反調(diào)，縮短滯后時(shí)間，避免機(jī)組出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

第一組調(diào)節(jié)參數(shù)下功率值達(dá)到調(diào)節(jié)量90%的時(shí)間在40s左右，調(diào)節(jié)穩(wěn)定時(shí)間在50s以上，主要由于調(diào)節(jié)參數(shù)不合理，調(diào)節(jié)速度較慢，另外調(diào)速器設(shè)置的導(dǎo)葉接力器和槳葉接力器動(dòng)作死區(qū)較大也對調(diào)節(jié)速度有影響，調(diào)節(jié)滯后時(shí)間也較長，因此需要對調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，減少接力器動(dòng)作死區(qū)值。

在第二組參數(shù)下調(diào)節(jié)速度略有提高，但還是超過標(biāo)準(zhǔn)要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

第三組參數(shù)在±0.15Hz的頻率擾動(dòng)下，達(dá)到90%的時(shí)間均小于15s，條件穩(wěn)定時(shí)間在30s以內(nèi)，調(diào)節(jié)滯后時(shí)間在2s以內(nèi)。機(jī)組為低水頭軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組功率反調(diào)較小，以及本身功率擺動(dòng)較大，在無調(diào)節(jié)情況下功率擺動(dòng)值達(dá)到額定功率的2.5%左右，在三組參數(shù)下的一次調(diào)頻試驗(yàn)未測到明顯的功率反調(diào)。

3.5 一次調(diào)頻實(shí)際電網(wǎng)頻率擾動(dòng)試驗(yàn)

為進(jìn)一步考察機(jī)組實(shí)際一次調(diào)頻過程中調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性，將一個(gè)電網(wǎng)頻率擾動(dòng)過程頻率變化信號(hào)通過仿真測試儀發(fā)頻，接入機(jī)頻測量端，模擬實(shí)際電網(wǎng)頻率擾動(dòng)過程如圖4所示，主接力器及機(jī)組功率隨著頻率的波動(dòng)調(diào)節(jié)，一次調(diào)頻過程正常。

綜合以上的一次調(diào)頻試驗(yàn)，將調(diào)速器調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置為：bt=5、Td=6、bp=4%、人工死區(qū)Ef=0.05Hz。一次調(diào)頻各項(xiàng)性能指標(biāo)較好，并且滿足陜西省電力調(diào)度中心關(guān)于一次調(diào)頻相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

表3 調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置

表4 一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果

圖1 靜特性曲線圖

圖2 第三組參數(shù)頻率下擾0.15Hz

4 結(jié)論

通過一次調(diào)頻試驗(yàn)，優(yōu)化了調(diào)速器一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能。驗(yàn)證了在參數(shù)為bt=5、Td=6、bp=4%、人工死區(qū)Ef=0.05Hz，一次調(diào)頻過程達(dá)到目標(biāo)出力90%的時(shí)間小于15秒，完全響應(yīng)的時(shí)間小于30s；一次調(diào)頻調(diào)節(jié)滯后時(shí)間為1.9s，小于4s；一次調(diào)頻過程無明顯的功率反調(diào)。一次調(diào)頻性能指標(biāo)滿足陜西省電力調(diào)度中心關(guān)于并網(wǎng)水電機(jī)組一次調(diào)頻的技術(shù)規(guī)定，具備一次調(diào)頻能力。

[1]李華.水電機(jī)組一次調(diào)頻性能的測試與分析[J].西北電力技術(shù)，2005，33(1)∶20-23.

[2]魏守平.水輪機(jī)控制工程[M].武漢∶華中科技大學(xué)出版社.2005.