水電站水輪機(jī)調(diào)速器頻率穩(wěn)定性研究

呂 帥

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443000）

引言

西南電網(wǎng)系統(tǒng)異步聯(lián)網(wǎng)后，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量僅為同步聯(lián)網(wǎng)的1/5～1/6，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率波動(dòng)增大。因水錘效應(yīng)為水輪機(jī)組原動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和調(diào)速器系統(tǒng)的固有屬性，故負(fù)阻尼特性明顯，水輪機(jī)組頻率波動(dòng)將誘發(fā)電網(wǎng)的低頻振蕩。為滿足一次調(diào)頻考核指標(biāo)，部分電廠將調(diào)速系統(tǒng)響應(yīng)速度調(diào)整得較高，反應(yīng)動(dòng)作迅速，這將對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行埋下隱患[1]。

為抑制西南電網(wǎng)異步運(yùn)行后存在的低頻振蕩風(fēng)險(xiǎn)，西南分中心完成138臺(tái)、5070萬千瓦水電機(jī)組（統(tǒng)調(diào)占比68.4%）調(diào)速系統(tǒng)改造，調(diào)速器由大網(wǎng)功率反饋模式調(diào)整為小網(wǎng)-開度反饋模式，全網(wǎng)一次調(diào)頻性能嚴(yán)重弱化，頻率越限風(fēng)險(xiǎn)增加。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，西南電網(wǎng)異步運(yùn)行期間，直調(diào)廠站（二灘）及其他投入西南AGC運(yùn)行的水電機(jī)組（包括向家壩、溪洛渡、錦官等電站）突破一次調(diào)頻死區(qū)（50±0.05）Hz次數(shù)比同步聯(lián)網(wǎng)期間增長10倍以上，一次調(diào)頻電量貢獻(xiàn)比僅為5.84%（標(biāo)準(zhǔn)值為50%），不利于電網(wǎng)頻率快速恢復(fù)。

在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上開展了水輪機(jī)調(diào)速器頻率穩(wěn)定性的研究。本文基于調(diào)速器和原動(dòng)機(jī)系統(tǒng)存在的頻率振蕩問題，通過對(duì)二灘水電站水輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)實(shí)測(cè)及建模仿真計(jì)算，對(duì)調(diào)速器PID參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提出了水電站調(diào)速器頻率穩(wěn)定性能分析及優(yōu)化建議[1]。本文基于大量較翔實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，就二灘水電站水輪機(jī)組調(diào)速器頻率穩(wěn)定性能及其影響因素得出了針對(duì)性強(qiáng)并具有實(shí)際參考價(jià)值的結(jié)論。

1 調(diào)速器系統(tǒng)特性及建模

水輪機(jī)原動(dòng)機(jī)及其調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定以及中長期穩(wěn)定性都有顯著的影響。水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)通過一次調(diào)頻對(duì)機(jī)組及電網(wǎng)的頻率進(jìn)行控制，它是水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要部分，主要作用是根據(jù)發(fā)電機(jī)的頻率反饋控制水輪機(jī)導(dǎo)水葉開度，進(jìn)而改變發(fā)電機(jī)的輸出功率，對(duì)電力系統(tǒng)的功率穩(wěn)定及頻率穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用[2]。通過對(duì)電網(wǎng)典型主力機(jī)組的調(diào)速器系統(tǒng)模型和參數(shù)進(jìn)行調(diào)查和測(cè)試，為系統(tǒng)穩(wěn)定分析及電網(wǎng)日常生產(chǎn)調(diào)度提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，是提高電網(wǎng)頻率安全運(yùn)行的有效措施。

二灘水電站機(jī)組采用了長江三峽能事達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該模型為開度與功率模式，并具備一次調(diào)頻功能，正常運(yùn)行在開度模式下。在模型中，有手動(dòng)調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)兩種模式，并具有按頻率調(diào)節(jié)功能。開度調(diào)節(jié)模式中，Yref為開度給定，該模式下反饋信號(hào)可以選擇導(dǎo)葉開度Y或PID的輸出Ypid；功率調(diào)節(jié)中，Pref為功率給定，Pe為有功功率；頻率調(diào)節(jié)的輸入信號(hào)為頻率偏差；Yc為手動(dòng)方式開度給定。

2 二灘水電站550 MW水輪機(jī)調(diào)速器一次調(diào)頻試驗(yàn)

2.1 水輪機(jī)組基本數(shù)據(jù)

水輪機(jī)類型：混流式；發(fā)電機(jī)型號(hào)：AT1-W-42P-612000；水輪機(jī)型號(hào)：HLF497-LJ-625.7；制造廠：加拿大GE。表1為二灘水電站機(jī)組基本參數(shù)。

表1 二灘水電站機(jī)組基本參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

用調(diào)試器特性和機(jī)組參數(shù)綜合測(cè)試系統(tǒng)儀器TG2000H來仿真系統(tǒng)頻率為50 Hz，并可通過改變頻率完成不同程度的頻率階躍，用網(wǎng)源動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置BPT-9301NFC來測(cè)量有功功率及頻率，觀察此時(shí)發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作情況以及機(jī)組負(fù)荷變化，并用錄波測(cè)試裝置BPT-9301FC進(jìn)行錄波分析[3]。具體設(shè)備如表2所示。

表2 試驗(yàn)所用設(shè)備

2.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案及步驟

在分析完調(diào)速器、發(fā)電機(jī)組相關(guān)資料的前提下,了解了調(diào)速器和機(jī)組的相關(guān)功能和運(yùn)行條件后,做好試驗(yàn)方案和相關(guān)安排,準(zhǔn)備開始機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[4,5]。試驗(yàn)步驟如下：

①在機(jī)組檢修狀態(tài)下進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)接線,接線無誤后進(jìn)行試驗(yàn)；

②調(diào)速器頻率測(cè)量單元校驗(yàn)；

③調(diào)速器靜特性試驗(yàn)（永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp校驗(yàn)）；

④人工頻率死區(qū)設(shè)值校驗(yàn)；

⑤頻率擾動(dòng)試驗(yàn)（測(cè)試不同參數(shù)不同模式下一次調(diào)頻功率調(diào)節(jié)性能）；

⑥大網(wǎng)運(yùn)行、小網(wǎng)運(yùn)行工況的PID控制參數(shù)的校驗(yàn)（分別在開度反饋模式和功率反饋模式下進(jìn)行）；

⑦一次調(diào)頻與AGC配合試驗(yàn)；

⑧在機(jī)組檢修狀態(tài)下進(jìn)行機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)的拆線及恢復(fù)。

2.4 結(jié)果分析

調(diào)速器現(xiàn)地自動(dòng)運(yùn)行，頻率給定為50 Hz，TG2000H測(cè)試儀仿真機(jī)頻50 Hz，開限全開，液壓隨動(dòng)系統(tǒng)放大倍數(shù)為整定值；模擬機(jī)組并網(wǎng)，開度調(diào)節(jié)模式，開度給定50%；一次調(diào)頻功能投入，置KP=10，KI=10(1/s)，KD=0 s，Ef=0 Hz。設(shè)置bp至設(shè)置值（4%），改變TG2000H仿真頻率信號(hào)，使導(dǎo)葉全開至全關(guān)來回各一次，測(cè)取接力器兩個(gè)輸出（Y1、Y2）及其對(duì)應(yīng)的輸入頻率（f1、f2），校驗(yàn)永態(tài)轉(zhuǎn)差率bp設(shè)值，數(shù)據(jù)記錄見表3。

表3 靜特性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

為確保校驗(yàn)精度，選擇25%和75%行程位置附近為測(cè)量點(diǎn)，按式（1）計(jì)算永態(tài)轉(zhuǎn)差率。

式中：Ymax為接力器最大行程；fr為額定頻率，50 Hz。

計(jì)算得到的永態(tài)轉(zhuǎn)差率與設(shè)置值吻合，偏差為0.03%。

二灘頻率死區(qū)設(shè)置值：0.05 Hz，實(shí)際動(dòng)作值：+0.053/-0.052 Hz，滿足規(guī)范要求。目前彭水、長河壩、向家壩、官地4電站一次調(diào)頻死區(qū)為0.1 Hz，總裝機(jī)12 800 MW，在電網(wǎng)正常頻率波動(dòng)范圍內(nèi)（±0.08 Hz）一次調(diào)頻不動(dòng)作，建議統(tǒng)籌考慮對(duì)全網(wǎng)機(jī)組的死區(qū)設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，如死區(qū)設(shè)置±0.04 Hz、±0.05 Hz、±0.06 Hz三個(gè)梯度，使全網(wǎng)機(jī)組分批次參與一次調(diào)頻，釋放更多機(jī)組的一次調(diào)頻容量，讓更多機(jī)組參與到頻率控制的第二道防線中，可極大地增加電網(wǎng)一次調(diào)頻容量，降低部分機(jī)組一次調(diào)頻的動(dòng)作次數(shù)。不同模式下一次調(diào)頻階躍響應(yīng)如表4所示。

表4 不同模式下一次調(diào)頻

大網(wǎng)-開度模式平均穩(wěn)定時(shí)間18.5 s，大網(wǎng)-功率模式平均穩(wěn)定時(shí)間23.5 s，小網(wǎng)-開度模式平均穩(wěn)定時(shí)間117.5 s，小網(wǎng)-功率模式平均穩(wěn)定時(shí)間140 s，當(dāng)前小網(wǎng)-開度模式下響應(yīng)速度大幅降低，受水力因素影響，穩(wěn)定時(shí)間有一定差異；受機(jī)械死區(qū)影響，機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作復(fù)歸后，開度模式下，導(dǎo)葉開度正常復(fù)歸至動(dòng)作前穩(wěn)定值，功率變化量較小，且功率無法復(fù)歸至動(dòng)作前穩(wěn)定值（變化量不足）；功率模式下，功率變化量正常，且正常復(fù)歸至動(dòng)作前穩(wěn)定值，導(dǎo)葉開度較動(dòng)作前動(dòng)作量更大。

一次調(diào)頻功能投入，模擬機(jī)組頻率擾動(dòng)，分別進(jìn)行大網(wǎng)-開度、大網(wǎng)-功率、小網(wǎng)-開度三種模式下一次調(diào)頻擾動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 頻率擾動(dòng)數(shù)據(jù)分析表

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及仿真數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)三種控制模式下實(shí)際動(dòng)作量與理論動(dòng)作量基本一致，動(dòng)作穩(wěn)定時(shí)間與仿真結(jié)果基本一致，大網(wǎng)-開度模式穩(wěn)定時(shí)間16 s，調(diào)節(jié)速率快；大網(wǎng)-功率模式穩(wěn)定時(shí)間29 s，調(diào)節(jié)速率較快；小網(wǎng)-開度模式穩(wěn)定時(shí)間129 s，調(diào)節(jié)速率慢。結(jié)合機(jī)組和電網(wǎng)同步仿真計(jì)算，在電網(wǎng)安全穩(wěn)定、不發(fā)生振蕩的前提下，增大調(diào)速系統(tǒng)PID參數(shù)，提高一次調(diào)頻響應(yīng)速率。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)一次調(diào)頻頻率死區(qū)、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp、調(diào)速器PID參數(shù)等影響水輪機(jī)調(diào)速器頻率穩(wěn)定，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，二灘電站調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)參數(shù)滿足規(guī)范要求：測(cè)頻分辨率0.002 Hz，滿足規(guī)范要求；bp=4.03%，與設(shè)置值基本相符；開度死區(qū)小于0.1%，調(diào)節(jié)性能好；監(jiān)控系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)死區(qū)3 MW，調(diào)速器功率模式調(diào)節(jié)死區(qū)3.3 MW，功率死區(qū)較小，控制精度較高。

通過本項(xiàng)目分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合西南電網(wǎng)對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻的要求，對(duì)機(jī)組調(diào)速器頻率穩(wěn)定性有以下相關(guān)建議：

（1）一次調(diào)頻頻率死區(qū)有待優(yōu)化。建議統(tǒng)籌考慮對(duì)全網(wǎng)機(jī)組的死區(qū)設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，如死區(qū)設(shè)置±0.04 Hz、±0.05 Hz、±0.06 Hz三個(gè)梯度，使全網(wǎng)機(jī)組分批次參與一次調(diào)頻，釋放更多機(jī)組的一次調(diào)頻容量，讓更多機(jī)組參與到頻率控制的第二道防線中。

（2）當(dāng)前小網(wǎng)-開度模式一次調(diào)頻調(diào)節(jié)速率慢。建議在確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定、不發(fā)生頻率振蕩的前提下，增大調(diào)速系統(tǒng)PID參數(shù)，提高一次調(diào)頻響應(yīng)速率，設(shè)置對(duì)應(yīng)PID參數(shù)為：Kp=2.5、Ki=0.8、Kd=0。