水電站機組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)優(yōu)化分析

徐秀英

[摘 ? ?要]為提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性，保證電網(wǎng)有功功率平衡，對原來采用的一次調(diào)頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行了仔細分析研究，在原有控制策略基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化。實際運行表明，這種優(yōu)化后的一次調(diào)頻控制系統(tǒng)，提高了機組快速響應(yīng)電網(wǎng)負荷的要求，從而確保了一次調(diào)頻控制系統(tǒng)的長期、穩(wěn)定投入。

[關(guān)鍵詞]一次調(diào)頻;調(diào)整改造;原因分析;實驗

[中圖分類號]F426.91;TV74;F426.61 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–0–03

[Abstract]In order to improve the operation stability of power grid and ensure the active power balance of power grid， the original primary frequency regulation system is carefully analyzed and optimized based on the original control strategy. The actual operation shows that the optimized primary frequency regulation control system improves the requirement of quick response to grid load， thus ensuring the long-term and stable operation of the primary frequency regulation control system.

[Keywords]primary frequency modulation; adjustment and transformation; cause analysis; experiment

一次調(diào)頻功能是動態(tài)的保證電網(wǎng)有功功率平衡的手段之一。當電網(wǎng)頻率升高時一次調(diào)頻功能要求機組降低并網(wǎng)有功功率，反之，機組提高并網(wǎng)有功功率。水電站為混流式水輪發(fā)電機，一次調(diào)頻功能通過調(diào)整水輪機導(dǎo)葉開度快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行。

1 機組概況

水電站為5臺27.5 MW混流式水輪發(fā)電機組。發(fā)電機型號為SF27.5-40/7600，水輪機型號為HLA801-LJ-336，水輪機調(diào)速系統(tǒng)型號為HGS-H21。

2 一次調(diào)頻原控制策略存在的問題分析

2.1 本區(qū)域電網(wǎng)對一次調(diào)頻機組的要求

（1）一次調(diào)頻人工死區(qū)：水電機組死區(qū)控制在±0.05 Hz。

（2）轉(zhuǎn)速不等率：水電機組轉(zhuǎn)速不等率（永態(tài)轉(zhuǎn)差率）不大于3%。

（3）一次調(diào)頻的最大調(diào)整負荷限幅：水電機組除振動區(qū)和空化區(qū)外不設(shè)置限幅。

（4）一次調(diào)頻的響應(yīng)特性：一次調(diào)頻的負荷響應(yīng)滯后時間指運行機組從電網(wǎng)頻率越過該機組一次調(diào)頻的死區(qū)開始，到該機組的負荷開始變化所需的時間。

①水電機組：額定水頭在50 m以下的水電機組，一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時間應(yīng)小于10 s。

②所有機組一次調(diào)頻的負荷調(diào)整幅度應(yīng)在15s內(nèi)達到理論計算的一次調(diào)頻的最大負荷調(diào)整幅度的90%。

③在電網(wǎng)頻率變化超過機組一次調(diào)頻死區(qū)時開始的45s內(nèi)，機組實際出力與響應(yīng)目標偏差的平均值應(yīng)在理論計算的調(diào)整幅度的士5%內(nèi)。

（5）并網(wǎng)運行機組一次調(diào)頻月度平均合格率應(yīng)滿足水電機組一次調(diào)頻平均合格率不小于60%。

（6）一次調(diào)頻大頻差擾動性能考核。

當電網(wǎng)發(fā)生頻率超過（50+0.1） Hz大頻差擾動時，開展機組一次調(diào)頻專項考核。單次大頻差擾動一次調(diào)頻合格率I大頻差應(yīng)不小于80%，低于80%按200分/次考核。

2.2 一次調(diào)頻扣分情況及原因

2019年上半年電站一次調(diào)頻考核、補償情況如表1所示：

通過查詢計算機監(jiān)控曲線、綜合機組運行情況、水庫情況分析，主要原因如下。

（1）電站處于電網(wǎng)末端，采集到頻率偏差時間比省調(diào)統(tǒng)計考核時間晚1 s左右，而大頻差一般持續(xù)時間為3 s左右，使水電站一次調(diào)頻動作滯后，響應(yīng)滯后，有效積分時間短，動作積分電量減少。

（2）電站水庫因泥沙淤積已無庫容，而電站所有機組均為人工水頭，水位變化大。當正常調(diào)整負荷后，機組導(dǎo)葉開度不變，水位緩慢下降，機組出力隨水位下降而緩慢降低時，若一次調(diào)頻動作，導(dǎo)葉存在一部分空行程，使得出力響應(yīng)合格率不能達到80%，同時導(dǎo)致積分電量合格率不能達到80%，嚴重時甚至不能滿足常規(guī)擾動時的60%合格率要求。

（3）電站機組都運行在開度模式。一次調(diào)頻只調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，以開度閉環(huán)，與兩個細則計算時采用的功率存在較大偏差，時常發(fā)生一次調(diào)頻響應(yīng)后導(dǎo)葉開度明顯變化而功率不變的情況，從而導(dǎo)致一次調(diào)頻性能不合格。開度模式一次調(diào)頻的動作過程是頻差→導(dǎo)葉開度→有功功率的模式。其中，頻差→導(dǎo)葉開度這個轉(zhuǎn)換過程，是調(diào)速器控制系統(tǒng)檢測到頻差，歸算至對應(yīng)導(dǎo)葉開度行程并執(zhí)行的過程;導(dǎo)葉開度→有功功率過程受水輪機工作水頭和機組工況（在當前水頭下，當前功率所對應(yīng)最佳導(dǎo)葉開度）影響。

（4）電網(wǎng)調(diào)度規(guī)定，非當值調(diào)度同意，電站有功功率調(diào)節(jié)不得人工投入。電站機組在人工水頭情況下均不能保證在最佳工況運行。特別是在汛期機組滿負荷運行時，導(dǎo)葉開度基本都在100%，即便減小5個開度，出力也不會明顯變化，這就導(dǎo)致小頻率偏差范圍出力調(diào)節(jié)量不足，一次調(diào)頻合格率不達標。

（5）一次調(diào)頻動作時，水錘效應(yīng)突出，抵消了大部分正向積分動作電量，導(dǎo)致一次調(diào)頻正向動作積分電量不能滿足2個細則要求。

3 一次調(diào)頻功能優(yōu)化方案

根據(jù)上述原因分析，電站做以下參數(shù)優(yōu)化：

（1）采取調(diào)整一次調(diào)頻PID參數(shù)增加出力響應(yīng)正向積分時間、減少水錘效應(yīng)反向影響。

（2）減小一次調(diào)頻死區(qū)，在同樣頻差情況下增大功率調(diào)節(jié)量等措施改善一次調(diào)頻性能。

經(jīng)過一段時間的運行觀察，以上優(yōu)化措施效果不明顯。

電站根據(jù)運行情況對方案做以下調(diào)整：

（1）對電站機組一次調(diào)頻功能進行改造，采用增強型一次調(diào)頻模式，增加一次調(diào)頻動作時的積分電量。

（2）調(diào)速器廠家根據(jù)電站機組實際運行情況設(shè)計兩套調(diào)速器調(diào)節(jié)模式，根據(jù)現(xiàn)場動態(tài)性能試驗結(jié)果，合理地選擇調(diào)節(jié)模式。

（3）電科院根據(jù)調(diào)速廠家改造后的一次調(diào)頻功能在不同頻差、不同開度工況下進行實驗驗證，合理設(shè)置一次調(diào)頻參數(shù)。

（4）測試、優(yōu)化調(diào)速器頻率采集周期及算法，減少一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時間，提高積分時間、響應(yīng)速率。

（5）大頻差擾動情況，一次調(diào)頻動作結(jié)果以功率閉環(huán)為準，一次調(diào)頻幅度設(shè)置為不限幅。

（6）優(yōu)化參數(shù)，盡可能減小水錘對一次調(diào)頻的反向影響。

4 試驗測試

4.1 調(diào)速器靜態(tài)特性試驗

4.1.1 測試目的

測量調(diào)速器的靜態(tài)特性，如轉(zhuǎn)速死區(qū)[ix]，非線性[%FSR]，校驗轉(zhuǎn)差系數(shù)[bp]。

4.1.2 測試步驟

（1）確認調(diào)速器在自動、發(fā)電運行狀態(tài)。

（2）通過人機界面或面板上的操作開關(guān)將導(dǎo)葉開度給定調(diào)整至50%。

（3）修改做靜特性試驗需要參數(shù)：①設(shè)置開度模式Kp=10，Ki=10，Kd=0，Bp=6%，DB=0;②禁止一次調(diào)頻功能;③禁止孤網(wǎng)投入功能;④修改水頭開度曲線中對應(yīng)水頭的“空載開度”改為5，對應(yīng)水頭的“開度限制”改為99;⑤打開電氣開限至99%。

（4）在人機界面中調(diào)出“調(diào)速器靜特性試驗”畫面，按照提示進行試驗。

4.1.3 測試要求

調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)小于0.02%。

4.1.4 測試結(jié)果

bp=5.99%，ix=0.004%，符合要求。

4.2 空載擾動試驗

（1）測試目的：通過調(diào)整空載PID參數(shù)，測試調(diào)速器在空載運行時的動態(tài)響應(yīng)性能。

（2）測試步驟：①啟動仿真機對機組頻率、導(dǎo)葉開度進行錄波;②分別施加1%、2%、4%、8%的階躍至頻率給定;③計算調(diào)節(jié)時間及超調(diào)量;④調(diào)整空載PID參數(shù)。

（3）測試要求：調(diào)節(jié)PID參數(shù)值至最優(yōu)值。

（4）測試圖如圖1～圖4所示：

一次調(diào)頻頻差擾動量分別在±0.15 Hz、±0.20 Hz時，進行一次調(diào)頻試驗，記錄機組負荷變化。實驗結(jié)果如表2所示。

（5）結(jié)果分析：①一次調(diào)頻固有死區(qū)為+0.005 Hz，滿足技術(shù)導(dǎo)則不大于土0.02 Hz的要求。②一次調(diào)頻負荷響應(yīng)滯后時間均不大于1.5 s，滿足導(dǎo)則不大于4 s的要求。③90%目標負荷響應(yīng)時間為5.8～8.8s，滿足導(dǎo)則15 s內(nèi)達到機組響應(yīng)目標90%的要求。④負荷響應(yīng)穩(wěn)定時間為9.8～11.9 s，滿足導(dǎo)則30 s內(nèi)負荷響應(yīng)穩(wěn)定的要求。

5 一次調(diào)頻功能優(yōu)化后效果

通過調(diào)速器廠家和電科院的努力，成功完成對電站一次調(diào)頻功能的優(yōu)化。經(jīng)測試，優(yōu)化后的一次調(diào)頻功能均通過標準要求。電站機組一次調(diào)頻功能優(yōu)化后，一次調(diào)頻考核補償情況見表3。

2020年5月、6月一次調(diào)頻考核分數(shù)81.98分，較同期694.43分減少612.45分，一次調(diào)頻合格率大幅提升，電站機組功率響應(yīng)基本滿足電網(wǎng)公司要求。

目前機組一次調(diào)頻功能投入運行正常，該系統(tǒng)的功能優(yōu)化，為同類型機組及控制系統(tǒng)的優(yōu)化提供了一種可行模式。

參考文獻

[1] 鄧育林.巖灘水電站2號機組調(diào)速器功率故障原因分析及處理[J].紅水河，2020，39（3）：84-87.