水電站一次調(diào)頻與監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制建模與仿真

熊小峰，方 飚，秦毓毅，黃安多，高 峰，楊亞蘭

(國(guó)網(wǎng)四川綜合能源服務(wù)有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

西南電網(wǎng)中水電的裝機(jī)容量占比高達(dá)2/3，電網(wǎng)異步運(yùn)行后的系統(tǒng)慣量變小及抗擾動(dòng)能力變差，再加之水電機(jī)組特有的水錘效應(yīng)等問題，電力系統(tǒng)存在著低頻振蕩的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。頻率穩(wěn)定是衡量電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，目前四川大容量的水電機(jī)組都是采用了小網(wǎng)模式的控制參數(shù)，以此減弱發(fā)電機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度來降低系統(tǒng)低頻振蕩的風(fēng)險(xiǎn)[3- 4]，因此電力系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻以及二次調(diào)頻的調(diào)節(jié)能力就有了更高的要求，希望在機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作的時(shí)候，也可以通過二次調(diào)頻來調(diào)整負(fù)荷穩(wěn)定頻率，對(duì)水電機(jī)組一次調(diào)頻和監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)合理的協(xié)調(diào)配合控制邏輯和策略就顯得至關(guān)重要[5]。

目前對(duì)水電機(jī)組的系統(tǒng)建?；旧显谡{(diào)速器側(cè)進(jìn)行，即開度控制方式下進(jìn)行系統(tǒng)[6-7]建模工作，主要測(cè)試導(dǎo)葉開度對(duì)發(fā)電機(jī)組有功功率的影響，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)需要監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)退出功率控制模式，將負(fù)荷控制的權(quán)限交到調(diào)速器系統(tǒng)側(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。但機(jī)組大部分時(shí)間運(yùn)行的是監(jiān)控系統(tǒng)下的功率控制模式，進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)有功功率控制模式系統(tǒng)建模和參數(shù)測(cè)試，能夠更好的表征機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，且電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算時(shí)也需要充分考慮監(jiān)控系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)模型參數(shù)的影響，所以此項(xiàng)工作具有重要的價(jià)值和意義。此外，針對(duì)水電站一次調(diào)頻與監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制模型進(jìn)行仿真分析，便于運(yùn)維人員更好的運(yùn)行監(jiān)控和參數(shù)優(yōu)化，同時(shí)也可以為自動(dòng)發(fā)電控制提供一個(gè)模型參考，為實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的水電機(jī)組負(fù)荷控制邏輯提供一個(gè)參考和應(yīng)用。

本文對(duì)現(xiàn)有水電機(jī)組有功功率控制策略進(jìn)行分析，并對(duì)水電機(jī)組一次調(diào)頻和監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行分環(huán)節(jié)建模和參數(shù)實(shí)測(cè)，主要包括監(jiān)控系統(tǒng)的有功功率控制模型、調(diào)速器系統(tǒng)電氣模型、導(dǎo)葉液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和原動(dòng)機(jī)模型，最后提出水電站一次調(diào)頻與監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制策略，并通過建模仿真驗(yàn)證了策略的正確性。

1 水電機(jī)組有功功率控制策略分析

水電站有功功率控制包含調(diào)速器和監(jiān)控2個(gè)子系統(tǒng)，調(diào)速器系統(tǒng)直接控制導(dǎo)葉液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠最快的感知機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)做出相應(yīng)的處理和反應(yīng)，發(fā)電機(jī)組、電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行以及電網(wǎng)的電能質(zhì)量都與水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)的性能好壞密切相關(guān)。監(jiān)控系統(tǒng)是調(diào)速器系統(tǒng)的上一級(jí)控制系統(tǒng)，優(yōu)先級(jí)高于調(diào)速器系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)向調(diào)速器系統(tǒng)下發(fā)開度或者功率控制指令，調(diào)速器系統(tǒng)接收到該指令后，完成相關(guān)的動(dòng)作和控制要求。廠級(jí)AGC、電網(wǎng)調(diào)度部門給機(jī)組下發(fā)的負(fù)荷控制指令也是部署在監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)的，由此可見調(diào)速器系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)都是水電機(jī)組的核心系統(tǒng)，系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合對(duì)于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。水電機(jī)組有功功率控制的方式主要有3種情況，其控制框圖如圖1所示。

圖1 水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型

第一種方式是調(diào)速器系統(tǒng)的開度控制方式，主要是在調(diào)速器側(cè)實(shí)現(xiàn)，對(duì)開度控制方式下的控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在此種模式下，可以在調(diào)速器側(cè)進(jìn)行導(dǎo)葉開度[8]指令的生成，考慮到運(yùn)行監(jiān)控人員能夠更好的監(jiān)控機(jī)組的生產(chǎn)運(yùn)行，調(diào)速器和監(jiān)控系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)增減負(fù)荷脈沖信號(hào)的交互，從監(jiān)控上點(diǎn)擊增減負(fù)荷的脈沖信號(hào)，就可以控制負(fù)荷的增減。

第二種方式是調(diào)速器系統(tǒng)的功率控制方式，主要也是在調(diào)速器側(cè)完成，設(shè)置調(diào)速器側(cè)功率控制模式[9]的PID調(diào)節(jié)參數(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的控制，負(fù)荷設(shè)定值的生成可以在調(diào)速器系統(tǒng)側(cè)生成，也可以在監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)生成并通過系統(tǒng)間的信號(hào)交互傳到調(diào)速器側(cè)，以此獲取水電機(jī)組的負(fù)荷指令值。由于整個(gè)模擬量控制回路不斷的調(diào)整和計(jì)算，會(huì)導(dǎo)致水電機(jī)組的導(dǎo)葉在小范圍內(nèi)不斷的動(dòng)作，加上水電機(jī)組的水錘效應(yīng)，不利于抑制水電機(jī)組出現(xiàn)的低頻振蕩問題，因此該方式使用較少。

第三種控制方式是有功功率閉環(huán)調(diào)節(jié)在監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)實(shí)現(xiàn)，而調(diào)速器只接收監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)的導(dǎo)葉開度增減脈沖指令。此種方式利于運(yùn)行人員的監(jiān)視，能夠及時(shí)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況優(yōu)化控制參數(shù)，調(diào)速器系統(tǒng)相當(dāng)于提供一個(gè)通道。該控制方式可以很好的避免導(dǎo)葉頻繁動(dòng)作問題，同時(shí)通用性較強(qiáng)，目前大部分水電站均采用這種控制方式。

2 監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)建模及仿真

監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)由監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)完成有功功率的閉環(huán)負(fù)反饋控制，生成調(diào)節(jié)負(fù)荷的導(dǎo)葉增減脈沖信號(hào)，調(diào)速器側(cè)則是最基本也是最可靠的開度控制方式。而中間的橋梁則是兩個(gè)系統(tǒng)間的信號(hào)交互，用硬接線的方式連接以保證信號(hào)交互的高效可靠。在監(jiān)控系統(tǒng)有功功率控制模型中，最為重要的是功率比例調(diào)節(jié)器和脈沖寬度調(diào)制模型(PWM)。脈寬調(diào)制即脈沖信號(hào)發(fā)生器，輸入功率比例調(diào)節(jié)器作用之后的指令，輸出調(diào)節(jié)負(fù)荷的導(dǎo)葉增減脈沖信號(hào)[10]，此信號(hào)送到調(diào)速器側(cè)控制導(dǎo)葉給定指令的增、減導(dǎo)葉信號(hào)。在MATLAB Simulink中進(jìn)行模型搭建和仿真分析，建模如圖2所示。

圖2 增減導(dǎo)葉脈沖信號(hào)模型

從仿真模型中可以看出，增導(dǎo)葉、減導(dǎo)葉脈沖信號(hào)是自動(dòng)切換的，切換的條件是負(fù)荷調(diào)節(jié)的偏差值，也就是負(fù)荷指令給定值和機(jī)組實(shí)際負(fù)荷值的差值，如果偏差為正，此時(shí)應(yīng)該增加負(fù)荷，自動(dòng)切換到增導(dǎo)葉脈沖信號(hào)一路。如果負(fù)荷控制的偏差值為負(fù)數(shù)，則需要進(jìn)行降負(fù)荷的調(diào)整，那么就自動(dòng)切換到減導(dǎo)葉脈沖信號(hào)的一路。數(shù)字脈沖寬度調(diào)制是模擬量控制的一種重要方式，信號(hào)不需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式保存且能將噪聲的影響降低到最小值。只有當(dāng)噪聲的影響大于高低電平相互切換的強(qiáng)度值時(shí)，才會(huì)對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生一定的影響，就PWM與模擬量控制而言，其中一大優(yōu)點(diǎn)就是加強(qiáng)對(duì)噪聲的抵抗能力，使得所需的數(shù)字信號(hào)更加穩(wěn)定，在水電機(jī)組負(fù)荷控制中，采用數(shù)字脈沖調(diào)節(jié)的方式產(chǎn)生導(dǎo)葉的增減脈沖，導(dǎo)葉不會(huì)頻繁的來回動(dòng)作，也能夠有效的降低水輪機(jī)水錘效應(yīng)的影響，其仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 增減導(dǎo)葉脈沖信號(hào)仿真

值得注意的是，增、減導(dǎo)葉脈沖信號(hào)生成之后送到了接收端，在接收端通過信號(hào)采集方式將數(shù)字信號(hào)還原成模擬形式，調(diào)速器系統(tǒng)作為接收端接收導(dǎo)葉增減脈沖指令，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)再生成導(dǎo)葉開度指令給定值。該部分主要是導(dǎo)葉指令積分器的模型和限幅模塊，模型輸入是監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)送到調(diào)速器側(cè)的增減導(dǎo)葉脈沖信號(hào)。如果接收到的是增導(dǎo)葉脈沖信號(hào)，那么利用積分作用對(duì)信號(hào)進(jìn)行加法處理，也就在脈寬時(shí)間內(nèi)，增加了導(dǎo)葉的開度給定指令，反之則減少導(dǎo)葉的開度給定指令。特別重要的是，每一次導(dǎo)葉開度給定指令變化時(shí)，其變化大小取決于脈沖信號(hào)的寬度以及調(diào)整步長(zhǎng)。在這里需要指出，脈沖信號(hào)的調(diào)整步長(zhǎng)是需要調(diào)速器系統(tǒng)側(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)一一對(duì)應(yīng)的，并且設(shè)置為一致來進(jìn)行測(cè)試。而且該步長(zhǎng)的設(shè)置還和兩個(gè)系統(tǒng)的掃描周期有關(guān)，本系統(tǒng)中調(diào)速器系統(tǒng)的掃描周期為10 ms，而且在一個(gè)掃描周期內(nèi)導(dǎo)葉的動(dòng)作開度為0.05%，在本次仿真模型中，掃描周期為100 ms，那么一個(gè)掃描周期內(nèi)導(dǎo)葉的動(dòng)作開度為0.5%。同時(shí)增減導(dǎo)葉的開度指令大小與脈沖信號(hào)的脈寬時(shí)間有關(guān)，如果脈寬持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)葉動(dòng)作的量就越大，反之則導(dǎo)葉的動(dòng)作量就越小。目前大部分調(diào)速器系統(tǒng)的掃描周期精度是高于監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)的掃描周期精度的，如果監(jiān)控系統(tǒng)的掃描周期精度不夠的話，會(huì)出現(xiàn)若某一次導(dǎo)葉增減脈沖信號(hào)時(shí)間很短時(shí)，系統(tǒng)將無法識(shí)別到該脈沖信號(hào)，如圖4所示。

圖4 部分導(dǎo)葉增減脈沖信號(hào)失真

從圖4中可以看出，在監(jiān)控系統(tǒng)脈沖信號(hào)的脈寬時(shí)間較短時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)生成了增導(dǎo)葉脈沖信

號(hào)，但是導(dǎo)葉的開度指令卻無法接收到這個(gè)指令，所以監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)速器系統(tǒng)的掃描周期需要對(duì)應(yīng)匹配，這樣才能更高精度的實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)整。理想狀態(tài)下是脈沖信號(hào)的脈寬時(shí)間大于系統(tǒng)設(shè)置的掃描周期精度，例如監(jiān)控系統(tǒng)的掃描周期精度為100 ms，但是某一次脈沖信號(hào)的脈寬時(shí)間小于100 ms，就可能出現(xiàn)信號(hào)丟失現(xiàn)象而無法識(shí)別。

3 調(diào)速器系統(tǒng)電氣部分建模及仿真

為驗(yàn)證調(diào)速器電氣部分的模型和參數(shù)，需要分環(huán)節(jié)進(jìn)行測(cè)試，在MATLAB Simulink中搭建其控制仿真模型如圖5所示。將監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)的有功功率調(diào)節(jié)方式退出，由調(diào)速器系統(tǒng)側(cè)進(jìn)行負(fù)荷控制，在這個(gè)部分主要進(jìn)行PID控制回路的校驗(yàn)，包括比例作用、積分作用及頻率死區(qū)的校驗(yàn)。

圖5 調(diào)速器電氣部分仿真模型

首先進(jìn)行比例作用的校驗(yàn)，此時(shí)將積分系數(shù)、微分系數(shù)設(shè)置為0，完全驗(yàn)證比例作用是否和實(shí)際參數(shù)一致，此外還需要將永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp設(shè)置為0，將頻率死區(qū)設(shè)置為0。最后將比例系數(shù)設(shè)置為5，現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)如圖6所示。

如圖6所示，將頻率由50 Hz階躍至50.2 Hz，記錄頻差以及主環(huán)PID輸出的實(shí)時(shí)波形，根據(jù)波形和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以直接計(jì)算出實(shí)際過程的比例系數(shù)大小。

圖6 比例作用校驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄波

(1)

實(shí)測(cè)表明設(shè)置的參數(shù)和實(shí)際采集的數(shù)據(jù)算出來的參數(shù)是一致的，并且控制在誤差范圍之內(nèi)。接下來進(jìn)行積分作用的校驗(yàn)，為了完全獨(dú)立的驗(yàn)證積分作用大小，將比例系數(shù)設(shè)置為0，同時(shí)將死區(qū)以及永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)設(shè)置為0，積分系數(shù)設(shè)置為5，現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 積分作用校驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄波

如圖7所示，將頻率由50 Hz階躍至49.9 Hz，記錄頻差以及主環(huán)PID輸出的實(shí)時(shí)波形，根據(jù)采集到的波形和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出實(shí)際積分系數(shù)的大小

(2)

實(shí)測(cè)表明設(shè)置的積分作用的參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出來作用是一致的，在此環(huán)節(jié)中，并沒有讓微分作用起作用，因?yàn)槲⒎肿饔萌菀讓?dǎo)致系統(tǒng)振蕩，因此將微分系數(shù)Kd設(shè)置為0。最后進(jìn)行調(diào)頻死區(qū)的校驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，水電機(jī)組的一次調(diào)頻死區(qū)為0.04 Hz，將調(diào)速器的一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置為0.04 Hz，再進(jìn)行頻率階躍擾動(dòng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)記錄，試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行了頻率負(fù)向擾動(dòng)的測(cè)試，采集的波形和數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 死區(qū)作用校驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄波

從圖8可以得出，當(dāng)機(jī)組頻率從50 Hz開始，逐漸減低信號(hào)源頻率，當(dāng)頻率為49.960 Hz時(shí)，導(dǎo)葉動(dòng)作不明顯，當(dāng)變化量超過-0.042 Hz后導(dǎo)葉動(dòng)作明顯，頻率正向擾動(dòng)試驗(yàn)時(shí)動(dòng)作結(jié)果亦是如此，試驗(yàn)測(cè)試表明實(shí)際死區(qū)與設(shè)置死區(qū)相符合，將試驗(yàn)測(cè)試獲取到的控制參數(shù)設(shè)置到搭建的模型中進(jìn)行分析，其仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 調(diào)速器電氣部分仿真測(cè)試

完成了對(duì)調(diào)速器系統(tǒng)電氣部分的參數(shù)實(shí)測(cè)和仿真，接下來將對(duì)導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及原動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行建模和分析。

4 液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和原動(dòng)機(jī)模型建模及仿真

4.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型建模及仿真

對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真校驗(yàn)，首先需要對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行全開和全關(guān)試驗(yàn)，以確定導(dǎo)葉的全開時(shí)間及全關(guān)時(shí)間。值得注意的是，進(jìn)行導(dǎo)葉的全開全關(guān)試驗(yàn)時(shí)需要直接設(shè)置導(dǎo)葉開度指令的總出口，取消開度指令給定的速率限制條件，直接測(cè)試的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)油動(dòng)機(jī)的動(dòng)作特性。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)可以得出導(dǎo)葉的關(guān)閉速度，其最大關(guān)閉速度為8.77%/s，最快關(guān)閉時(shí)間11.4 s全關(guān)。根據(jù)導(dǎo)葉的全開試驗(yàn)采集的波形和數(shù)據(jù)可以計(jì)算得其開啟速度，最大開啟速度為6.71%/s，14.9 s全開。

接下來進(jìn)行導(dǎo)葉的階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，以測(cè)試油動(dòng)機(jī)速度限制沒有時(shí)的電液伺服系統(tǒng)特性，根據(jù)測(cè)得的特性來擬合得到其PID控制器的參數(shù)，其中導(dǎo)葉50%～55%小階躍擾動(dòng)和70%～50%大階躍擾動(dòng)的動(dòng)作曲線如圖10所示。

圖10 導(dǎo)葉階躍擾動(dòng)曲線

為辨識(shí)得到液壓系統(tǒng)的PID控制參數(shù)，在MATLAB Simulink中對(duì)此部分進(jìn)行建模，搭建其控制模型如圖11所示，將導(dǎo)葉的全開、全關(guān)時(shí)間，比例系數(shù)，積分系數(shù)以及一階慣性時(shí)間等參數(shù)設(shè)置到搭建的控制模型中進(jìn)行仿真測(cè)試，以驗(yàn)證控制參數(shù)是否符合實(shí)際情況。

圖11 導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模型

在搭建的模型中對(duì)導(dǎo)葉階躍的曲線進(jìn)行仿真分析，以獲得執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的相關(guān)控制參數(shù)，其中導(dǎo)葉的小階躍、大階躍仿真對(duì)比測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖12 導(dǎo)葉階躍曲線與仿真曲線對(duì)比

對(duì)比實(shí)測(cè)曲線和仿真曲線結(jié)果可以得出，搭建的導(dǎo)葉液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型能夠表征導(dǎo)葉的實(shí)際動(dòng)作情況，仿真的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)在合理的誤差范圍內(nèi)。

4.2 原動(dòng)機(jī)模型建模及仿真

水電機(jī)組功率和導(dǎo)葉的非線性關(guān)系可以用分段線性的模型來表示，在實(shí)際進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候用功率

來近似表示進(jìn)水流量，其搭建的仿真模型如圖13所示。

圖13 水輪機(jī)仿真模型控制示意

搭建的水輪機(jī)模型中輸入信號(hào)為導(dǎo)葉開度，輸出的信號(hào)為水輪機(jī)的流量，在這里直接用機(jī)組的發(fā)電功率來表示流量，搭建的模型用三段線性函數(shù)。同時(shí)通過導(dǎo)葉階躍擾動(dòng)試驗(yàn)可以確定水輪機(jī)模型的水錘效應(yīng)時(shí)間常數(shù)為-0.36和0.18，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出導(dǎo)葉變化到機(jī)組有功功率發(fā)生變化的純遲延時(shí)間約為0.3 s，水輪機(jī)模型的仿真測(cè)試如圖14所示。

圖14 水輪機(jī)模型的仿真測(cè)試

從圖14中可以看出搭建的水輪機(jī)模型與實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)相符合。

5 協(xié)調(diào)控制部分建模及仿真

目前水電機(jī)組缺乏合理的一次調(diào)頻和監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制策略，導(dǎo)致二者之間不能很好的配合，不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要和規(guī)范要求，主要有3種情況。第一種情況是監(jiān)控系統(tǒng)投入有功功率控制，但一次調(diào)頻動(dòng)作使發(fā)電機(jī)組的實(shí)際功率發(fā)生變化[11]，而監(jiān)控系統(tǒng)的有功功率指令還保持之前的數(shù)值，通過功率調(diào)節(jié)作用將機(jī)組負(fù)荷拉回，反調(diào)節(jié)現(xiàn)象抵消了一次調(diào)頻的作用。第二種情況是當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作的時(shí)候，由于一次調(diào)頻優(yōu)先級(jí)高，監(jiān)控系統(tǒng)功率控制閉鎖，有功功率負(fù)荷給定指令跟蹤當(dāng)前實(shí)際負(fù)荷，這樣雖然可以避免被反調(diào)節(jié)，但是當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作結(jié)束之后，有功功率的負(fù)荷指令卻發(fā)生了變化，更為重要的是由于閉鎖導(dǎo)致功率無法調(diào)節(jié)[12-13]，輸入新的有功功率指令不起作用。第三種情況是當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作期間，如果需要進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，下發(fā)新的有功功率指令，可以執(zhí)行新的負(fù)荷控制指令，權(quán)限再次交到監(jiān)控系統(tǒng)手中進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是一次調(diào)頻和監(jiān)控系統(tǒng)有功調(diào)節(jié)控制優(yōu)先級(jí)不明確，無法有效分析一次調(diào)頻的作用。

為了解決上述不協(xié)調(diào)的問題，提出了水電站一次調(diào)頻與監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制策略，即在監(jiān)控系統(tǒng)有功功率控制中疊加一次調(diào)頻作用的功率修正值，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組在一次調(diào)頻動(dòng)作期間，監(jiān)控系統(tǒng)功率控制能夠識(shí)別到調(diào)頻特性。水電機(jī)組在一次調(diào)頻動(dòng)作期間，不會(huì)閉鎖監(jiān)控系統(tǒng)的有功功率控制指令，當(dāng)機(jī)組接收到新的負(fù)荷指令時(shí)也可以執(zhí)行新的負(fù)荷指令。同時(shí)當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)投入有功功率調(diào)節(jié)時(shí)不會(huì)限制機(jī)組一次調(diào)頻的正常調(diào)節(jié)，進(jìn)行調(diào)頻作用的功率修正值直接疊加，可以使機(jī)組一次調(diào)頻和監(jiān)控系統(tǒng)有功功率控制指令同時(shí)動(dòng)作，二者相互獨(dú)立，且調(diào)頻疊加作用不影響原有一次調(diào)頻及監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)速度及幅度。上述優(yōu)化設(shè)計(jì)使發(fā)電機(jī)組具備更加完善的一次調(diào)頻功能且性能指標(biāo)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，優(yōu)化后的調(diào)節(jié)控制框圖如圖15所示。

圖15 協(xié)調(diào)控制優(yōu)化后調(diào)節(jié)框

需要注意的是，在調(diào)速器側(cè)的一次調(diào)頻功能使用的是發(fā)電機(jī)組頻率信號(hào)，基本上是調(diào)速器系統(tǒng)A、B套各一個(gè)，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求重要的模擬量信號(hào)需要3個(gè)，進(jìn)行三取中以保證信號(hào)的穩(wěn)定且3個(gè)信號(hào)配置在不同的卡件上。將一次調(diào)頻作用量疊加到監(jiān)控系統(tǒng)功率控制上時(shí)，需要1個(gè)頻率信號(hào)，這里采用機(jī)組頻率信號(hào)以保證和調(diào)速器側(cè)一次調(diào)頻作用所采用的頻率信號(hào)相匹配。由于部分監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)并沒有配置機(jī)組頻率信號(hào)，需要采取方法解決這個(gè)問題，有以下4種解決方法：①就地接線或者從中途端子排并聯(lián)引到監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)速卡上，這種方法會(huì)增加轉(zhuǎn)速卡成本。②從調(diào)速器系統(tǒng)側(cè)以通信的方式機(jī)組頻率信號(hào)到監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)，但水電機(jī)組的調(diào)速器和監(jiān)控系統(tǒng)是兩個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)，通信方式不能保證信號(hào)的快速可靠。③將調(diào)頻疊加作用的功率修正值計(jì)算在調(diào)速器側(cè)完成，通過模擬量進(jìn)行傳輸，此種方法不利于控制邏輯的優(yōu)化和運(yùn)行人員的監(jiān)控。④通過硬接線的方式，將調(diào)速器側(cè)的機(jī)組頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20 mA模擬量信號(hào)傳到監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)，此種方法方便高效，同時(shí)精度也能滿足生產(chǎn)控制的要求。在這里采用第4種方式使得監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)獲取發(fā)電機(jī)組的機(jī)頻信號(hào)，用于一次調(diào)頻作用的功率修正值計(jì)算，接下來將會(huì)對(duì)一次調(diào)頻疊加量的功率修正值進(jìn)行分析，在MATLAB Simulink中搭建的仿真模型如圖16所示。

圖16 一次調(diào)頻疊加量的功率修正仿真模型

水電機(jī)組調(diào)速器側(cè)的控制方式有大網(wǎng)、小網(wǎng)模式，且這兩種控制模式[14]的運(yùn)行參數(shù)和調(diào)節(jié)速度不一樣。需通過調(diào)整一次調(diào)頻疊加量的功率修正值的調(diào)節(jié)速度以匹配是大網(wǎng)模式還是小網(wǎng)模式，這里主要通過設(shè)置調(diào)頻疊加量功率修正值的一階慣性時(shí)間大小來匹配控制方式。通過仿真分析可以得出，在頻率偏差大于一次調(diào)頻死區(qū)之后，一次調(diào)頻動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間小于4 s，并且從功率值變化量看，機(jī)組負(fù)荷的增量在15 s內(nèi)達(dá)到調(diào)頻作用功率修正目標(biāo)值的百分之九十，在30 s內(nèi)達(dá)到調(diào)頻作用功率修正目標(biāo)值的穩(wěn)態(tài)，滿足兩個(gè)細(xì)則中對(duì)一次調(diào)頻控制指標(biāo)的要求，其協(xié)調(diào)控制模型仿真測(cè)試結(jié)果如圖17所示。

圖17 協(xié)調(diào)控制模型仿真測(cè)試

6 結(jié) 論

針對(duì)水電站一次調(diào)頻和監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)之間的不協(xié)調(diào)問題，對(duì)控制系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行建模仿真分析及驗(yàn)證，并提出一次調(diào)頻與監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制策略。在傳統(tǒng)調(diào)速器系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，增加了監(jiān)控系統(tǒng)的有功功率控制模型，對(duì)其中脈沖寬度調(diào)制模塊及系統(tǒng)間的掃描周期精度問題進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)速器系統(tǒng)的掃描周期不匹配會(huì)影響負(fù)荷調(diào)節(jié)精度，甚至出現(xiàn)脈沖信號(hào)丟失導(dǎo)致導(dǎo)葉拒動(dòng)。此外，本文提出水電站一次調(diào)頻與監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制策略，并在大網(wǎng)、小網(wǎng)不同控制模式下進(jìn)行了建模仿真，驗(yàn)證了控制策略的正確性。該方法已在四川部分水電站應(yīng)用，測(cè)試表明優(yōu)化后的協(xié)調(diào)控制邏輯能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及電網(wǎng)調(diào)度的要求。

水電機(jī)組的系統(tǒng)建模工作主要是針對(duì)調(diào)速器系統(tǒng)的建模，并未涉及監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)的有功功率調(diào)節(jié)模型，而監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)速器系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)具有重要的意義，因此未來的系統(tǒng)建模工作有必要計(jì)及監(jiān)控系統(tǒng)有功功率控制模型。此外，目前四川省內(nèi)大部分水電機(jī)組存在一次調(diào)頻和監(jiān)控系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)不協(xié)調(diào)問題，進(jìn)一步深入研究相應(yīng)協(xié)調(diào)控制策略的優(yōu)化具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。