大藤峽電廠7 號(hào)機(jī)組一次調(diào)頻相關(guān)試驗(yàn)

程俊才，周精明，陳 晗

（廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 537226）

1 引言

電網(wǎng)頻率必須穩(wěn)定于額定頻率（50 Hz）附近，過高或過低的頻率都會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生危害，對(duì)于用戶：電網(wǎng)頻率過高或過低不僅會(huì)損壞電器而且會(huì)因電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，影響精加工產(chǎn)品的加工質(zhì)量；對(duì)于發(fā)電及變電系統(tǒng)：當(dāng)電網(wǎng)頻率較低時(shí)變壓器的勵(lì)磁電流和鐵磁損耗也會(huì)增加，在同等負(fù)荷下變壓器的溫度有所增高，為滿足變壓器穩(wěn)定運(yùn)行必須降低其負(fù)荷。

一次調(diào)頻是水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)動(dòng)作的一個(gè)過程，是相對(duì)電網(wǎng)額定頻率而言的，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷產(chǎn)生變化實(shí)時(shí)電網(wǎng)頻率與額定電網(wǎng)頻率產(chǎn)生偏差（不論是大于還是小于）且大于頻率死區(qū)后，水輪發(fā)電機(jī)組便會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)，根據(jù)頻率偏差Δf與永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp成反比的關(guān)系，通過增加或者減少水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉的開度從而改變有功功率進(jìn)而減小實(shí)時(shí)電網(wǎng)頻率與額定電網(wǎng)頻率的偏差，這個(gè)過程稱為調(diào)速器系統(tǒng)一次調(diào)頻自動(dòng)動(dòng)作過程。在電網(wǎng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),機(jī)組一次調(diào)頻功能的發(fā)揮對(duì)電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定起到非常重要的作用[1]。

2 一次調(diào)頻技術(shù)要求

因水電機(jī)組相對(duì)火電機(jī)組調(diào)節(jié)過程簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)幅度大、可調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)；相對(duì)容量較小不能滿足電網(wǎng)基荷等缺點(diǎn)在電力系統(tǒng)中主要承擔(dān)調(diào)頻、調(diào)峰任務(wù)。在電網(wǎng)突然發(fā)生重大負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，水電機(jī)組一次調(diào)頻在毫秒級(jí)別內(nèi)作出反應(yīng)提供有功功率支援，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性；對(duì)于在較短時(shí)間內(nèi)負(fù)荷波動(dòng)的情況可以優(yōu)化電力系統(tǒng)調(diào)度，減小二次調(diào)頻動(dòng)作次數(shù)。根據(jù)《南方區(qū)域“兩個(gè)細(xì)則”》,水電機(jī)組重要的調(diào)頻技術(shù)指標(biāo)主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）水輪發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)應(yīng)小于等于±0.05 Hz；

（2）水輪發(fā)電機(jī)組永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)小于等于4%；

（3）當(dāng)電網(wǎng)頻率變化達(dá)到一次調(diào)頻動(dòng)作值到機(jī)組負(fù)荷開始變化所需的時(shí)間為一次調(diào)頻的響應(yīng)滯后時(shí)間，應(yīng)小于或等于3 s；

（4）機(jī)組參與一次調(diào)頻過程中，在電網(wǎng)頻率穩(wěn)定后，機(jī)組負(fù)荷達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間為一次調(diào)頻穩(wěn)定時(shí)間，應(yīng)小于60 s；

（5）AGC 功能不得和一次調(diào)頻功能相互沖突[2,3]。

3 調(diào)速系統(tǒng)測(cè)頻回路校準(zhǔn)試驗(yàn)

因機(jī)組在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有一個(gè)頻率死區(qū)0.05 Hz,當(dāng)電網(wǎng)頻率與機(jī)組頻率差值的絕對(duì)值小于頻率死區(qū)時(shí)機(jī)組正常不動(dòng)作，但是當(dāng)電網(wǎng)頻率與機(jī)組頻率差值的絕對(duì)值大于死區(qū)后一次調(diào)頻應(yīng)立即動(dòng)作。當(dāng)機(jī)組在死區(qū)內(nèi)提前動(dòng)作或者大于死區(qū)后動(dòng)作過慢或者不動(dòng)作都會(huì)被調(diào)度統(tǒng)計(jì)為不合格動(dòng)作,因?yàn)檎{(diào)度是在機(jī)組頻率正好越過死區(qū)時(shí)才開始統(tǒng)計(jì)機(jī)組是否可靠動(dòng)作；如果機(jī)組在調(diào)度統(tǒng)計(jì)前動(dòng)作，電網(wǎng)考核時(shí)就不會(huì)認(rèn)定機(jī)組一次調(diào)頻正常動(dòng)作,相反如果機(jī)組在越過頻率死區(qū)后動(dòng)作過慢或者不動(dòng)作就違反了南方電網(wǎng)兩個(gè)細(xì)則的要求，所以必須在一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時(shí)間內(nèi)動(dòng)作才算正確動(dòng)作。這就像軍訓(xùn)時(shí)踢正步一樣，當(dāng)教練喊出口令時(shí)才能動(dòng)，行動(dòng)和口令必須保持一致,對(duì)于一次調(diào)頻正確動(dòng)作來說系統(tǒng)頻率偏移0.05 Hz 的瞬間就是系統(tǒng)發(fā)出的動(dòng)作指令,早了晚了都是不合格。這一點(diǎn)是提高動(dòng)作正確率的關(guān)鍵點(diǎn)，所以調(diào)速器系統(tǒng)測(cè)頻回路的精度也是機(jī)組一次調(diào)頻能否正確動(dòng)作的一項(xiàng)重要因素[4]。

試驗(yàn)條件：機(jī)組停機(jī)，調(diào)速器綜合測(cè)試儀工頻信號(hào)接入調(diào)速器電氣控制柜機(jī)頻和網(wǎng)頻信號(hào)端子上。

試驗(yàn)過程：利用調(diào)速器綜合測(cè)試儀對(duì)調(diào)速器電氣控制柜發(fā)送頻率信號(hào)，在電氣控制柜觸摸屏上查看相應(yīng)的頻率數(shù)值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 調(diào)速器測(cè)頻回路校準(zhǔn)記錄

通過調(diào)速器綜合測(cè)試儀仿真頻率與調(diào)速系統(tǒng)測(cè)頻回路進(jìn)行比對(duì)，機(jī)組頻率和電網(wǎng)頻率回路誤差在49.900～50.100 Hz 范圍內(nèi)最大誤差為0.001 Hz，符合給定50±0.1 Hz 頻率范圍內(nèi)的測(cè)頻誤差最大值在0.005 Hz 以內(nèi)的要求。

4 調(diào)速器綜合固有死區(qū)測(cè)定試驗(yàn)

機(jī)組在50 Hz 基礎(chǔ)上施加正負(fù)階躍頻率偏差信號(hào)，直到導(dǎo)葉開度及有功功率開始產(chǎn)生相應(yīng)變化，且一次調(diào)頻動(dòng)作開關(guān)量發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，此時(shí)的階躍頻率偏差為一次調(diào)頻動(dòng)作偏差頻率，此頻率與設(shè)定的人工死區(qū)的差值即為調(diào)速器系統(tǒng)的固有死區(qū)。固有死區(qū)的大小也是影響機(jī)組一次調(diào)頻能否正常動(dòng)作的一項(xiàng)重要因素。

試驗(yàn)條件：機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)并記錄當(dāng)時(shí)的有功功率、導(dǎo)葉開度、槳葉開度數(shù)值，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp設(shè)值4%，試驗(yàn)水頭約為16.6 m，調(diào)速器系統(tǒng)一次調(diào)頻動(dòng)作人工死區(qū)設(shè)值0.050 Hz。

試驗(yàn)過程：利用調(diào)速器仿真儀發(fā)出上擾一定量的頻率信號(hào)，通過錄波觀察當(dāng)機(jī)組導(dǎo)葉開始響應(yīng)及一次調(diào)頻開關(guān)量動(dòng)作時(shí)記錄調(diào)速器機(jī)頻的頻率數(shù)值；同理通過發(fā)出下擾一定量的頻率信號(hào)錄波觀察[5]。

通過波形分析當(dāng)原動(dòng)機(jī)調(diào)速器仿真儀發(fā)出頻率上擾0.050 Hz 即調(diào)速器機(jī)組頻率為50.050 Hz 時(shí)，導(dǎo)葉開始響應(yīng)動(dòng)作及一次調(diào)頻動(dòng)作開關(guān)量發(fā)出動(dòng)作信號(hào)；當(dāng)原動(dòng)機(jī)調(diào)速器仿真儀發(fā)出頻率下擾0.051 Hz 即調(diào)速器機(jī)組頻率為49.949 Hz 時(shí)，導(dǎo)葉開始響應(yīng)動(dòng)作及一次調(diào)頻動(dòng)作開關(guān)量發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。因設(shè)定一次調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)為0.050 Hz，可知調(diào)速器綜合固有死區(qū)向上接近為0.000 Hz，機(jī)組調(diào)速器綜合固有死區(qū)向下為0.001 Hz。機(jī)組綜合固有死區(qū)波形見圖1、圖2。

圖1 機(jī)組綜合固有死區(qū)上階躍波形

圖2 機(jī)組綜合固有死區(qū)下階躍波形

通過波形及數(shù)據(jù)分析可得，機(jī)組轉(zhuǎn)速死區(qū)ix（遲緩 率）= △f/f0×100%=0.001/50×100%=0.002%；符合“單機(jī)容量10 萬kW～20 萬kW（包括20 萬kW），遲緩率小于0.1%的要求”。

5 永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp 校驗(yàn)試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：進(jìn)水口閘門、尾水閘門全關(guān)流道無水；永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)設(shè)值為4%；導(dǎo)葉開限100%；導(dǎo)葉開度50%；模擬機(jī)組大網(wǎng)發(fā)電態(tài)。

試驗(yàn)過程：

（1）機(jī)組仿真儀的導(dǎo)葉開度反饋、槳葉開度反饋、機(jī)組機(jī)頻信號(hào)、有功功率信號(hào)、一次調(diào)頻動(dòng)作信號(hào)分別接到調(diào)速器電氣控制柜的對(duì)應(yīng)端子上；

（2）用短接線短接調(diào)速器電氣控制柜的開機(jī)令并松開；

（3）用短接線短接調(diào)速器系統(tǒng)的斷路器合閘令并保持模擬機(jī)組大網(wǎng)發(fā)電態(tài)；

（4）將機(jī)組仿真儀頻率從50.000 Hz 開始，以0.10 Hz 的步長遞增使導(dǎo)葉全關(guān)后，再以同樣的步長遞減使導(dǎo)葉全開，其中每間隔0.10 Hz 記錄一次機(jī)組頻率和相應(yīng)導(dǎo)葉開度值。永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)波形見圖3。

圖3 bp=4%時(shí)靜態(tài)特性試驗(yàn)波形

永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)的計(jì)算方法為圖3 所示的斜率：bp=-×100%=4.00%

6 一次調(diào)頻試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，bP=4%,Kp=5%，Ki=4，Kd=0，調(diào)速器系統(tǒng)人工死區(qū)設(shè)為±0.05 Hz。

試驗(yàn)過程：

（1）機(jī)組仿真儀的導(dǎo)葉開度反饋、槳葉開度反饋、機(jī)組機(jī)頻信號(hào)、有功功率信號(hào)、一次調(diào)頻動(dòng)作信號(hào)分別接到調(diào)速器電氣控制柜的對(duì)應(yīng)端子上；

（2）機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)發(fā)電；

（3）在給定機(jī)組仿真儀50 Hz 頻率基礎(chǔ)上，給調(diào)速器分別施加±0.1 Hz、±0.15 Hz、±0.2 Hz 的階躍頻率擾動(dòng)信號(hào)，每個(gè)信號(hào)保持60 s 以上，用以檢查一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間是否小于3 s；電網(wǎng)頻率變化超過機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)是否在60 s 內(nèi)實(shí)際出力達(dá)到穩(wěn)定值，試驗(yàn)過程全程錄波。以±0.1 Hz為例波形見圖4。

圖4 一次調(diào)頻試驗(yàn)波形

7 一次調(diào)頻策略

根據(jù)一次調(diào)頻策略一次調(diào)頻調(diào)節(jié)過程如下：

如果一次調(diào)頻功能投入=1 且頻率偏差大于頻率死區(qū)，一次調(diào)頻將動(dòng)作；調(diào)節(jié)量計(jì)算公式如下：

Y=-（（Δf）/50）/0.04）×100%

其中，0.04 為上述實(shí)驗(yàn)得出的永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp，一般設(shè)置為4%；Δf為超過死區(qū)部分的頻差；Y為一次調(diào)頻調(diào)節(jié)產(chǎn)生的開度。

8 一次調(diào)頻與監(jiān)控聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：機(jī)組調(diào)速器與監(jiān)控系統(tǒng)間通信已建立完備能正常下發(fā)有功增加和減小令；永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp設(shè)值為4%、比例增益Kp設(shè)值為5%、積分增益Ki設(shè)值為4、微分增益Kd設(shè)值為0；試驗(yàn)水頭約為16.6 m；調(diào)速器系統(tǒng)人工死區(qū)設(shè)值為±0.049 Hz。

試驗(yàn)過程：機(jī)組帶初始有功功率85 MW，在16.344 s，由調(diào)速器系統(tǒng)仿真儀出發(fā)-0.10 Hz 的頻差信號(hào)使機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作，機(jī)組有功隨即增加，當(dāng)?shù)?5.343 s，由監(jiān)控發(fā)出7 號(hào)機(jī)組有功功率減小至60 MW 的減小令，機(jī)組有功隨即呈階梯狀減小，第76.693 s，機(jī)組有功穩(wěn)定在62.492 MW，當(dāng)?shù)?00.441 s由調(diào)速器仿真儀發(fā)出+0.10 Hz 頻差信號(hào)使一次調(diào)頻復(fù)歸，有功功率繼續(xù)減小，第118.741 s 機(jī)組有功功率穩(wěn)定在58.589 MW[5]。一次調(diào)頻與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)波形見圖5。

圖5 一次調(diào)頻與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)波形

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和波形分析，當(dāng)機(jī)組執(zhí)行一次調(diào)頻指令過程中，遇到監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)指令時(shí)，機(jī)組能夠正確執(zhí)行監(jiān)控的調(diào)節(jié)指令；機(jī)組執(zhí)行監(jiān)控有功調(diào)節(jié)過程中，一次調(diào)頻也能夠正常動(dòng)作和復(fù)歸，即一次調(diào)頻和監(jiān)控有功調(diào)節(jié)互不干擾。滿足《南方區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》中AGC 功能不得和一次調(diào)頻功能相互沖突。

9 跟蹤電網(wǎng)頻率響應(yīng)運(yùn)行試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp設(shè)值為4%、比例增益Kp設(shè)值為5%、積分增益Ki設(shè)值為4、微分增益Kd設(shè)值為0；試驗(yàn)水頭約為16.6 m；因試驗(yàn)時(shí)電網(wǎng)頻率相對(duì)穩(wěn)定，調(diào)速器一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)值為±0.015 Hz。

試驗(yàn)過程：通過仿真儀對(duì)電網(wǎng)頻率、有功功率、導(dǎo)葉開度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)錄波，記錄電網(wǎng)頻率越過一次調(diào)頻死區(qū)（50±0.015 Hz）時(shí)調(diào)速器的工作情況。跟蹤電網(wǎng)頻率響應(yīng)運(yùn)行試驗(yàn)波形見圖6。

圖6 跟蹤電網(wǎng)頻率響應(yīng)運(yùn)行試驗(yàn)波形

通過真實(shí)跟蹤電網(wǎng)頻率驗(yàn)證調(diào)速器一次調(diào)頻功能能夠根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化而正確執(zhí)行邏輯功能。

10 主要試驗(yàn)結(jié)論

（1）大藤峽電廠7 號(hào)機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)值為±0.05 Hz；

（2）大藤峽電廠7 號(hào)機(jī)組永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)設(shè)值4%；

（3）根據(jù)一次調(diào)頻試驗(yàn)測(cè)得一次調(diào)頻的響應(yīng)滯后平均時(shí)間為1.06 s，滿足《南方區(qū)域“兩個(gè)細(xì)則”》中小于等于3 s 的要求；一次調(diào)頻穩(wěn)定平均時(shí)間為28.097 5 s，滿足《南方區(qū)域“兩個(gè)細(xì)則”》中小于等于60 s 的要求；

（4）目前大藤峽電廠還在建設(shè)期，AGC 功能暫未投入。

11 總結(jié)

根據(jù)一次調(diào)頻波形分析，大藤峽電廠7 號(hào)機(jī)組一次調(diào)頻功能完備，機(jī)組的一次調(diào)頻功能各實(shí)測(cè)性能指標(biāo)滿足《南方區(qū)域“兩個(gè)細(xì)則”》一次調(diào)頻要求。通過機(jī)組試驗(yàn)期間對(duì)一次調(diào)頻的跟蹤調(diào)試，對(duì)調(diào)速器系統(tǒng)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。