某大型水力發(fā)電廠一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比合格率低原因分析及對(duì)策

熊國(guó)恩，李 桃，蘇緯強(qiáng)，楊雨杰

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051）

0 前言

水輪發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻是指發(fā)電機(jī)組并入大電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)電網(wǎng)頻率變化超過(guò)水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)規(guī)定的頻率死區(qū)時(shí)，水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)有效頻差，按永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)自行改變機(jī)組自身負(fù)荷-頻率靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性對(duì)電網(wǎng)的控制調(diào)節(jié)行為，它是防止電網(wǎng)頻率大幅波動(dòng)、維護(hù)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的重要手段[1]。根據(jù)《關(guān)于征求華中區(qū)域“兩個(gè)細(xì)則”（征求意見(jiàn)稿）意見(jiàn)的函》（華中監(jiān)能市場(chǎng)函34 號(hào)）的附件《一次調(diào)頻技術(shù)要求及指標(biāo)技術(shù)、考核度量方法》，對(duì)某大型水電站一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比合格率進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在2020 年6 月至2020 年12 月期間，該水電站各機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中一次調(diào)頻動(dòng)作頻繁，持續(xù)時(shí)間幾十秒至幾分鐘不等，某一時(shí)段一次調(diào)頻動(dòng)作記錄如表1 所示，由于實(shí)際貢獻(xiàn)電量遠(yuǎn)不及理論貢獻(xiàn)電量，導(dǎo)致一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比合格率偏低，均為4%左右，無(wú)法有效防止電網(wǎng)頻率大幅波動(dòng)、維護(hù)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定[2]。為避免執(zhí)行“兩個(gè)細(xì)則”時(shí)產(chǎn)生大量的考核電量，亟需找出不合格原因，提出應(yīng)對(duì)措施。

表1 某一時(shí)段一次調(diào)頻動(dòng)作記錄

1 一次調(diào)頻考核規(guī)則

1.1 一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比的算法

一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比=（一次調(diào)頻實(shí)際貢獻(xiàn)量/一次調(diào)頻理論貢獻(xiàn)量）×100%，即：

機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作的理論積分電量Qe的計(jì)算方法如下：

Qe=-∫tt

0t[ΔP（Δf，t）]dt

ΔP（Δf，t）=Δf（t）×Pn/fn×Kc

Δf=|ft-50|-fd

Pn—機(jī)組額定出力；

fn—系統(tǒng)頻率；

ft—對(duì)應(yīng)t 時(shí)刻電網(wǎng)頻率；

fd—人工頻率死區(qū)；

Kc—永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)；

Qi—機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作的實(shí)際積分電量。

當(dāng)系統(tǒng)頻率偏差超過(guò)各機(jī)組規(guī)定的范圍時(shí),統(tǒng)計(jì)程序自動(dòng)啟動(dòng)，以機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)點(diǎn)的實(shí)際發(fā)電P0為基點(diǎn)（取前10 s 有功出力平均值），向后積分發(fā)電變化量，直至系統(tǒng)頻率恢復(fù)到機(jī)組動(dòng)作死區(qū)以內(nèi)[3]。積分時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)為60 s，如果在60 s 之內(nèi),頻率返回到死區(qū)之內(nèi)，則積分到返回死區(qū)時(shí)刻為止。即機(jī)組的一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量Qi表示為：

式中：

Qi—機(jī)組一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量（高頻少發(fā)或低頻多發(fā)電量為正，高頻多發(fā)或低頻少發(fā)電量為負(fù)）；

t0—系統(tǒng)頻率超過(guò)機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)的時(shí)刻；

tt—系統(tǒng)頻率進(jìn)入機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)的時(shí)刻；

Pt—t時(shí)刻機(jī)組實(shí)際發(fā)電有功功率；

P0—t0時(shí)刻機(jī)組實(shí)際發(fā)電有功功率（或t0時(shí)刻前10 s 平均值）。

1.2 機(jī)組一次調(diào)頻性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）小擾動(dòng)（＜0.08 Hz）一次調(diào)頻貢獻(xiàn)率K指數(shù)K≥α1(取2 位有效數(shù)字)，N貢獻(xiàn)比取1，反之N貢獻(xiàn)比取0（α1系數(shù)按機(jī)組類型分類：水電取0.4，其它機(jī)組類型取0.5）, 大擾動(dòng)階躍形式下不合格次數(shù)N1算法為：

2）大擾動(dòng)（≥0.08 Hz）一次調(diào)頻貢獻(xiàn)率K指數(shù)K≥α2（取2 位有效數(shù)字），N貢獻(xiàn)比取1，反之N貢獻(xiàn)比取0（α2系數(shù)按機(jī)組類型分類：水電、風(fēng)電取0.6，其它機(jī)組類型取0.75）。

若電網(wǎng)頻率大擾動(dòng)非階躍形式,不合格次數(shù)N2算法為：

若電網(wǎng)頻率大擾動(dòng)階躍形式,不合格N2算法為：

式中N（i）為第i 次貢獻(xiàn)比合格；n為滿足考核條件的當(dāng)月調(diào)頻次數(shù)；T（i）為第i 次響應(yīng)滯后時(shí)間合格；Tw（i）為第i 次穩(wěn)定時(shí)間合格；n為滿足考核條件的當(dāng)月調(diào)頻次數(shù)。

2 一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比合格率偏低分析

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)AGC 與一次調(diào)頻配合影響分析

通過(guò)解讀該水電站機(jī)組PLC 程序，AGC 和一次調(diào)頻配合邏輯中有以下幾點(diǎn)不足：功率模式下，監(jiān)控系統(tǒng)未將有功設(shè)定模出量實(shí)時(shí)下發(fā)給調(diào)速器；在PID 調(diào)節(jié)退出或者開度模式時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)送給調(diào)速器的有功設(shè)定模擬量未跟蹤調(diào)速器反饋實(shí)發(fā)值；調(diào)速器未實(shí)時(shí)將一次調(diào)頻動(dòng)作有功調(diào)節(jié)量通過(guò)獨(dú)立的模擬量通道送給計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；開度模式下，只要有功設(shè)定值有變化，不論一次調(diào)頻是否動(dòng)作，未將一次調(diào)頻和有功設(shè)定值進(jìn)行疊加。由于監(jiān)控系統(tǒng)AGC 與一次調(diào)頻配合邏輯存在缺陷，無(wú)法滿足頻率和功率的控制要求，導(dǎo)致投入AGC 的機(jī)組調(diào)頻量減弱，甚至貢獻(xiàn)量為負(fù)[4]。因此，AGC 與一次調(diào)頻配合關(guān)系嚴(yán)重影響了調(diào)節(jié)效果。

2.2 一次調(diào)頻動(dòng)作閉鎖邏輯影響分析

通過(guò)分析目前該大型水電站在不同工況下的一次調(diào)頻動(dòng)作結(jié)果閉鎖邏輯以及一次調(diào)頻的最大調(diào)節(jié)量閉鎖邏輯，其存在以下幾點(diǎn)不足：①在功率模式下一次調(diào)頻會(huì)閉鎖AGC 有功調(diào)節(jié)；②在系統(tǒng)頻率偏差較大情況下，未閉鎖AGC 反向調(diào)節(jié)功能；③在開度模式下，當(dāng)有功設(shè)定值無(wú)變化、一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，未閉鎖監(jiān)控系統(tǒng)增減導(dǎo)葉開度脈沖功能，使得導(dǎo)葉響應(yīng)動(dòng)作不及時(shí)[5]。通過(guò)查詢歷史數(shù)據(jù)，各機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作調(diào)節(jié)量偏小時(shí)大多都伴隨著AGC 的反向調(diào)節(jié)，如圖1 所示，因此，該水電站未對(duì)一次調(diào)頻動(dòng)作設(shè)置完整的閉鎖邏輯也是導(dǎo)致一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比合格率低的主要原因之一。

圖1 一次調(diào)頻和AGC 協(xié)調(diào)整體動(dòng)作情況

2.3 一次調(diào)頻動(dòng)作調(diào)節(jié)量限幅影響分析

通過(guò)分析該水電站一次調(diào)頻動(dòng)作歷史數(shù)據(jù)，當(dāng)需要一次調(diào)頻動(dòng)作調(diào)節(jié)量減小時(shí)，一次調(diào)頻仍然繼續(xù)調(diào)節(jié)，使得實(shí)際貢獻(xiàn)電量小于理論貢獻(xiàn)電量，即一次調(diào)頻動(dòng)作調(diào)節(jié)量小或者進(jìn)行反向調(diào)節(jié)，最終導(dǎo)致一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比合格率低，如圖2 所示。經(jīng)解讀機(jī)組PLC 程序，該水電站監(jiān)控系統(tǒng)并未對(duì)一次調(diào)頻動(dòng)作有功調(diào)節(jié)量做限幅，同時(shí)當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作復(fù)歸時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)未將一次調(diào)頻動(dòng)作有功調(diào)節(jié)量強(qiáng)制為0 MW，使得一次調(diào)頻動(dòng)作無(wú)法實(shí)時(shí)跟隨理論貢獻(xiàn)電量值進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]，反調(diào)現(xiàn)象頻繁發(fā)生。

圖2 某時(shí)刻一次調(diào)頻反向調(diào)節(jié)

3 提高一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比合格率的對(duì)策及成效

3.1 制定對(duì)策

通過(guò)以上原因分析，結(jié)合當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行方式制定以下8 個(gè)對(duì)策：①功率模式下，將有功設(shè)定模出量實(shí)時(shí)下發(fā)給調(diào)速器，在PID 調(diào)節(jié)退出或者開度模式時(shí)，送調(diào)速器的有功設(shè)定模擬量跟蹤調(diào)速器反饋實(shí)發(fā)值；②調(diào)速器實(shí)時(shí)將一次調(diào)頻動(dòng)作有功調(diào)節(jié)量通過(guò)獨(dú)立的模擬量通道上送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；③開度模式下，當(dāng)有功設(shè)定值有變化，不論一次調(diào)頻是否動(dòng)作，有功目標(biāo)設(shè)定值=有功設(shè)定值+一次調(diào)頻動(dòng)作調(diào)節(jié)量，直到有功設(shè)定值與有功實(shí)發(fā)值的差值調(diào)整到有功調(diào)節(jié)死區(qū)內(nèi)為止；④解除功率模式下一次調(diào)頻閉鎖AGC 調(diào)節(jié)功能；⑤當(dāng)系統(tǒng)頻率偏差較大情況下（50±0.1 Hz），AGC 反向調(diào)節(jié)值為0 MW；⑥開度模式下，當(dāng)有功設(shè)定值無(wú)變化，有功設(shè)定值與有功實(shí)發(fā)值之差在有功調(diào)節(jié)死區(qū)范圍內(nèi)且一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，則監(jiān)控側(cè)增減導(dǎo)葉開度脈沖為0 MW；⑦一次調(diào)頻動(dòng)作復(fù)歸時(shí)，監(jiān)控側(cè)將一次調(diào)頻動(dòng)作有功調(diào)節(jié)量強(qiáng)制為0 MW；⑧對(duì)一次調(diào)頻動(dòng)作有功調(diào)節(jié)量做限幅,一次調(diào)頻有功調(diào)節(jié)量最大為±15 MW。

執(zhí)行上述對(duì)策后，監(jiān)控LCU 與一次調(diào)頻的配合邏輯為：當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作至復(fù)歸期間，監(jiān)控LCU 側(cè)無(wú)新的設(shè)定值時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)程序閉鎖開度閉環(huán)，LCU不發(fā)增減脈沖令，不干預(yù)一次調(diào)頻調(diào)節(jié)。當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作結(jié)束時(shí)調(diào)速器回調(diào)機(jī)組有功，監(jiān)控LCU 為避免調(diào)速器和監(jiān)控同時(shí)調(diào)節(jié)造成超調(diào)，監(jiān)控LCU 程序設(shè)定延時(shí)30 s 后投入開度閉環(huán)，正常調(diào)節(jié)負(fù)荷。當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作至復(fù)歸期間，監(jiān)控LCU 側(cè)有新的設(shè)定值下發(fā)，監(jiān)控LCU 程序?qū)⒄{(diào)速器一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量與設(shè)定值疊加，發(fā)增減脈沖令調(diào)整負(fù)荷，兩者同時(shí)調(diào)節(jié)，同時(shí)動(dòng)作，同方向調(diào)節(jié)會(huì)存在超調(diào)現(xiàn)象，這種超調(diào)現(xiàn)象無(wú)法避免，在頻擾0.1 Hz 時(shí)超調(diào)量一般在10 MW 左右。

3.2 對(duì)策成效

2021 年6 月前，結(jié)合各機(jī)組檢修工作，該水電站執(zhí)行了上述8 項(xiàng)對(duì)策，取得較好成效。提取2021年7 月11 日11:29:37.300～11:29:47.300 的1 號(hào) 機(jī)組有功功率計(jì)算一次調(diào)頻動(dòng)作開始前10 s 的平均功率，即基點(diǎn)功率Po=100.446 3 MW。通過(guò)提取11:29:47.300～11:31:34.200 的1 號(hào)機(jī)組有功功率和電網(wǎng)側(cè)頻率，并結(jié)合考核規(guī)則相關(guān)公式計(jì)算理論貢獻(xiàn)電量和實(shí)際貢獻(xiàn)電量，最終計(jì)算出本次一次調(diào)頻動(dòng)作的電量貢獻(xiàn)比，計(jì)算過(guò)程如下。

Δf=|ft-50-0.04|；

Qe=時(shí)間段內(nèi)積分{（Δf×150×1 000 ×100）/（50×0.04）/1 000/3 600}；

Qi=時(shí)間段內(nèi)積分{（Po-實(shí)際功率)×1 000×100/1 000/3 600}；

K=Qi/Qe×100%.

時(shí)間段積分已將時(shí)間換算為秒。式中：Pn=150 MW，fd=0.04 Hz，Kc=0.04。

通過(guò)上述計(jì)算公式，計(jì)算出本次一次調(diào)頻動(dòng)作的理論貢獻(xiàn)電量為9.3784 kW·h，實(shí)際貢獻(xiàn)電量為6.356 7 kW·h，一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比約為67.78%，相比執(zhí)行對(duì)策前一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比合格率大幅度提升。通過(guò)提取2021 年7 月至10 月一次調(diào)頻動(dòng)作數(shù)據(jù)與執(zhí)行對(duì)策前2020 年7 月至10 月的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖3 所示，可以看出，一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比合格率由原來(lái)的4%上升至67%，大大降低了省調(diào)對(duì)一次調(diào)頻的考核程度，為水電站帶來(lái)上百萬(wàn)元的直接經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)有效減輕發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，使機(jī)組一次設(shè)備往正確方向動(dòng)作，使得設(shè)備的運(yùn)行壽命增長(zhǎng)，發(fā)電量隨之增多，達(dá)到節(jié)能增效的目的。

圖3 一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比合格率對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期處在一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比合格率低的工況下運(yùn)行不論是對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)系統(tǒng)都會(huì)造成傷害，無(wú)法維護(hù)電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定，電廠也會(huì)因此而受到相關(guān)考核[7]。文章詳細(xì)分析了某大型水電廠一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比合格率低的原因，并據(jù)此提出了切實(shí)可行的控制措施，同時(shí)由于西南電網(wǎng)的異步運(yùn)行使得電網(wǎng)頻率波動(dòng)更為頻繁，本次研究有利于電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，也為其他電廠一次調(diào)頻貢獻(xiàn)比合格率的提升方法提供改善方向，對(duì)同行水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有較大參考價(jià)值。