水電機(jī)組一次調(diào)頻功率模式PID 參數(shù)與水頭協(xié)聯(lián)機(jī)制研究

程 實(shí),翟玉杰,周立成,朱 斌

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

電網(wǎng)頻率控制的手段有一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、高頻切機(jī)、自動低頻減負(fù)載和機(jī)組低頻自啟動等，其中一次調(diào)頻和二次調(diào)頻與水輪機(jī)控制系統(tǒng)有著密切的關(guān)系[1]。水電機(jī)組在電力系統(tǒng)中主要承擔(dān)調(diào)頻、調(diào)峰任務(wù)，與火電機(jī)組相比，具有調(diào)節(jié)過程簡單、負(fù)荷調(diào)節(jié)速率快、調(diào)節(jié)幅度大、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，因此水電機(jī)組一次調(diào)頻功能對整個電力系統(tǒng)安全運(yùn)行起著非常重要的作用[2]。

某巨型水電站機(jī)組運(yùn)行水頭變化大，開度模式下高水頭的PID 參數(shù)基本適用于低水頭；功率模式下，由于機(jī)組高、低水頭變化幅度較大，一組固定的PID參數(shù)無法滿足一次調(diào)頻要求，因此需要投入與水頭協(xié)聯(lián)的PID 參數(shù)，即適應(yīng)式變參數(shù)PID，在不同水頭下選擇不同PID 參數(shù)，以滿足一次調(diào)頻全水頭適應(yīng)性需求[3]。該巨型水電站通過程序修改和大量試驗(yàn)，成功解決水頭變化對一次調(diào)頻功率模式調(diào)節(jié)性能的影響。

1 水電機(jī)組一次調(diào)頻性能指標(biāo)

（1）水電機(jī)組一次調(diào)頻技術(shù)指標(biāo)[4]

永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp不大于4%（或調(diào)差率ep不大于3%）；轉(zhuǎn)速死區(qū)ix設(shè)為0.04%；調(diào)頻死區(qū)不大于±0.05 Hz；一次調(diào)頻的功率調(diào)整幅度應(yīng)考慮對機(jī)組的最大和最小負(fù)荷限制和避開振動區(qū)與空化區(qū)運(yùn)行。

（2）一次調(diào)頻階躍響應(yīng)的要求

1）開度模式：一次調(diào)頻開度響應(yīng)滯后時間thx應(yīng)不大于2 s；接力器位移達(dá)到90%目標(biāo)值的上升時間t0.9應(yīng)不大于12 s；開度調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定所經(jīng)歷的時間ts不大于24 s。

2）功率模式：一次調(diào)頻功率響應(yīng)滯后時間thx，對于額定水頭50 m 及以上的水電機(jī)組，不大于4 s；機(jī)組有功達(dá)到90%目標(biāo)值的上升時間t0.9應(yīng)不大于15 s；功率調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定所經(jīng)歷的時間ts不大于30 s。

2 一次調(diào)頻功率模式

圖1 為某巨型水電站調(diào)速器功率模式PID 結(jié)構(gòu)框圖，功率反饋信號與功率給定信號經(jīng)諧波處理后，通過功率-開度協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線將功率信號轉(zhuǎn)化為開度信號，兩個開度信號差值與頻差信號經(jīng)bp折算的開度疊加量一起進(jìn)入PID 模塊，其調(diào)節(jié)量實(shí)際為導(dǎo)葉開度，因此，功率限制功能無法準(zhǔn)確控制調(diào)速器在一次調(diào)頻動作時所收到的真實(shí)功率給定值。

圖1 功率模式PID 框圖

由于功率-開度協(xié)聯(lián)曲線與水頭相關(guān)聯(lián)，功率模式下調(diào)差率ep是通過功率-開度協(xié)聯(lián)曲線與bp折算而成。電站在豐水期和枯水期，水頭變化范圍在71～110 m，水頭落差較大，因此，機(jī)組在不同水頭下，相同開度調(diào)節(jié)量對應(yīng)的功率調(diào)節(jié)量不同，將影響一次調(diào)頻動作后功率目標(biāo)值，導(dǎo)葉開度的變化速度在不同水頭下對應(yīng)的功率變化速度也不同，將影響一次調(diào)頻功率調(diào)節(jié)的速度，最終影響功率達(dá)到目標(biāo)值的調(diào)節(jié)時間，所以無法保證在整個調(diào)節(jié)過程都滿足一次調(diào)頻性能指標(biāo)。

在109.6 m 水頭，模擬頻率階躍+0.1 Hz，頻差為+0.05 Hz，PID 參數(shù)為Kp=12，Ki=2.8，Kd=0。調(diào)差率ep折算為1.535%小于3%，調(diào)節(jié)時間、上升時間、滯后時間均滿足《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》（下文簡稱《導(dǎo)則》）相關(guān)要求，一次調(diào)頻指標(biāo)如表1 所示。

表1 水頭109.6 m 功率模式頻率+0.1 Hz 階躍擾動一次調(diào)頻指標(biāo)

在78.1 m 水頭，模擬頻率階躍+0.1 Hz，頻差為+0.05 Hz，PID 參數(shù)為Kp=12，Ki=2.8，Kd=0。調(diào)差率ep折算為2.573%小于3%，滿足《導(dǎo)則》相關(guān)要求，而調(diào)節(jié)時間、上升時間、滯后時間都不滿足，一次調(diào)頻指標(biāo)如表2 所示，所以在低水頭原PID 參數(shù)已無法滿足《導(dǎo)則》中關(guān)于調(diào)節(jié)時間的要求，需要重新優(yōu)選PID 參數(shù)，來滿足一次調(diào)頻功率調(diào)節(jié)速度的要求。

表2 水頭78.1 m 功率模式頻率+0.1 Hz 階躍擾動一次調(diào)頻指標(biāo)

功率模式下，由于機(jī)組水頭變化幅度較大，一組固定的PID 參數(shù)無法滿足一次調(diào)頻要求，因此需要在不同水頭下選擇不同PID 參數(shù)，以滿足一次調(diào)頻全水頭適應(yīng)性需求。

3 一次調(diào)頻功能優(yōu)化

為滿足一次調(diào)頻相關(guān)要求，需要對調(diào)速器程序進(jìn)行修改，同時還需要進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，優(yōu)選各水頭下運(yùn)行參數(shù)，為確保本優(yōu)化方案不會對調(diào)速器運(yùn)行造成不利影響，在不改變原有PID 結(jié)構(gòu)的前提下，對調(diào)速器部分程序進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 功率模式調(diào)差率ep 設(shè)置

功率模式下調(diào)差率ep是通過功率-開度協(xié)聯(lián)曲線與bp折算而成，在水輪機(jī)特性曲線的末端相同開度信號變化值對應(yīng)的負(fù)荷變化值越來越小[5]。通過設(shè)置bp來間接限制調(diào)差率ep的變化范圍，修改bp來測試調(diào)差率ep在水頭71～110 m 之間的變化范圍，將調(diào)差率ep的變化范圍按不大于3%控制。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，設(shè)置合適的bp值在滿足《導(dǎo)則》要求的前提下，使折算得到的調(diào)差率ep在全水頭都滿足《導(dǎo)則》相關(guān)要求。

3.2 功率模式一次調(diào)頻PID 參數(shù)與水頭協(xié)聯(lián)功能開發(fā)

功率模式的調(diào)速器PID 結(jié)構(gòu)采用PI 控制規(guī)律。有功反饋與有功給定經(jīng)過功率- 開度協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線后，轉(zhuǎn)化為開度信號，由于功率-開度協(xié)聯(lián)曲線與水頭協(xié)聯(lián)，所以在功率模式下，根據(jù)不同水頭需選擇不同PID 參數(shù)，以滿足一次調(diào)頻性能指標(biāo)。電站依據(jù)調(diào)速器PID 結(jié)構(gòu)，已建立水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型，模擬機(jī)組在不同工況下的一次調(diào)頻過程與實(shí)測機(jī)組調(diào)節(jié)品質(zhì)進(jìn)行比較，程序中功率模式一次調(diào)頻的PID 參數(shù)與水頭曲線表采用查表算法，如圖2所示。其中X_1、X_2、……、X_10 為水頭值；Y_1、Y_2、……、Y_10 為PID 參數(shù)值。通過一次調(diào)頻有水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一套PID 參數(shù)可適應(yīng)5～10 m 水頭的變化，因此只需將一次調(diào)頻功率模式的PID 參數(shù)與水頭曲線進(jìn)行查表計(jì)算，將30 m 水頭變化值，分為3～5 段，通過現(xiàn)場一次調(diào)頻有水試驗(yàn)測定或水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型計(jì)算，對各水頭下的一次調(diào)頻功率PID 參數(shù)進(jìn)行修訂，以滿足全水頭下一次調(diào)頻功率模式相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則要求。

圖2 一次調(diào)頻水頭-PID 參數(shù)查表

如表3 所示，新程序查表算法其中X_IN為當(dāng)前水頭，Y_OUT為查表獲得PID 參數(shù)值。m1-2為水頭X_1 與X_2 水頭之間的區(qū)間點(diǎn)，m2-3為水頭X_2與X_3 水頭之間的區(qū)間點(diǎn)，水頭值進(jìn)入查表模塊，先對其進(jìn)行水頭計(jì)算，確定當(dāng)前水頭值對應(yīng)的水頭區(qū)間，再將該區(qū)間優(yōu)選后的PID 參數(shù)由Y_OUT輸出。為方便進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)，程序中還設(shè)置有一組固定的PID 參數(shù)，并可通過使能開關(guān)進(jìn)行切換，如圖3 所示。

表3 一次調(diào)頻水頭-PID 參數(shù)查表算法

圖3 變水頭適應(yīng)式PID 參數(shù)Kp 選擇框圖

3.3 一次調(diào)頻限幅功能開發(fā)

調(diào)速器一次調(diào)頻程序中，在進(jìn)行頻差與功率疊加量折算前，對頻差進(jìn)行限幅，頻率限幅0.15 Hz，進(jìn)而限制一次調(diào)頻功率疊加量，同時對電氣開限進(jìn)行修改，采用開度限制線嚴(yán)格控制機(jī)組在接近滿負(fù)荷運(yùn)行時，低頻差一次調(diào)頻動作導(dǎo)致機(jī)組過負(fù)荷情況的發(fā)生，此方法需要重新修訂水頭開限定值單，而當(dāng)出現(xiàn)50.15 Hz 這樣的大頻差時，此方法無法限制機(jī)組低功率運(yùn)行，但一次調(diào)頻動作時間相對較短，且電網(wǎng)較難出現(xiàn)50.15 Hz 這樣的大頻率波動，機(jī)組短時間處于低功率振動區(qū)運(yùn)行的情況可接受。

4 一次調(diào)頻動作性能指標(biāo)分析

程序修改后，在78.1 m 水頭，模擬頻率階躍+0.1 Hz，頻差為+0.05 Hz，PID 參數(shù)為Kp=12，Ki=4.5，Kd=0。進(jìn)行功率模式下一次調(diào)頻頻率上擾階躍試驗(yàn)，如圖4 所示。首先，其機(jī)組功率調(diào)節(jié)過程存在一個短暫的反調(diào)過程，即功率本應(yīng)向下調(diào)節(jié)的過程，在初始時刻會先向反方向調(diào)節(jié)，再向正確方向動作，在數(shù)據(jù)整理時，將自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開始，至機(jī)組有功功率反調(diào)后再次回到擾前功率的時間記為滯后時間thx。其次，機(jī)組功率調(diào)節(jié)到穩(wěn)定功率的過程是一個漸進(jìn)而非階躍的過程，機(jī)組呈弧線形到達(dá)穩(wěn)定功率，數(shù)據(jù)整理過程中，算出總的功率變化ΔP，并算出90%ΔP和95%ΔP的值，找到調(diào)節(jié)過程中自頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)開始到機(jī)組有功功率達(dá)到這兩個變化量所用時間，即可分別記為t0.9和ts。

圖4 功率模式一次調(diào)頻調(diào)節(jié)過程

按照所述標(biāo)準(zhǔn)，讀圖可得該擾動過程相應(yīng)調(diào)節(jié)過程的參數(shù)如表4 所示，分別對功率模式頻率上擾及頻率下擾過程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可得該機(jī)組功率模式下的PID 參數(shù)均滿足國標(biāo)考核標(biāo)準(zhǔn)。

表4 頻率由100%→100.4%過程試驗(yàn)結(jié)果

機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果表明：自主開發(fā)的一次調(diào)頻功能正常，方向明確，人工死區(qū)設(shè)置0.05 Hz,實(shí)測0.053 Hz 滿足要求，一次調(diào)頻滯后時間小于4 s，開度模式12 s 內(nèi)可達(dá)到調(diào)節(jié)目標(biāo)90%，24 s 內(nèi)機(jī)組實(shí)際出力進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)。功率模式15 s 內(nèi)可達(dá)到調(diào)節(jié)目標(biāo)90%，30 s 內(nèi)機(jī)組實(shí)際出力進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)，滿足涉網(wǎng)試驗(yàn)要求，積分電量考核也滿足電網(wǎng)公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 總結(jié)

通過自主研究，開發(fā)機(jī)組一次調(diào)頻功能，完全自主設(shè)計(jì)并實(shí)施了調(diào)速器核心程序修改。自主開發(fā)的一次調(diào)頻功能經(jīng)相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，表明一次調(diào)頻指令與反饋功能正常，程序結(jié)構(gòu)滿足建模標(biāo)準(zhǔn)，開度和功率模式徹底分離且實(shí)現(xiàn)無擾切換，一次調(diào)頻動作方向正確，調(diào)節(jié)量準(zhǔn)確，頻率限幅準(zhǔn)確，一次調(diào)頻動作期間超功率保護(hù)功能有效。功率模式下PID 不同水頭下切換作為備用功能，待進(jìn)行多水頭相關(guān)試驗(yàn)后進(jìn)行PID 參數(shù)優(yōu)選。試驗(yàn)結(jié)果證明自主開發(fā)的機(jī)組一次調(diào)頻功能，全部通過一次調(diào)頻建模試驗(yàn)，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。