程 勝， 喻 建 波， 劉 凱

(1.大唐重慶分公司，重慶 401147;2.重慶電力設(shè)計(jì)院，重慶 400030;3.重慶市電力公司物流服務(wù)中心，重慶 400014)

發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻是指當(dāng)電網(wǎng)頻率超出規(guī)定的范圍后，電網(wǎng)中參與一次調(diào)頻的各發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)將根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化按負(fù)荷-頻率曲線自動(dòng)地增加或減小機(jī)組的功率，從而達(dá)到新的平衡，并且將頻率的變化限制在一定的范圍內(nèi)。機(jī)組的一次調(diào)頻功能對(duì)電網(wǎng)及機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著極其重要的作用。根據(jù)重慶電網(wǎng)要求，江口水電廠所有機(jī)組必須全部具備一次調(diào)頻功能。通過對(duì)江口水電廠機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)以檢驗(yàn)機(jī)組一次調(diào)頻功能，在確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，測(cè)試并確定一組一次調(diào)頻運(yùn)行參數(shù)，以滿足一次調(diào)頻性能要求。

江口水電廠位于重慶市武隆縣江口鎮(zhèn)，安裝3臺(tái)100 MW水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF100－28/7650，水輪機(jī)型號(hào)為 HLS186 －LJ－347.7，額定轉(zhuǎn)速為214.3 r/min，額定水頭為106 m，調(diào)速器為武漢事達(dá)公司生產(chǎn)的 BWT－80－4.0－STARS型裝置，監(jiān)控系統(tǒng)采用北京水科院自動(dòng)化所研究開發(fā)的H9000系統(tǒng)。

1 一次調(diào)頻對(duì)水電機(jī)組的主要技術(shù)要求

依照《華中電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻運(yùn)行管理規(guī)定(試行)》(以下稱《規(guī)定》)的要求，并根據(jù)《水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置調(diào)整試驗(yàn)導(dǎo)則》DL/T496－2001等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確一次調(diào)頻的主要技術(shù)指標(biāo)為:

(1)機(jī)組一次調(diào)頻頻率死區(qū)控制在±0.05 Hz以內(nèi);機(jī)組永態(tài)轉(zhuǎn)差率不大于4%;機(jī)組調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)小于0.04%;最大調(diào)整負(fù)荷限幅:為確保一次調(diào)頻投入后機(jī)組的安全運(yùn)行，暫定一次調(diào)頻的最大調(diào)整負(fù)荷限制幅度為機(jī)組額定負(fù)荷的±10%。

(2)響應(yīng)行為。①額定水頭在50 m及以上的水電機(jī)組，一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間應(yīng)小于4 s;②當(dāng)電網(wǎng)頻率變化超過機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)，機(jī)組一次調(diào)頻的負(fù)荷調(diào)整幅度應(yīng)在15 s內(nèi)達(dá)到一次調(diào)頻的最大負(fù)荷調(diào)整幅度的90%;③在電網(wǎng)頻率變化超過機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)開始的45 s內(nèi)，機(jī)組實(shí)際出力與機(jī)組響應(yīng)目標(biāo)偏差的平均值應(yīng)在機(jī)組額定有功出力的±5%以內(nèi)。

2 實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能的技術(shù)措施

江口水電廠機(jī)組調(diào)速器采用的調(diào)節(jié)模式為:

(1)開機(jī)和空載運(yùn)行時(shí)以頻率調(diào)節(jié)模式為主，永態(tài)轉(zhuǎn)差率bp=0，人工死區(qū)為0，PID調(diào)節(jié)參數(shù)采用空載參數(shù)。

(2)機(jī)組并網(wǎng)后自動(dòng)轉(zhuǎn)換為開度調(diào)節(jié)模式，永態(tài)轉(zhuǎn)差率bp=6%，人工死區(qū)為0.5 Hz，即為設(shè)定值，PID調(diào)節(jié)參數(shù)采用負(fù)載參數(shù)，此時(shí)功率調(diào)節(jié)通過自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)功能直接作用于功率給定，實(shí)現(xiàn)功率閉環(huán)控制。

在不投入一次調(diào)頻功能時(shí)，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行后，機(jī)組頻率在數(shù)值上等于電網(wǎng)頻率。由于人工頻率死區(qū)較大，因此，調(diào)速器主要以功率調(diào)節(jié)為主;投入一次調(diào)頻后，bp=4%，人工死區(qū) =0.05 Hz，設(shè)定值減小，當(dāng)頻率波超過人工死區(qū)時(shí)，調(diào)速器按負(fù)荷-頻率曲線實(shí)現(xiàn)頻率有差調(diào)節(jié)。因此，根據(jù)一次調(diào)頻功能的投退狀況，調(diào)速器的bp和頻率人工死區(qū)為兩套不同的參數(shù)。

江口水電廠3臺(tái)機(jī)組調(diào)速器最初是不具備一次調(diào)頻功能的，要實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻，需要對(duì)原有的調(diào)速器參數(shù)進(jìn)行新的設(shè)置，同時(shí)在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中增加相應(yīng)的功能，最后通過一次調(diào)頻試驗(yàn)以驗(yàn)證機(jī)組是否具備一次調(diào)頻功能。在一次調(diào)頻試驗(yàn)前對(duì)調(diào)速器和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了完善，采取了以下措施:

(1)增加調(diào)速器一次調(diào)頻PID參數(shù)，在機(jī)組負(fù)荷工況下通過一次調(diào)頻功能投/退開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的調(diào)用，以便實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻動(dòng)作過程中調(diào)速器響應(yīng)的快速性和準(zhǔn)確性。

(2)根據(jù)重慶市調(diào)的規(guī)定，一次調(diào)頻功能投入不得擅自切除。為了方便一次調(diào)頻功能的投/退，在調(diào)速器電控柜和監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)操作畫面上加裝一次調(diào)頻投/退功能開關(guān)。

(3)由于一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)的頻率有差調(diào)節(jié)和AGC閉環(huán)調(diào)節(jié)將同時(shí)作用于導(dǎo)葉，從而造成機(jī)組功率振蕩。因此，要求機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，調(diào)速器將向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)動(dòng)作信號(hào)，監(jiān)控系統(tǒng)閉鎖有功調(diào)節(jié)閉環(huán);機(jī)組一次調(diào)頻結(jié)束后，調(diào)速器將向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)一次調(diào)頻動(dòng)作復(fù)歸信號(hào)，監(jiān)控系統(tǒng)依此信號(hào)恢復(fù)有功調(diào)節(jié)閉環(huán)。

(4)修改調(diào)速器發(fā)電控制程序，進(jìn)行一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)最大負(fù)荷限制。此時(shí)調(diào)速器為開度調(diào)節(jié)模式，采用功率反饋進(jìn)行輸出限制很容易造成機(jī)組超調(diào);同時(shí)，機(jī)組監(jiān)控有功調(diào)節(jié)閉環(huán)失去作用，功率的調(diào)節(jié)完全由調(diào)速器完成，增加限制的目的是防止機(jī)組過負(fù)荷。

3 一次調(diào)頻試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

用外接頻率信號(hào)發(fā)生器的方法模擬系統(tǒng)頻率，通過調(diào)整頻率信號(hào)發(fā)生器的發(fā)生頻率使模擬的系統(tǒng)頻率超過人工頻率死區(qū)，觀察此時(shí)發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作情況以及機(jī)組負(fù)荷變化，并用試驗(yàn)儀器進(jìn)行錄波分析。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容及步驟

(1)在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)接線。接線無誤后申請(qǐng)開機(jī)并網(wǎng)帶10%額定負(fù)荷。模擬“PT斷線”以檢驗(yàn)調(diào)速器系統(tǒng)的保護(hù)功能。

(2)有功功率、導(dǎo)葉開度輸入信號(hào)率定。調(diào)整負(fù)荷到60%額定負(fù)荷以率定零位，調(diào)整負(fù)荷到額定負(fù)荷以率定滿度。

(3)調(diào)整負(fù)荷到80%額定負(fù)荷，把TG2000測(cè)試系統(tǒng)的頻率輸出信號(hào)設(shè)定為50 Hz接入調(diào)速系統(tǒng)測(cè)頻回路，并將調(diào)速器切至“自動(dòng)”運(yùn)行方式。

(4)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)測(cè)頻回路進(jìn)行校準(zhǔn)。把TG2000測(cè)試系統(tǒng)的頻率輸出信號(hào)設(shè)定為50 Hz，接入調(diào)速器的機(jī)頻信號(hào)輸入端，并在49.8～50.2 Hz范圍內(nèi)以0.05 Hz的增幅逐步增加給定頻率(標(biāo)稱值)，記錄調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)測(cè)頻率值，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行校正，使其測(cè)頻誤差≤0.005 Hz。

(5)用階躍頻率法測(cè)試機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)綜合固有死區(qū)，以確定人工死區(qū)設(shè)置。將調(diào)速器人工頻率死區(qū)設(shè)為±0.05 Hz，并在50 Hz基礎(chǔ)上給調(diào)速器施加±0.05 Hz的階躍頻率信號(hào)。在調(diào)速系統(tǒng)沒有響應(yīng)的情況下，以0.005 Hz的增減幅度繼續(xù)施加階躍頻率信號(hào)(圖1)。當(dāng)頻率為50.065和49.935 Hz時(shí)，導(dǎo)葉開度信號(hào)開始變化，確認(rèn)一次調(diào)頻功能啟動(dòng)，此時(shí)的頻率偏差信號(hào)(±0.065 Hz)與設(shè)定的人工頻率死區(qū)(±0.05 Hz)之差即為機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)綜合固有死區(qū):±0.10 Hz。轉(zhuǎn)速死區(qū)ix(遲緩率):ix=×100%=0.02%。根據(jù)指標(biāo)要求將人工頻率死區(qū)設(shè)為±0.04 Hz，進(jìn)行機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)檢驗(yàn)。

圖1 一次調(diào)頻頻率死區(qū)校核示意圖

(6)校核機(jī)組一次調(diào)頻的響應(yīng)行為。在50 Hz基礎(chǔ)上給調(diào)速器分別施加 ±0.1 Hz、±0.15 Hz、±0.2 Hz的階躍頻率信號(hào)，每個(gè)信號(hào)持續(xù)60 s，以檢驗(yàn)調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)行為(圖2)。在其響應(yīng)行為不滿足技術(shù)指標(biāo)的情況下，對(duì)調(diào)速器系統(tǒng)的相關(guān)程序及參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，最后確定了一組新參數(shù):bt=10% 、Td=2 s、Tn=0 s。

(7)校核機(jī)組一次調(diào)頻的最大調(diào)整負(fù)荷限幅，在50 Hz基礎(chǔ)上給調(diào)速器分別施加±0.25 Hz的階躍頻率信號(hào)，每個(gè)信號(hào)持續(xù)60 s，考查機(jī)組負(fù)荷變化值是否超過±10%額定負(fù)荷。兩次擾動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖2 一次調(diào)頻響應(yīng)行為示意圖

(8)跟蹤電網(wǎng)頻率試驗(yàn)。對(duì)電網(wǎng)頻率、有功功率和導(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)頻頻率死區(qū)(50±0.05 Hz)時(shí)調(diào)速器動(dòng)作情況。

(9)考查當(dāng)AGC及有功功率閉環(huán)調(diào)節(jié)投入時(shí)機(jī)組一次調(diào)頻的響應(yīng)。在50 Hz基礎(chǔ)上給調(diào)速器施加±0.15 Hz階躍頻率信號(hào)，考查機(jī)組一次調(diào)頻的響應(yīng)情況。

4 試驗(yàn)結(jié)論分析

表1 負(fù)荷階躍擾動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

對(duì)1號(hào)機(jī)組的示波圖記錄、試驗(yàn)記錄表等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)測(cè)頻回路經(jīng)校核后將誤差控制在0.005 Hz范圍以內(nèi)。

(2)測(cè)得機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)綜合固有死區(qū)為±0.010 Hz，故將人工頻率死區(qū)設(shè)置為 ±0.04 Hz，基本能滿足將一次調(diào)頻的頻率死區(qū)控制在±0.05 Hz以內(nèi)的指標(biāo)要求。

(3)根據(jù)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)綜合固有死區(qū)(±0.010 Hz)計(jì)算出機(jī)組調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)為0.02%，滿足小于0.04%的要求。

(4)機(jī)組的永態(tài)轉(zhuǎn)差率bp滿足不大于4%的指標(biāo)要求。

(5)滿足一次調(diào)頻的最大調(diào)整負(fù)荷限制幅度為機(jī)組額定負(fù)荷的±10%的指標(biāo)要求。

(6)響應(yīng)行為:①一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間平均為1.8 s，符合小于4 s的要求。②一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間(負(fù)荷調(diào)整幅度達(dá)90%)平均為12 s，符合小于15 s的要求。③在電網(wǎng)頻率變化超過機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)開始的45 s內(nèi)，機(jī)組實(shí)際出力與機(jī)組響應(yīng)目標(biāo)偏差的平均值為機(jī)組額定有功出力的±1.8%，在5%的要求范圍內(nèi)。

(7)修改調(diào)速器人工頻率死區(qū)后，導(dǎo)葉開度能夠?qū)?shí)際電網(wǎng)頻率大于一次調(diào)頻死區(qū)的擾動(dòng)進(jìn)行響應(yīng)，但有功功率變化不明顯，這主要是由于外接有功功率變送器的量程偏大，使率定的范圍相應(yīng)增大(為40～100 MW，而一般為60% ～100%額定有功功率)，以致小幅的有功功率變化在示波記錄圖上看不出來。今后一定要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況配置不同量程的傳感器。

(8)在AGC及有功功率閉環(huán)調(diào)節(jié)投入的情況下，機(jī)組一次調(diào)頻啟動(dòng)且有功功率擾動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，AGC及有功功率閉環(huán)調(diào)節(jié)才開始起作用，兩者相互不影響。但當(dāng)頻率擾動(dòng)在AGC調(diào)節(jié)后才回到中心頻率，就會(huì)再次出現(xiàn)一個(gè)有功功率的偏差，AGC調(diào)節(jié)會(huì)再次使其回到初始有功功率。

綜上所述，江口水電廠機(jī)組具有一次調(diào)頻能力，具備投入一次調(diào)頻功能的條件。