高詩華，施德航，方世祿

(四川華能寶興河水電有限責任公司，四川雅安 625000)

當前，水輪發(fā)電機組并入大電網(wǎng)運行已成為主要的運行方式。作為機組頻率和機組功率的直接控制設備——水輪機調速器所肩負的一次調頻功能的重要性凸現(xiàn)出來。目前四川華能寶興河流域根據(jù)電網(wǎng)要求，所有的水輪發(fā)電機組均具有了一次調頻功能。筆者以此為基礎，對水輪發(fā)電機組的一次調頻試驗展開了一些探討。

1 一次調頻的意義

1.1 水輪發(fā)電機組一次調頻的定義

一次調頻是相對于二次調頻而言的。二次調頻是指電網(wǎng)從宏觀控制、經(jīng)濟運行及電網(wǎng)交換功率控制等方面向水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)下達相應的機組目標功率值，從而實現(xiàn)電網(wǎng)范圍內(nèi)的功率/頻率控制，此時調速器的目標給定值是被控機組的功率設定值。一次調頻是指電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時通過水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)的自身“負荷－頻率”靜態(tài)和動態(tài)特性對電網(wǎng)進行控制。簡單的描述水輪機組調速系統(tǒng)的一次調頻功能:就是指在并網(wǎng)發(fā)電的狀態(tài)下，如果頻率超過50Hz時，調速系統(tǒng)在沒有接受上級設備下發(fā)新的定值的情況下，按照“負荷－頻率”曲線進行負荷調整，自動下調一定的負荷;當頻率低于50Hz時，調速系統(tǒng)在沒有接受上級設備下發(fā)新的定值的情況下按照“負荷－頻率”曲線進行負荷調整，自動上調一定的負荷。機組的一次調頻功能對電網(wǎng)和機組的安全穩(wěn)定運行具有極其重要的作用。

1.2 國家電力調度中心關于電網(wǎng)一次調頻對水電機組的主要技術要求

永態(tài)轉差系數(shù)ep為3% ～4%，頻率死區(qū)Ef=±0.033Hz;相應特性:電網(wǎng)頻率變化超過一次調頻頻率死區(qū)時，機組應在15s內(nèi)響應機組目標功率，在45s內(nèi)機組實際功率與目標功率偏差的平均值應在其額定功率的3%范圍內(nèi);穩(wěn)定時間應小于1min。但對水電機組參與一次調頻的負荷變化幅度不加限制。一次調頻功能為必備功能，不得由運行人員切除，不得在開度限制工況下運行。

1.3 四川電網(wǎng)中水輪發(fā)電機組的一次調頻試驗

按華中網(wǎng)調［2005］143號文件規(guī)定，要求并入四川電網(wǎng)的機組必須投入一次調頻功能。四川電網(wǎng)中的水輪發(fā)電機組分三階段進行一次調頻投入工作:第一階段為100MW以上的水輪發(fā)電機組，時間為2005年第四季度，第二階段為40～100MW的水輪發(fā)電機組，時間為2006年第一季度，第三階段為10～40MW的水輪發(fā)電機組，時間為2006年第二季度。我公司下屬的雨城電站、銅頭電站、小關子電站、磽磧電站先后于2006年至2008年進行了一次調頻試驗與投入工作。

2 調速器一次調頻的動作實現(xiàn)

2.1 調速器的“負荷－頻率”關系論述

2.1.1 啟動一次調頻水輪機組頻率死區(qū)特性曲線(圖1)

當 －0.05＜ΔF'＜0.05Hz時，ΔF=0

當 ΔF'≥0.05Hz時，ΔF=ΔF'－0.05Hz

當 ΔF'≤0.05Hz時，ΔF=ΔF'+0.05Hz

2.1.2 水輪發(fā)電機組負載下負荷－頻率的關系

圖1 一次調頻水輪機組頻率死區(qū)特性曲線圖

式中 ep為功率永態(tài)差值系數(shù);Pc為機組功率給定;Pg為機組功率;fc為機組頻率給定;fg為機組頻率;ΔI為負載時積分輸入。

對式(2)進行換算，當水輪發(fā)電機組穩(wěn)態(tài)運行時，機組功率的算式變?yōu)槭?3):

當fc=fg，即頻率給定和機組頻率均為50Hz時:

調速系統(tǒng)一次調頻投入以后，如果頻率給定fc=50Hz，功率給定Pc在一定的時間內(nèi)為定值，當一次調頻水輪發(fā)電機組頻率越過頻率死區(qū)0.033Hz時，新的機組功率值為:

調速系統(tǒng)在一次調頻過程中的功率調節(jié)量為式(5)和式(4)的差，即:

從式(6)可以看出，當機組頻率與機組頻率給定值的差值一定時，調速系統(tǒng)一次調頻功率的調節(jié)量直接取決于永態(tài)差值系數(shù)。

現(xiàn)在使用的水輪機調速器一般有三種工作模式:頻率模式、開度模式和功率模式。功率模式下調速器的永態(tài)差值系數(shù)為功率永態(tài)差值系數(shù)ep，在頻率模式和開度模式下，調速器的導葉接力器行程永態(tài)差值系數(shù)為bp，上述式(6)是基于目前負載狀態(tài)下運用最流行的功率模式推算的，而在頻率模式和開度模式下:

式中 fn為電網(wǎng)頻率;yc為導葉開度給定;yPID為PID開度給定。

其中yPID的計算情況見圖2。

圖2 調速器PID結構框圖

依據(jù)上述，當機組頻率和網(wǎng)頻(或頻率給定)一致時，即機組并入大網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行時，應調節(jié)開度給定來調節(jié)機組負荷;當機組頻率越過一次調頻頻率死區(qū)時，頻率給定fc和頻率給定fg的差值ΔIf非零，這樣，PID開度給定就會向機組頻率變化相反的方向變化，以維持動態(tài)平衡關系。比如，頻率升高，導葉PID開度給定就會減少，機組功率隨即相應的減少，從而起到一次調頻的作用。

開度模式情況下的一次調頻最重要的環(huán)節(jié)就是功率調節(jié)幅值的限定問題。如果僅僅采用功率信號進行簡單的輸出限制，以最終的調節(jié)量來看能夠滿足要求，但是會帶來超調。傳統(tǒng)上很多電站機組在并入大網(wǎng)運行的時候采用開度模式運行，對采用比較高端PLC的調速器可以引入“導葉開度-功率”的函數(shù)曲線進行調節(jié)量動態(tài)限制，在實際操作過程中，采用快速啟動過程中進行速度限制、提前減速的方式也能有效的進行功率限制，并且調節(jié)曲線也很優(yōu)美，實施中可操作性很強，可以根據(jù)試驗曲線對調節(jié)程序進行比較靈活的處理和修改，很容易達到理想的調節(jié)效果。

2.2 四川電網(wǎng)對水輪發(fā)電機組一次調頻的補充技術要求和參數(shù)設定

四川電網(wǎng)委托四川電力試驗研究院進行一次調頻試驗驗收工作，在試驗要求上，四川電力試驗研究院參照了國家電力調度通信中心關于電網(wǎng)一次調頻對水電機組調速系統(tǒng)的主要技術要求;在響應時間上，要求15s內(nèi)必須響應總調節(jié)量的90%;同時補充了對水輪發(fā)電機組參與一次調頻調節(jié)幅度的限制條款，要求水電機組參與一次調頻的負荷變化幅度不超過機組額定負載的10%。

2.3 一次調頻功能實現(xiàn)中需要注意的幾個方面

2.3.1 一次調頻人工死區(qū)的設定

一次調頻試驗中最重要的參數(shù)就是死區(qū)。目前水輪發(fā)電機組調速系統(tǒng)一次調頻試驗的死區(qū)通常設定為0.033Hz。但是，調速系統(tǒng)本身都有自己的物理死區(qū)和隨動系統(tǒng)的不準確度。筆者在試驗過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)人工死區(qū)設定為0.033Hz，而實際的死區(qū)大部分都大于0.033Hz。這一點是可以理解的，因為在負載的情況下，調速系統(tǒng)本身就有一定的死區(qū)，而且對于燈泡貫流式和軸流轉槳式水輪發(fā)電機組其導葉開度的小幅度變化并不一定會引起功率的類似變化。那么，在一次調頻試驗過程中，可以考慮將人工頻率死區(qū)在0.03～0.033Hz范圍內(nèi)進行設定，這樣的話調速系統(tǒng)的真實頻率死區(qū)很容易達到0.033Hz。這樣設定與國家電力調度通信中心關于一次調頻的技術要求并不沖突，只是設定值與真實的測量值之間的偏差而已。

2.3.2 一次調頻過程中功率調節(jié)控制權紊亂的解決方法

一次調頻功能投入后，若機組頻率和頻率給定的偏差越過了頻率死區(qū)，一次調頻就會啟動，調速系統(tǒng)將依據(jù)當前的頻率自行對功率進行調節(jié)。在一次調頻動作的過程中，監(jiān)控系統(tǒng)捕捉到的當前機組功率和功率給定產(chǎn)生了差值，這個差值很有可能就會越過監(jiān)控系統(tǒng)設定的功率死區(qū)。如果此時監(jiān)控系統(tǒng)的功率控制閉環(huán)參與調節(jié)有功，就會引起機組功率的雙路調節(jié)，很容易引起機組的功率振蕩。目前比較有效的處理辦法是:調速器一次調頻動作后，將其一次調頻功率控制的啟動信號送至監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控設備一旦捕捉到調速器送過來的這個信號，就會退出功率控制閉環(huán)。當調速器一次調頻動作完成后，就會斷開這個信號，監(jiān)控系統(tǒng)可以依據(jù)該信號的消失重新投入功率控制閉環(huán)。還有一個比較常用的辦法是:調速器在啟動一次調頻功率控制后自己屏蔽來自遠方的功率控制信號，待一次調頻動作完成后，撤銷屏蔽功能即可。這兩個方法都可以有效的解決一次調頻過程中功率調節(jié)控制權紊亂的問題。

2.3.3 防止一次調頻誤動的方法

一次調頻是發(fā)電機組一項重要的功能，一旦并入大電網(wǎng)發(fā)電運行，一次調頻功能是一個必須具備的功能。一次調頻的動作源就是調速器所測到的頻率信號，機組頻率信號的測量必須準確且精度高。但是電廠所處的電磁環(huán)境比較復雜，特別是一些地下廠房，電磁環(huán)境更為惡劣。有些廠房內(nèi)的調速器控制柜和一些大功率設備距離較近。正是由于這些情況的存在，造成調速系統(tǒng)的機組頻率測量環(huán)節(jié)不可避免地會受到一些電磁干擾，同時也會出現(xiàn)高次諧波。雖然說干擾產(chǎn)生的時間可能非常短，但如果一次調頻沒有采用誤動作判斷的處理很容易引起瞬間機組功率大幅度波動。為了防止一次調頻誤動作，最常規(guī)的就是在程序里對頻率取樣信號進行濾波處理;如果信號源較差的話，還要采用專門的濾波設備進行硬件濾波。濾波完成后，還需要在程序一次調頻啟動條件中對頻率偏差的判斷部分進行延時判斷，一般采用0.1～0.5s的延時繼電器。依據(jù)試驗情況，該延時基本上不影響一次調頻試驗的曲線和調節(jié)時間，并且能夠有效的防止一次調頻的誤動作。

2.3.4 一次調頻試驗的 PID參數(shù)整定與傳統(tǒng)PID參數(shù)之間沖突的解決辦法

傳統(tǒng)上很多基于PLC控制的微機調速器都是采用一套PID參數(shù)，在進行一次調頻試驗的時候肯定要對PID參數(shù)進行大幅度的修改。如果在空載的時候還是使用一次調頻的PID參數(shù)，調速器的空載調節(jié)質量就會大大降低，所以，部分調速器在做一次調頻試驗的時候就需要增加一套負載PID參數(shù)。這樣的話，一次調頻進行的參數(shù)整定就不會影響到調速器的空載調節(jié)品質。

3 結語

調速器對一次調頻的動作控制是很有效的，調節(jié)范圍非常寬廣，參數(shù)的設定對一次調頻的調節(jié)品質影響非常大，只要參數(shù)設定合理，一次調頻試驗的效果是肯定可以出來的。按照上述方法，我公司分別在雨城(軸流轉槳式、單機容量20 MW)、銅頭(混流式、單機容量20MW)、小關子(混流式、單機容量40MW)、磽磧(混流式、單機容量80MW)、寶興(混流式、單機容量42MW)等電站進行了一次調頻試驗并投運成功，這些電站的調速器均采用了當前比較流行的比例伺服閥類、雙調節(jié)調速器。筆者認為，對于可編程微機調速器PID參數(shù)的一般設定按以下方式比較合理:ep=0.04(bp=0.04)，bt=0.08 ～ 0.2，Td=4 ～ 8 s，Tn=0。人工頻率死區(qū)一般設定為 0.03 ～0.033 Hz(部分地區(qū)要求為0.05Hz，可設定為0.045～0.05Hz)。

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