李璽，徐廣文，黃青松，姚澤

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

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水電機(jī)組不同類型一次調(diào)頻對實(shí)際積分電量的影響

李璽，徐廣文，黃青松，姚澤

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

水電機(jī)組一次調(diào)頻考核中普遍存在實(shí)際積分電量不滿足要求的情況，不同類型的一次調(diào)頻對應(yīng)的調(diào)節(jié)幅度不一樣，對一次調(diào)頻實(shí)際積分電量會(huì)造成影響。為此分析了不同類型一次調(diào)頻控制原理的差異，借助PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序提供的水電機(jī)組原動(dòng)機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，仿真并對比兩種類型一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。最后結(jié)合實(shí)例計(jì)算相同擾動(dòng)下2類一次調(diào)頻實(shí)際積分電量，分析增強(qiáng)型一次調(diào)頻對積分電量的補(bǔ)償優(yōu)勢，并指出了其在電網(wǎng)穩(wěn)定性和機(jī)組安全性方面的不足。

一次調(diào)頻；普通型；增強(qiáng)型；積分電量；考核；建模仿真

一次調(diào)頻有利于維護(hù)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行并提高電能質(zhì)量，被列為電廠并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組必須提供的基本輔助服務(wù)之一[1]。電網(wǎng)對于一次調(diào)頻的投入率、正確率及調(diào)頻質(zhì)量都設(shè)定了相應(yīng)的考核指標(biāo)，若一次調(diào)頻被考核為不合格，相應(yīng)電廠會(huì)被扣減發(fā)電量，直接影響其經(jīng)濟(jì)效益。

在水電機(jī)組輔助服務(wù)考核中，最常見的問題是一次調(diào)頻合格率不達(dá)標(biāo)，即機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)際貢獻(xiàn)電量未達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)要求。針對該問題，國內(nèi)已有機(jī)構(gòu)和學(xué)者開展了一些研究，分析了速度不等率、調(diào)頻幅度、調(diào)頻死區(qū)對一次調(diào)頻的影響，指出頻率測量誤差、數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)等因素會(huì)影響一次調(diào)頻考核的結(jié)果，并提出了一些針對性的建議[2-4]。本文從水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的不同頻差計(jì)算方法角度入手，研究不同類型一次調(diào)頻對實(shí)際貢獻(xiàn)電量的影響。

1 不同一次調(diào)頻類型

一次調(diào)頻死區(qū)是為了防止在電網(wǎng)頻差小范圍變化時(shí)發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)不必要的動(dòng)作而設(shè)置的調(diào)節(jié)盲區(qū)，直接關(guān)系到機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻的時(shí)機(jī)。機(jī)械元件間的遮程、間隙和電氣元件的非線性導(dǎo)致調(diào)速器固有一定的轉(zhuǎn)速死區(qū)，同時(shí)對調(diào)速器還人為設(shè)定有轉(zhuǎn)速失靈區(qū)，即人工頻率死區(qū)。

水電機(jī)組電子調(diào)節(jié)器部分常規(guī)并聯(lián)比例積分微分(proportion integral derivative，PID)調(diào)節(jié)原理如圖1所示。

fg—機(jī)組頻率；fc—頻率給定；Yc—開度給定；Pc—功率給定；Pg—機(jī)組功率；bp—功率或開度調(diào)差系數(shù)；Ef—人工頻率死區(qū)；Δf—頻率偏差；KP—比例增益；KI—積分增益；KD—微分增益；T1v—微分時(shí)間常數(shù)；YPID—電子調(diào)節(jié)器輸出。圖1 水電機(jī)組電子調(diào)節(jié)器部分常規(guī)PID調(diào)節(jié)簡圖

根據(jù)人工頻率死區(qū)Ef與頻率偏差Δf的關(guān)系，可將其分為數(shù)字型和機(jī)械型2類。人工頻率死區(qū)為機(jī)械型時(shí)，頻率偏差計(jì)算為:

(1)

人工頻率死區(qū)為數(shù)字型時(shí)，頻率偏差計(jì)算為:[5]

(2)

普通型一次調(diào)頻采用機(jī)械型人工頻率死區(qū)，其頻差計(jì)算框圖如圖2所示；增強(qiáng)型一次調(diào)頻采用數(shù)字型人工頻率死區(qū)，其頻差計(jì)算框圖如圖3所示。

ΔY—開度實(shí)際值與目標(biāo)值的差值；ΔP—功率實(shí)際值與目標(biāo)值的差值。圖2 普通型一次調(diào)頻頻差計(jì)算框圖

圖3 增強(qiáng)型一次調(diào)頻頻差計(jì)算框圖

普通型一次調(diào)頻較為常見，也有些水電廠如楓樹壩水電廠、大廣壩水電廠、金安橋水電廠的機(jī)組采用增強(qiáng)型一次調(diào)頻。由式(1)和式(2)相比可看出，增強(qiáng)型算法與普通型算法的一次調(diào)頻動(dòng)作條件相同，但增強(qiáng)型算法增大了一次調(diào)頻動(dòng)作后調(diào)節(jié)變化的幅度，即響應(yīng)目標(biāo)值不同，使得2種類型的一次調(diào)頻最終獲得的實(shí)際積分電量也不相同。

2 不同類型一次調(diào)頻對實(shí)際積分電量的影響

2.1 積分電量考核方法

當(dāng)電網(wǎng)頻率偏差超出水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)，一次調(diào)頻機(jī)組的積分電量占相應(yīng)時(shí)間的機(jī)組一次調(diào)頻理論計(jì)算積分電量的比例，作為考評機(jī)組一次調(diào)頻的合格率[6]。

機(jī)組一次調(diào)頻理論積分電量

(3)

式中：Wt為理論動(dòng)作積分電量；Pn為機(jī)組額定有功功率；t0為積分起始時(shí)間，即電網(wǎng)頻率超出一次調(diào)頻死區(qū)的時(shí)刻；Δt為一次調(diào)頻考核持續(xù)時(shí)間(不超過60 s)；Δf(t)為t時(shí)刻頻率偏差，按式(1)進(jìn)行計(jì)算；fn為電網(wǎng)額定頻率。

實(shí)際動(dòng)作積分電量

(4)

式中：Wr為實(shí)際動(dòng)作積分電量；P(t)為t時(shí)刻機(jī)組有功功率；P0為積分起始時(shí)刻對應(yīng)的機(jī)組有功功率[7]。

2.2 數(shù)值模擬

借助數(shù)值仿真技術(shù)，在MATLAB/Simulink平臺搭建水機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型，包括電調(diào)類調(diào)速器模型中并聯(lián)PID控制的電子調(diào)節(jié)器模型、電液伺服系統(tǒng)模型(導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型)及水輪機(jī)原動(dòng)機(jī)模型[8-9]。由電子調(diào)節(jié)器模型輸入頻率信號、輸出YPID信號，導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型根據(jù)YPID信號模擬導(dǎo)葉開度的動(dòng)作情況，以此影響水輪機(jī)原動(dòng)機(jī)模型的仿真功率輸出，如圖4所示。

模型參數(shù)依據(jù)廣東某水電廠調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備實(shí)測參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，見表1。

YPID,max—調(diào)節(jié)器輸出上限；YPID,min—調(diào)節(jié)器輸出下限；Yc—開度給定；—副環(huán)PID控制比例增益；—副環(huán)PID控制積分增益；—副環(huán)PID控制微分增益；vmax—導(dǎo)葉最快開啟速度；vmin1、vmin2—導(dǎo)葉的2種關(guān)閉速度；Ty—接力器反應(yīng)時(shí)間常數(shù)；Ymax—接力器行程上限；Ymin—接力器行程下限；Y—接力器行程；Tw—水流慣性時(shí)間常數(shù)；P—功率輸出；S—拉普拉斯算子。圖4 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型

表1 某水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型參數(shù)

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值bp0.04Ef(標(biāo)幺值)0.001KP5KI1.8KD0T1V0.01YPID,max1YPID,min0K'P1.6K'I0K'D0Ty0.677vmax(標(biāo)幺值)0.0175vmin1(標(biāo)幺值)-0.145vmin2(標(biāo)幺值)-0.011Ymax1Ymin0Tw1.132

仿真采用一定斜率緩慢變動(dòng)的頻率擾動(dòng)作為模型的輸入型號，模擬水電機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)，對比理論積分電量與2種不同類型的一次調(diào)頻實(shí)際積分電量，結(jié)果如圖5所示。

Pt—理論功率值；Pr—實(shí)際功率值。圖5 理論積分電量與不同類型一次調(diào)頻實(shí)際積分電量仿真對比

由圖5可知，ts時(shí)刻頻率開始增大，到t0時(shí)刻頻率變化超出人工頻率死區(qū)Ef，一次調(diào)頻開始響應(yīng)，此時(shí)開始對Pt與Pr進(jìn)行積分，經(jīng)過Δt(超過60 s時(shí)按60 s計(jì))到達(dá)t0+Δt時(shí)刻，積分結(jié)束，得到Wt與Wr。普通型與增強(qiáng)型一次調(diào)頻功率響應(yīng)穩(wěn)定值分別為P2和P3，由于理論積分電量的頻差與普通型一次調(diào)頻均按式(1)進(jìn)行計(jì)算，有P1=P2-P0。由圖5可知，理論積分電量為區(qū)域①，普通型一次調(diào)頻實(shí)際積分電量為區(qū)域②，增強(qiáng)型一次調(diào)頻實(shí)際積分電量為區(qū)域②+③。

由文獻(xiàn)[10]及文獻(xiàn)[11]可知，電網(wǎng)調(diào)度部門評價(jià)機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作合格與否的標(biāo)準(zhǔn)，是計(jì)算一次調(diào)頻實(shí)際動(dòng)作電量在理論值中的占比，若Wr不小于Wt的50%，則判定機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作合格，否則為不合格。由圖4分析可得增強(qiáng)型一次調(diào)頻實(shí)際積分電量多于普通型一次調(diào)頻，從一次調(diào)頻合格與否的判定規(guī)則角度出發(fā)，使用增強(qiáng)型一次調(diào)頻的機(jī)組其合格率更容易達(dá)標(biāo)。

3 實(shí)例分析

廣東某水電廠裝機(jī)容量為3×45 MW，人工頻率死區(qū)Ef為0.05 Hz，暫態(tài)轉(zhuǎn)差率bt為0.4，緩沖時(shí)間常數(shù)Td為1.08 s-1，加速度時(shí)間常數(shù)Tn為0。其1號機(jī)和3號機(jī)采用增強(qiáng)型一次調(diào)頻，2號機(jī)采用普通型一次調(diào)頻。一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)調(diào)速器為開度調(diào)節(jié)，調(diào)差系數(shù)bp為0.04，在頻差確定的情況下機(jī)組導(dǎo)葉響應(yīng)目標(biāo)是確定的，由于機(jī)組出力與水頭相關(guān)，相同導(dǎo)葉變化對應(yīng)的功率變化量是不定的，一次調(diào)頻考核用的理論積分電量按頻差對應(yīng)理論功率進(jìn)行計(jì)算，所以會(huì)出現(xiàn)實(shí)際積分電量與理論積分電量相差較大的情況出現(xiàn)。

對該電廠1號機(jī)和2號機(jī)分別進(jìn)行頻率階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，階躍頻率為-0.15 Hz，分別記錄2臺機(jī)組功率響應(yīng)過程，取其一次調(diào)頻開始60 s內(nèi)功率響應(yīng)曲線進(jìn)行積分，與理論積分進(jìn)行對比，如圖6所示。

圖6 某水電廠普通型與增強(qiáng)型一次調(diào)頻機(jī)組實(shí)際與理論積分電量對比圖

從圖6可得，t0時(shí)刻頻率擾動(dòng)-0.15 Hz，機(jī)組頻差超出人工頻率死區(qū)，經(jīng)短暫延時(shí)一次調(diào)頻開始動(dòng)作，由于水力慣性的原因在導(dǎo)葉運(yùn)動(dòng)初期出現(xiàn)反調(diào)效應(yīng)，如圖中t0至t1時(shí)段和t0至t2時(shí)段，此時(shí)機(jī)組為反方向出力響應(yīng)，實(shí)際積分電量為負(fù)值。t1和t2時(shí)刻之后，機(jī)組出力轉(zhuǎn)為正方向，實(shí)際積分電量逐漸變?yōu)檎?。?jì)算圖中陰影部分，結(jié)果為：在積分的60 s時(shí)間里，理論積分電量367 kWh，采用普通型一次調(diào)頻的2號機(jī)組的實(shí)際積分電量278 kWh，采用增強(qiáng)型一次調(diào)頻的1號機(jī)組的實(shí)際積分電量466 kWh。對比可知，采用增強(qiáng)型一次調(diào)頻的機(jī)組積分電量在接受考核時(shí)容錯(cuò)率較高，更容易滿足一次調(diào)頻合格率的要求。

4 增強(qiáng)型算法的不利影響

在增強(qiáng)型一次調(diào)頻動(dòng)作開始時(shí)，頻差計(jì)算值是階躍變化的，因此在調(diào)節(jié)初期的調(diào)節(jié)速度及幅度都較普通型一次調(diào)頻大。如果系統(tǒng)頻率長時(shí)間在人工死區(qū)附近擺動(dòng)，機(jī)組一次調(diào)頻會(huì)頻繁地動(dòng)作與復(fù)歸，受頻差計(jì)算值的階躍影響，調(diào)速系統(tǒng)液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)頻繁大幅度動(dòng)作，加重元器件的磨損，縮短調(diào)速系統(tǒng)壽命。同時(shí)，這種頻繁的動(dòng)作與復(fù)歸調(diào)節(jié)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組功率輸出值發(fā)生間歇性波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)引起電網(wǎng)的功率震蕩，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。2016年1月云南某水電廠機(jī)組因使用增強(qiáng)型一次調(diào)頻，在長時(shí)間運(yùn)行于49.95 Hz附近時(shí)，一次調(diào)頻的頻繁動(dòng)作引發(fā)機(jī)組功率波動(dòng)，與云南電網(wǎng)對廣東電網(wǎng)震蕩模式頻率接近，產(chǎn)生共振，從而引發(fā)主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)，如圖7所示。

圖7 增強(qiáng)型一次調(diào)頻機(jī)組引發(fā)系統(tǒng)功率波動(dòng)

為研究此類情況，采用圖4所示模型，模擬頻率輸入在人工死區(qū)附近波動(dòng)，2種一次調(diào)頻調(diào)節(jié)過程如圖8所示。

圖8 頻率在人工死區(qū)附近波動(dòng)時(shí)2種一次調(diào)頻調(diào)節(jié)過程對比

經(jīng)模擬頻率在49.95 Hz附近進(jìn)行正弦波動(dòng)，仿真結(jié)果顯示普通型一次調(diào)頻有0.1 MW左右的調(diào)節(jié)量，增強(qiáng)型一次調(diào)頻有1.7 MW左右的功率波動(dòng)，且其波動(dòng)的平均值由210 MW逐步漂移到214 MW左右。由式(1)和式(2)計(jì)算過程可知，增強(qiáng)型一次調(diào)頻頻差的階躍效果造成了調(diào)節(jié)初期反調(diào)峰值大，在一次調(diào)頻復(fù)歸時(shí)，頻差回復(fù)的階躍又會(huì)形成反方向的大幅反調(diào)效果，因此增強(qiáng)型一次調(diào)頻在此頻率波動(dòng)下功率出現(xiàn)大幅波動(dòng)。波動(dòng)的平均值漂移是因?yàn)樵谝淮握{(diào)頻動(dòng)作和復(fù)歸兩種情況下，參與積分運(yùn)算的差值不同而導(dǎo)致開方向與關(guān)方向的調(diào)節(jié)速度不同。積分環(huán)節(jié)按式

進(jìn)行運(yùn)算，式中YI為積分環(huán)節(jié)輸出。當(dāng)式中Δf+bp(Yc-Y)=0時(shí)積分調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定。Δf在一次調(diào)頻動(dòng)作和復(fù)歸時(shí)有階躍變化，而bp(Yc-Y)隨著功率的漂移其階躍值慢慢變大，直到能與Δf的階躍效果相平衡，波動(dòng)的平均值最終穩(wěn)定。

5 結(jié)論

理論積分電量隨頻差實(shí)時(shí)改變，而水輪機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)滯后性較強(qiáng)，功率響應(yīng)相對較慢，致使相同時(shí)間段內(nèi)實(shí)際積分電量積分值較小，且由于水力慣性的原因，在調(diào)節(jié)初期會(huì)出現(xiàn)反調(diào)效應(yīng)，進(jìn)一步導(dǎo)致實(shí)際積分電量減少，易使水電機(jī)組一次調(diào)頻積分電量不達(dá)標(biāo)。常規(guī)水電廠一次調(diào)頻多采用開度閉環(huán)調(diào)節(jié)，功率調(diào)節(jié)深度受水頭影響，特別是低水頭機(jī)組，水頭的變化是制約一次調(diào)頻深度的關(guān)鍵因素。增強(qiáng)型一次調(diào)頻與普通型一次調(diào)頻的區(qū)別如下：

a) 增強(qiáng)型一次調(diào)頻從調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制原理上增加了參與調(diào)節(jié)的頻差值，使響應(yīng)目標(biāo)的調(diào)節(jié)幅度增大，容易滿足電網(wǎng)調(diào)度對機(jī)組一次調(diào)頻的考核要求。

b) 增強(qiáng)型一次調(diào)頻在頻差超過頻率死區(qū)后不減去頻率死區(qū)，直接進(jìn)行計(jì)算，頻差有大于0.05Hz的階躍突變，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)作幅度會(huì)增大。如果電網(wǎng)頻率在頻率死區(qū)邊界上下浮動(dòng)變化，會(huì)導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)頻繁大幅度動(dòng)作，機(jī)組導(dǎo)葉開度和出力會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，從電網(wǎng)穩(wěn)定性和機(jī)組安全性角度考慮，增強(qiáng)型一次調(diào)頻容易引起脈沖式功率震蕩，也會(huì)對機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)造成損耗。

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(編輯 霍鵬)

Influence of Different Typed Primary Frequency Regulation of Hydropower Units on Actual Integral Power

LI Xi, XU Guangwen, HUANG Qingsong, YAO Ze

(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

There is situation of actual integral power being unable to satisfy requirements in check on primary frequency regulation for hydropower units, and corresponding regulation ranges of different primary frequency regulation are not the same which will influence actual integral power of primary frequency regulation.Therefore, this paper analyzes differences of control principles for different typed primary frequency regulation, carries out simulation and comparison for dynamic response process of two typed primary frequency regulation with the help of models of prime motor of hydraulic turbine and its adjustment system provided by PSD-BPA transient stable program.Combining examples, it calculates actual integral power of two typed primary frequency regulation under the same disturbance, analyzes compensation advantages of enhanced primary frequency regulation on actual integral power and points out insufficiencies in power grid stability and unit security.Key words：primary frequency regulation; ordinary type; enhanced type; integral power;assessment; modeling and simulation

2016-05-24

2016-08-30

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(GDKJQQ20152035)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.11.011

TV734.4；TK321

B

1007-290X(2016)11-0052-05

李璽(1984)，男，河南新鄉(xiāng)人。工程師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)樗姍C(jī)組機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)。

徐廣文(1980)，男，江蘇鹽城人。高級工程師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)樗姍C(jī)組機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)。

黃青松(1963)，男，廣東揭陽人。教授級高級工程師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)樗姍C(jī)運(yùn)行與控制。