丁占濤，趙文利，張雨晗，程遠楚

（1.新疆開都河流域水電開發(fā)有限公司，新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒市 841000；2.水力機械過渡過程教育部重點實驗室，湖北省武漢市 430072）

0 引言

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，隨著電網(wǎng)容量的不斷增大，各區(qū)域聯(lián)網(wǎng)調度頻繁以及新能源發(fā)電設備的并網(wǎng)，維持電網(wǎng)內(nèi)有功功率平衡和頻率穩(wěn)定是基本要求。水電機組因調節(jié)速度快、調整幅度大，在電網(wǎng)頻率調整過程中具有極其重要的作用。在電網(wǎng)突發(fā)大負荷變化時，水電機組一次調頻可以快速地提供功率支援，提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[1]；此外，可快速完成短時間負荷波動的調節(jié)，減少二次調頻的動作，優(yōu)化系統(tǒng)的調度[2]。

為考核和檢驗水電機組一次調頻功能與性能，各電網(wǎng)公司均提出了相應的考核評價方法，比如西北電網(wǎng)要求水電站滿足《西北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》及《西北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則》等指標要求[3]。所有涉網(wǎng)的水電機組必須經(jīng)電網(wǎng)指定的檢測機構進行一次調頻試驗，只有試驗合格的機組才能并網(wǎng)運行。當水電機組并網(wǎng)運行后，一次調頻考核指標主要為積分電量和目標響應功率。但有不少經(jīng)試驗合格的水電機組在實際運行過程中出現(xiàn)了一次調頻考核不合格的情況。為了滿足一次調頻考核響應速度的要求，有些水電機組加大調速器控制參數(shù)值，導致實際運行過程中機組在一次調頻期間出力變化加劇，以產(chǎn)生較大的反調和超調為代價來獲得更高的一次調頻積分電量[4]。

針對水電機組一次調頻考核不合格的問題，國內(nèi)學者已經(jīng)開展了一些研究。文獻[5]提出了一種增強型一次調頻的頻差算法來提高水電機組一次調頻合格率；文獻[6]從一次調頻短時間動作過于頻繁、數(shù)據(jù)傳輸延遲、頻率測量誤差的角度分析，提出提高一次調頻考核相關數(shù)據(jù)傳送優(yōu)先級、對殘壓測頻裝置進行校核的方法來提高一次調頻的合格率；文獻[7]從機組側和電網(wǎng)考核側頻率不一致、電廠上送有功信號延遲大的角度分析了一次調頻合格率低的原因；文獻[8]提出引入功率前饋控制，提高功率調節(jié)的響應速度，從而提高積分電量的方法。但這些研究都是從改良調節(jié)系統(tǒng)結構的角度出發(fā)，這些方法可以一定程度上提高積分電量的合格率，但沒有回答為什么這些經(jīng)權威部門檢測合格的機組會在實際運行中出現(xiàn)被考核的現(xiàn)象。本文擬從另一個角度分析問題，即為什么試驗時指標是合格的，而實際運行中會出現(xiàn)考核不合格的問題?；趯σ淮握{頻試驗信號和實際一次調頻過程中頻率信號的差別的分析，本文提出了一種新的一次調頻試驗信號及產(chǎn)生方法來完善水電機組一次調頻試驗。

1 一次調頻試驗的性能指標要求

關于一次調頻的性能考核指標，各個電網(wǎng)公司都給出了具體規(guī)定，大多數(shù)指標與要求相近。本文以《西北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》為例，給出其主要指標要求，并以此為依據(jù)，開展一次調頻試驗信號的分析研究。

1.1 一次調頻參數(shù)要求

（1）滯后時間：頻率信號超過一次調頻死區(qū)開始至機組實際負荷開始變化，且變化幅度超過穩(wěn)態(tài)偏差允許范圍，并在趨勢上不再反向的時刻差。額定水頭在50m以上的水電機組，一次調頻響應滯后時間應小于4s；額定水頭在50m以下的水電機組，一次調頻響應滯后時間應小于10s。

（2）響應時間：所有機組一次調頻的負荷調整幅度應在15s內(nèi)達到理論計算值的一次調頻最大負荷調整幅度的90%。

（3）積分電量：電網(wǎng)頻率超出一次調頻死區(qū)時起到恢復至一次調頻死區(qū)內(nèi)時為止，實際發(fā)電出力與起始實際發(fā)電出力之差的積分值。一般要求實際積分電量與理論積分電量的比值不低于50%。

（4）大頻差擾動性能指標：當電網(wǎng)發(fā)生頻率超過（50±0.1）Hz大頻差擾動時，單次大頻差擾動一次合格率I應不小于80%。

式中：Ir——機組一次調頻出力響應合格率，具體為在頻率變化超過一次調頻死區(qū)開始至機組一次調頻應動作時間內(nèi)，機組實際最大出力調整量占理論最大出力調整量的百分比；

Ic——機組一次調頻貢獻電量合格率，具體為在頻率變化超過一次調頻死區(qū)開始至機組一次調頻應動作時間內(nèi)，機組一次調頻實際貢獻電量占理論貢獻電量的百分比。

2 一次調頻試驗信號分析

2.1 一次調頻試驗分析平臺

在進行電站的一次調頻試驗時，用信號發(fā)生器模擬電網(wǎng)頻率，接入調速器的測頻回路，測試當模擬的電網(wǎng)頻率變化時發(fā)電機輸出有功功率的變化過程，然后按兩個細則要求的指標進行考核。為了模擬實際電站的一次調頻試驗過程，本文搭建了水電機組一次調頻試驗分析平臺，如圖1所示，主要由信號發(fā)生器、調速器控制部分、隨動系統(tǒng)、水輪發(fā)電機組組成。其中，信號發(fā)生器用于產(chǎn)生仿真試驗用信號；調速器控制部分采用與電站相同的PID控制算法，其算法如圖2所示；隨動系統(tǒng)仿真主要由主配壓閥、主接力器等組成，具有與現(xiàn)場完全相同的開關速度特性，其數(shù)學模型如圖3所示；水輪機模型采用由綜合特性曲線外拓得到的非線性模型，引水系統(tǒng)采用單管形式的特征線性方法求解，發(fā)電機采用一階模型。

圖1 一次調頻研究用模型Figure 1 Investigative model of the primary frequency

圖2 水電站PID控制算法Figure 2 PID control algorithm of hydraulic power plant

圖3 隨動系統(tǒng)數(shù)學模型Figure 3 Mathematical model of servo-system

2.2 試驗用信號設計

為了分析電站一次調頻被考核的原因，收集和分析了大量的電站一次調頻動作過程曲線，以圖4為例，是某電站一次調頻過程中記錄的電網(wǎng)頻率與一次調頻過程，當時電站水頭為84m，機組出力為50.38MW（額定出力為90MW），大頻差一次調頻各項指標如表1所示，被認定為不合格。

表1 某電廠一次調頻性能指標Table 1 Index of primary frequency in a hydraulic power plant

圖4所示曲線對應的調速器參數(shù)為KP=1、KI=5、KD=1，永態(tài)轉差系數(shù)bp為3%。依據(jù)電站實際運行參數(shù)，在所搭建的試驗平臺上，進行了階躍信號下的一次調頻仿真試驗。

圖4 某電廠一次調頻過程Figure 4 Primary frequency of a hydraulic power plant

圖5是施加±0.15Hz階躍擾動時的動作響應曲線，它的各項考核指標如表2所示，顯然，一次調頻性能滿足電網(wǎng)兩個細則的考核要求。從此實例中可以看出，在階躍信號下的一次調頻試驗評價合格，并不代表在實際運行中一次調頻考核合格。基于電廠實際一次調頻過程被考核的背景，有必要開展一次調頻試驗信號分析，使一次調頻試驗過程盡可能地接近現(xiàn)場實際情況。在電網(wǎng)運行過程中，當出現(xiàn)大的負荷突變時，會導致電網(wǎng)頻率快速變化，此時，所有參與一次調頻的機組均對自身輸出的有功功率進行調整，電網(wǎng)頻率會逐步恢復。

表2 階躍信號下的一次調頻試驗考核指標Table 2 Index of primary frequency under step signal

圖5 階躍信號下的一次調頻試驗過程Figure 5 A test of primary frequency under step signal

當電網(wǎng)中一次調頻作用恰當時，電網(wǎng)頻率以一定速度恢復至一次調頻死區(qū)內(nèi)，一次調頻過程結束。當電網(wǎng)中一次調頻作用過強時，電網(wǎng)頻率會恢復到一次調頻死區(qū)之內(nèi)，然后再出現(xiàn)頻率超過一次調頻死區(qū)，繼續(xù)一次調頻的現(xiàn)象。顯然，由于水電機組輸出功率響應的滯后性，考核指標計算結果與頻率超過一次調頻的時間長短密切相關。因此，在進行一次調頻試驗時，不能僅用階躍信號進行考核，而是應該基于實際運行情況，采用脈沖信號進行一次調頻試驗，并根據(jù)不同的要求，選擇不同的脈沖寬度進行試驗評價。

3 一次調頻試驗分析

3.1 不同脈沖寬度信號下的試驗分析

根據(jù)上節(jié)的分析，基于圖1所示的仿真平臺，分別選取脈沖寬度為50s、40s、30s、20s、10s、6s（現(xiàn)場大頻差脈寬）的脈沖信號進行一次調頻試驗，當KP=1、KI=5、KD=1，永態(tài)轉差系數(shù)bp為3%，頻差為±0.15Hz時得到的一次調頻試驗結果如表3和圖6所示。

圖6 不同脈沖信號下的一次調頻脈沖響應Figure 6 The pulse responses of primary frequency under different signals

表3 某電廠在不同脈沖信號下的一次調頻試驗結果Table 3 Tests of primary frequency in a hydropower plant under different pulse signals

由表3可知，采用不同寬度的脈沖信號進行試驗，一次調頻的滯后時間不變，而最大目標響應功率和積分電量與脈沖寬度，即一次調頻信號存在的時間長短有密切關系。

不同脈寬下的一次調頻試驗脈沖響應得到的理論積分電量和實際積分電量不同，由于水擊效應，當頻率發(fā)生變化時，存在響應滯后和功率反調的情況。隨著脈沖寬度的減小，滯后效應和反調對積分電量貢獻率的影響就愈發(fā)顯著。脈沖寬度小，積分時間短，調節(jié)功率響應過程和反調部分占調節(jié)過程的比重大，積分電量的比值呈現(xiàn)單調變小的趨勢，積分電量考核比相應降低。當脈沖寬度過小時，調節(jié)目標功率未達到穩(wěn)定就開始回復調節(jié)，一次調頻功率響應合格率也會降低。如表3所示，當脈寬減小至6s時，積分電量的比值為19.2%，小于50%，一次調頻試驗結果不合格，一次調頻功率響應比從脈沖50s時的152.9%降至84%，綜合考核比降至51.6%，不滿足一次調頻考核要求（80%）。

顯然，在一次調頻參數(shù)和系統(tǒng)條件相同的情況下，一次調頻的性能指標與試驗信號待續(xù)的時間長短有密切關系。當脈沖寬度較?。?～10s）時，由于頻差持續(xù)時間短，調節(jié)過程還來不及完全響應，頻差即已恢復到一次調頻死區(qū)內(nèi)，機組實際調節(jié)出力偏小，積分電量偏小；當反調較大時，甚至可能出現(xiàn)積分電量為負的情況，導致一次調頻不合格。為降低水電機組一次調頻被考核的概率，建議在一次調頻試驗時，增加脈寬可變的頻率信號進行一次調頻性能校驗。通過改變整定參數(shù)來增大實際積分電量和響應功率，以改善電廠實際一次調頻考核不合格、調節(jié)深度不夠的問題。

3.2 脈沖信號下的一次調頻參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)3.1的分析和圖4的實際頻率變化曲線，對調速器一次調頻參數(shù)進行優(yōu)化調整。選取脈沖寬度為6s的脈沖信號進行一次調頻試驗。當參數(shù)選為KP=6、KI=4、KD=1時，試驗結果如表4所示，大頻差擾動下機組一次調頻綜合考核比由55%增加到81.0%，滿足西北電網(wǎng)的考核要求。依據(jù)該調節(jié)參數(shù)進行了小頻差信號下（0.065Hz）一次調頻仿真試驗，理論積分電量為-1.875MWh，實際貢獻電量為-1.164MWh，積分電量比值為62.07%，大于50%的考核要求。

表4 脈寬為6s時的一次調頻試驗脈沖響應Table 4 The pulse response of primary frequency test when the width was 6s

基于此參數(shù)，進行了實測電網(wǎng)頻率下的一次調頻仿真。仿真結果如圖7所示，各項指標如表5所示。大頻差擾動下機組一次調頻綜合考核比為89.7%，大于80%，滿足西北電網(wǎng)實際考核要求。

圖7 實測電網(wǎng)頻率下的一次調頻仿真Figure 7 Simulation of primary frequency under real frequency signal

表5 實測電網(wǎng)頻率下的一次調頻仿真指標Table 5 The indexes of primary frequency under real frequency signal

4 結束語

本文以西北某水電站實際出現(xiàn)的一次調頻考核不合格現(xiàn)象為例，分析了目前水電機組一次調頻試驗過程中取用階躍信號的局限性，建議在試驗過程中增加脈沖寬度可調的方波信號進行一次調頻試驗，檢查在脈沖寬度為6～10s時的水電機組一次調頻性能，并對水電機組一次調頻參數(shù)進行合理整定，提高電廠在電網(wǎng)實際運行過程中的一次調頻考核合格率。