呂 帥

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443000）

引言

西南電網(wǎng)系統(tǒng)異步聯(lián)網(wǎng)后，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量僅為同步聯(lián)網(wǎng)的1/5～1/6，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率波動增大。因水錘效應(yīng)為水輪機組原動機系統(tǒng)和調(diào)速器系統(tǒng)的固有屬性，故負(fù)阻尼特性明顯，水輪機組頻率波動將誘發(fā)電網(wǎng)的低頻振蕩。為滿足一次調(diào)頻考核指標(biāo)，部分電廠將調(diào)速系統(tǒng)響應(yīng)速度調(diào)整得較高，反應(yīng)動作迅速，這將對電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行埋下隱患[1]。

為抑制西南電網(wǎng)異步運行后存在的低頻振蕩風(fēng)險，西南分中心完成138臺、5070萬千瓦水電機組（統(tǒng)調(diào)占比68.4%）調(diào)速系統(tǒng)改造，調(diào)速器由大網(wǎng)功率反饋模式調(diào)整為小網(wǎng)-開度反饋模式，全網(wǎng)一次調(diào)頻性能嚴(yán)重弱化，頻率越限風(fēng)險增加。經(jīng)統(tǒng)計，西南電網(wǎng)異步運行期間，直調(diào)廠站（二灘）及其他投入西南AGC運行的水電機組（包括向家壩、溪洛渡、錦官等電站）突破一次調(diào)頻死區(qū)（50±0.05）Hz次數(shù)比同步聯(lián)網(wǎng)期間增長10倍以上，一次調(diào)頻電量貢獻比僅為5.84%（標(biāo)準(zhǔn)值為50%），不利于電網(wǎng)頻率快速恢復(fù)。

在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上開展了水輪機調(diào)速器頻率穩(wěn)定性的研究。本文基于調(diào)速器和原動機系統(tǒng)存在的頻率振蕩問題，通過對二灘水電站水輪機及其調(diào)速系統(tǒng)進行參數(shù)實測及建模仿真計算，對調(diào)速器PID參數(shù)進行了優(yōu)化，提出了水電站調(diào)速器頻率穩(wěn)定性能分析及優(yōu)化建議[1]。本文基于大量較翔實的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，就二灘水電站水輪機組調(diào)速器頻率穩(wěn)定性能及其影響因素得出了針對性強并具有實際參考價值的結(jié)論。

1 調(diào)速器系統(tǒng)特性及建模

水輪機原動機及其調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定以及中長期穩(wěn)定性都有顯著的影響。水輪機調(diào)速器系統(tǒng)通過一次調(diào)頻對機組及電網(wǎng)的頻率進行控制，它是水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要部分，主要作用是根據(jù)發(fā)電機的頻率反饋控制水輪機導(dǎo)水葉開度，進而改變發(fā)電機的輸出功率，對電力系統(tǒng)的功率穩(wěn)定及頻率穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用[2]。通過對電網(wǎng)典型主力機組的調(diào)速器系統(tǒng)模型和參數(shù)進行調(diào)查和測試，為系統(tǒng)穩(wěn)定分析及電網(wǎng)日常生產(chǎn)調(diào)度提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，是提高電網(wǎng)頻率安全運行的有效措施。

二灘水電站機組采用了長江三峽能事達科技有限公司生產(chǎn)的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該模型為開度與功率模式，并具備一次調(diào)頻功能，正常運行在開度模式下。在模型中，有手動調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)兩種模式，并具有按頻率調(diào)節(jié)功能。開度調(diào)節(jié)模式中，Yref為開度給定，該模式下反饋信號可以選擇導(dǎo)葉開度Y或PID的輸出Ypid；功率調(diào)節(jié)中，Pref為功率給定，Pe為有功功率；頻率調(diào)節(jié)的輸入信號為頻率偏差；Yc為手動方式開度給定。

2 二灘水電站550 MW水輪機調(diào)速器一次調(diào)頻試驗

2.1 水輪機組基本數(shù)據(jù)

水輪機類型：混流式；發(fā)電機型號：AT1-W-42P-612000；水輪機型號：HLF497-LJ-625.7；制造廠：加拿大GE。表1為二灘水電站機組基本參數(shù)。

表1 二灘水電站機組基本參數(shù)

2.2 試驗方法

用調(diào)試器特性和機組參數(shù)綜合測試系統(tǒng)儀器TG2000H來仿真系統(tǒng)頻率為50 Hz，并可通過改變頻率完成不同程度的頻率階躍，用網(wǎng)源動態(tài)監(jiān)控裝置BPT-9301NFC來測量有功功率及頻率，觀察此時發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)動作情況以及機組負(fù)荷變化，并用錄波測試裝置BPT-9301FC進行錄波分析[3]。具體設(shè)備如表2所示。

表2 試驗所用設(shè)備

2.3 現(xiàn)場試驗方案及步驟

在分析完調(diào)速器、發(fā)電機組相關(guān)資料的前提下,了解了調(diào)速器和機組的相關(guān)功能和運行條件后,做好試驗方案和相關(guān)安排,準(zhǔn)備開始機組現(xiàn)場試驗[4,5]。試驗步驟如下：

①在機組檢修狀態(tài)下進行一次調(diào)頻試驗接線,接線無誤后進行試驗；

②調(diào)速器頻率測量單元校驗；

③調(diào)速器靜特性試驗（永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp校驗）；

④人工頻率死區(qū)設(shè)值校驗；

⑤頻率擾動試驗（測試不同參數(shù)不同模式下一次調(diào)頻功率調(diào)節(jié)性能）；

⑥大網(wǎng)運行、小網(wǎng)運行工況的PID控制參數(shù)的校驗（分別在開度反饋模式和功率反饋模式下進行）；

⑦一次調(diào)頻與AGC配合試驗；

⑧在機組檢修狀態(tài)下進行機組一次調(diào)頻試驗的拆線及恢復(fù)。

2.4 結(jié)果分析

調(diào)速器現(xiàn)地自動運行，頻率給定為50 Hz，TG2000H測試儀仿真機頻50 Hz，開限全開，液壓隨動系統(tǒng)放大倍數(shù)為整定值；模擬機組并網(wǎng)，開度調(diào)節(jié)模式，開度給定50%；一次調(diào)頻功能投入，置KP=10，KI=10(1/s)，KD=0 s，Ef=0 Hz。設(shè)置bp至設(shè)置值（4%），改變TG2000H仿真頻率信號，使導(dǎo)葉全開至全關(guān)來回各一次，測取接力器兩個輸出（Y1、Y2）及其對應(yīng)的輸入頻率（f1、f2），校驗永態(tài)轉(zhuǎn)差率bp設(shè)值，數(shù)據(jù)記錄見表3。

表3 靜特性試驗測試結(jié)果

為確保校驗精度，選擇25%和75%行程位置附近為測量點，按式（1）計算永態(tài)轉(zhuǎn)差率。

式中：Ymax為接力器最大行程；fr為額定頻率，50 Hz。

計算得到的永態(tài)轉(zhuǎn)差率與設(shè)置值吻合，偏差為0.03%。

二灘頻率死區(qū)設(shè)置值：0.05 Hz，實際動作值：+0.053/-0.052 Hz，滿足規(guī)范要求。目前彭水、長河壩、向家壩、官地4電站一次調(diào)頻死區(qū)為0.1 Hz，總裝機12 800 MW，在電網(wǎng)正常頻率波動范圍內(nèi)（±0.08 Hz）一次調(diào)頻不動作，建議統(tǒng)籌考慮對全網(wǎng)機組的死區(qū)設(shè)置進行優(yōu)化，如死區(qū)設(shè)置±0.04 Hz、±0.05 Hz、±0.06 Hz三個梯度，使全網(wǎng)機組分批次參與一次調(diào)頻，釋放更多機組的一次調(diào)頻容量，讓更多機組參與到頻率控制的第二道防線中，可極大地增加電網(wǎng)一次調(diào)頻容量，降低部分機組一次調(diào)頻的動作次數(shù)。不同模式下一次調(diào)頻階躍響應(yīng)如表4所示。

表4 不同模式下一次調(diào)頻

大網(wǎng)-開度模式平均穩(wěn)定時間18.5 s，大網(wǎng)-功率模式平均穩(wěn)定時間23.5 s，小網(wǎng)-開度模式平均穩(wěn)定時間117.5 s，小網(wǎng)-功率模式平均穩(wěn)定時間140 s，當(dāng)前小網(wǎng)-開度模式下響應(yīng)速度大幅降低，受水力因素影響，穩(wěn)定時間有一定差異；受機械死區(qū)影響，機組一次調(diào)頻動作復(fù)歸后，開度模式下，導(dǎo)葉開度正常復(fù)歸至動作前穩(wěn)定值，功率變化量較小，且功率無法復(fù)歸至動作前穩(wěn)定值（變化量不足）；功率模式下，功率變化量正常，且正常復(fù)歸至動作前穩(wěn)定值，導(dǎo)葉開度較動作前動作量更大。

一次調(diào)頻功能投入，模擬機組頻率擾動，分別進行大網(wǎng)-開度、大網(wǎng)-功率、小網(wǎng)-開度三種模式下一次調(diào)頻擾動試驗。試驗結(jié)果如表5所示。

表5 頻率擾動數(shù)據(jù)分析表

根據(jù)現(xiàn)場試驗及仿真數(shù)據(jù)，實測三種控制模式下實際動作量與理論動作量基本一致，動作穩(wěn)定時間與仿真結(jié)果基本一致，大網(wǎng)-開度模式穩(wěn)定時間16 s，調(diào)節(jié)速率快；大網(wǎng)-功率模式穩(wěn)定時間29 s，調(diào)節(jié)速率較快；小網(wǎng)-開度模式穩(wěn)定時間129 s，調(diào)節(jié)速率慢。結(jié)合機組和電網(wǎng)同步仿真計算，在電網(wǎng)安全穩(wěn)定、不發(fā)生振蕩的前提下，增大調(diào)速系統(tǒng)PID參數(shù)，提高一次調(diào)頻響應(yīng)速率。

3 結(jié)論

通過試驗研究發(fā)現(xiàn)一次調(diào)頻頻率死區(qū)、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp、調(diào)速器PID參數(shù)等影響水輪機調(diào)速器頻率穩(wěn)定，經(jīng)現(xiàn)場試驗驗證，二灘電站調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)參數(shù)滿足規(guī)范要求：測頻分辨率0.002 Hz，滿足規(guī)范要求；bp=4.03%，與設(shè)置值基本相符；開度死區(qū)小于0.1%，調(diào)節(jié)性能好；監(jiān)控系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)死區(qū)3 MW，調(diào)速器功率模式調(diào)節(jié)死區(qū)3.3 MW，功率死區(qū)較小，控制精度較高。

通過本項目分析及現(xiàn)場試驗，結(jié)合西南電網(wǎng)對機組一次調(diào)頻的要求，對機組調(diào)速器頻率穩(wěn)定性有以下相關(guān)建議：

（1）一次調(diào)頻頻率死區(qū)有待優(yōu)化。建議統(tǒng)籌考慮對全網(wǎng)機組的死區(qū)設(shè)置進行優(yōu)化，如死區(qū)設(shè)置±0.04 Hz、±0.05 Hz、±0.06 Hz三個梯度，使全網(wǎng)機組分批次參與一次調(diào)頻，釋放更多機組的一次調(diào)頻容量，讓更多機組參與到頻率控制的第二道防線中。

（2）當(dāng)前小網(wǎng)-開度模式一次調(diào)頻調(diào)節(jié)速率慢。建議在確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定、不發(fā)生頻率振蕩的前提下，增大調(diào)速系統(tǒng)PID參數(shù)，提高一次調(diào)頻響應(yīng)速率，設(shè)置對應(yīng)PID參數(shù)為：Kp=2.5、Ki=0.8、Kd=0。