齊聰，蒙淑平，鄢波，何鈞，吳道平

（1.中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江西 南昌 330096；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

近年來(lái)，江西電網(wǎng)負(fù)荷增長(zhǎng)較快，但電源結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，常規(guī)能源發(fā)電占比較大。特高壓入贛后，江西電網(wǎng)作為典型的特高壓受端電網(wǎng)，一方面直流閉鎖容易導(dǎo)致大量功率缺額帶來(lái)電網(wǎng)低頻的問(wèn)題；另一方面本地機(jī)組開(kāi)機(jī)減少，使得電網(wǎng)的調(diào)頻能力下降。江西電網(wǎng)的穩(wěn)定特性將逐步從熱穩(wěn)定和功角穩(wěn)定問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)頻率穩(wěn)定問(wèn)題。所以，發(fā)電機(jī)組調(diào)頻功能的有效投運(yùn)對(duì)于保障江西電網(wǎng)有功平衡和頻率穩(wěn)定有著尤為重要的意義[1]。水電機(jī)組由于開(kāi)停機(jī)迅速、帶負(fù)荷速度快、頻繁啟停機(jī)不會(huì)消耗過(guò)多的能量等優(yōu)點(diǎn)，在江西電網(wǎng)承擔(dān)著主要的調(diào)頻任務(wù)。

華中電網(wǎng)為了提高供電質(zhì)量，分別制定了《華中區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》和《華中區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》，其中對(duì)水電機(jī)組的一次調(diào)頻的投入率、調(diào)節(jié)指標(biāo)的考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定。通過(guò)對(duì)江西省內(nèi)統(tǒng)調(diào)水電機(jī)組的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大部分水電機(jī)組的一次調(diào)頻性能指標(biāo)與“兩個(gè)細(xì)則”存在較大的差距。因此，提高江西省統(tǒng)調(diào)水電機(jī)組的一次調(diào)頻性能是當(dāng)前亟待解決的迫切問(wèn)題。

1 江西省內(nèi)水電機(jī)組一次調(diào)頻問(wèn)題研究

目前，江西省大部分水電機(jī)組均設(shè)計(jì)有一次調(diào)頻功能，但根據(jù)省內(nèi)統(tǒng)調(diào)水電機(jī)組一次調(diào)頻性能測(cè)試情況來(lái)看，機(jī)組一次調(diào)頻性能并不理想。其中，存在兩個(gè)最突出的問(wèn)題。

1.1 一次調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題

江西省內(nèi)水電機(jī)組的一次調(diào)頻功能均設(shè)計(jì)為由機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)組一次調(diào)頻主要體現(xiàn)在當(dāng)系統(tǒng)頻率變化超過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率死區(qū)Ef時(shí)，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)將根據(jù)頻率靜態(tài)特性（調(diào)差特性）所固有的能力，按整定的永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp自行改變導(dǎo)葉開(kāi)度，從而控制改變機(jī)組有功功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率的行為。通用的一次調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)[2]如圖1所示。

圖1 省內(nèi)通用的一次調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)框圖

其中：Cf－頻率給定（50 Hz）；f－機(jī)組實(shí)測(cè)頻率；Cy－開(kāi)度給定（監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)）；Ef－人工頻率死區(qū)；Kp、KI、Kd－控制參數(shù)；bp－永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)。

調(diào)速器根據(jù)頻差做出開(kāi)度調(diào)節(jié)，由導(dǎo)葉變化引起機(jī)組功率變化，一次調(diào)頻實(shí)際的調(diào)節(jié)對(duì)象是導(dǎo)葉開(kāi)度，但導(dǎo)葉開(kāi)度引起的有功變化的過(guò)程容易受到水頭變化、水力、機(jī)械等因素的干擾，現(xiàn)有的控制結(jié)構(gòu)要滿足一次調(diào)頻積分電量的考核要求，本身就存在“先天不足”；再加上華中電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”中對(duì)一次調(diào)頻的考核指標(biāo)主要是采用的是“積分電量”，積分電量用來(lái)表征頻差、機(jī)組有功在時(shí)間軸上的累積關(guān)系，關(guān)注的是頻率及機(jī)組實(shí)發(fā)功率，沒(méi)有導(dǎo)葉開(kāi)度的體現(xiàn)。因此，電廠實(shí)際的調(diào)節(jié)過(guò)程和電網(wǎng)要求的目標(biāo)不一致，實(shí)際體現(xiàn)出來(lái)的調(diào)頻實(shí)際效果顯然不會(huì)理想。

而且，和火電廠不同，水電機(jī)組的一次調(diào)頻性能除了要求機(jī)組負(fù)荷變化速度外，還受到水錘效應(yīng)的影響。水錘效應(yīng)的大小，影響了一次調(diào)頻考核積分電量。但是，目前江西省內(nèi)水電機(jī)組的一次調(diào)頻設(shè)計(jì)均未考慮水錘因素及積分電量因素影響。

1.2 現(xiàn)有增強(qiáng)型調(diào)頻算法存在問(wèn)題

通過(guò)江西省內(nèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，水電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作大部分發(fā)生在調(diào)頻死區(qū)附近，由于參與計(jì)算的頻差較小，相應(yīng)地機(jī)組有功變化值不大。目前，江西省很多水電機(jī)組為了滿足華中電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”的考核要求，將算法改為增強(qiáng)型調(diào)頻算法。

增強(qiáng)型調(diào)頻算法[3]通過(guò)改進(jìn)機(jī)組的一次調(diào)頻死區(qū)特性，將死區(qū)值計(jì)入功率調(diào)節(jié)量，當(dāng)偏差超過(guò)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)置的一次調(diào)頻死區(qū)后，不減去頻率死區(qū)，直接進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，從而達(dá)到提高一次調(diào)頻的響應(yīng)特性的目的，其計(jì)算框圖如圖2所示。

圖2 增強(qiáng)型調(diào)頻算法死區(qū)計(jì)算框圖

但是實(shí)際運(yùn)行中，我們發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)型調(diào)頻算法忽略了調(diào)頻死區(qū)附近的非線性動(dòng)力學(xué)行為，在調(diào)頻動(dòng)作開(kāi)始時(shí)有階躍變化，若系統(tǒng)頻率長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在人工頻率死區(qū)附近，一次調(diào)頻會(huì)發(fā)生頻繁動(dòng)作與復(fù)歸，此時(shí)會(huì)造成調(diào)速系統(tǒng)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻繁動(dòng)作，不僅加重元器件的磨損，而且容易導(dǎo)致機(jī)組功率發(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，從而影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，詳見(jiàn)圖3。

圖3 常規(guī)調(diào)頻與增強(qiáng)型調(diào)頻動(dòng)作效果對(duì)比

圖3是模擬電網(wǎng)頻率在死區(qū)附近頻繁的擾動(dòng)，常規(guī)調(diào)頻與增強(qiáng)型調(diào)頻動(dòng)作對(duì)比圖。隨著頻率在死區(qū)附近反復(fù)波動(dòng)，普通型一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量變化不大；而增強(qiáng)型一次調(diào)頻算法始終有1~2 MW左右的功率波動(dòng)，且其波動(dòng)幅度逐漸漂移。造成波動(dòng)幅度大的原因是增強(qiáng)型一次調(diào)頻算法的階躍響應(yīng)，導(dǎo)致調(diào)節(jié)開(kāi)始時(shí)動(dòng)作值階躍變化，在一次調(diào)頻復(fù)歸時(shí)，又形成反方向的階躍反調(diào)效果，且功率波動(dòng)幅度大大高于普通型一次調(diào)頻算法。幅值的漂移現(xiàn)象是一次調(diào)頻頻繁動(dòng)作、復(fù)歸，由于參與調(diào)節(jié)的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)死區(qū)和調(diào)節(jié)速度差異累計(jì)而造成的。

2 水電機(jī)組一次調(diào)頻性能優(yōu)化技術(shù)研究

為保證水電機(jī)組的一次調(diào)頻性能指標(biāo)，需要水電機(jī)組在一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)具有較快的調(diào)節(jié)速度、較短的響應(yīng)時(shí)間及較大的調(diào)節(jié)深度。文中針對(duì)江西省內(nèi)水電機(jī)組一次調(diào)頻存在問(wèn)題，擬從以下調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)深度兩方面開(kāi)展水輪機(jī)組一次調(diào)頻性能關(guān)鍵技術(shù)研究。

2.1 水電機(jī)組一次調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

改善一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，即一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時(shí)間及調(diào)節(jié)速度，首先需要優(yōu)化機(jī)組一次調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減小機(jī)組水錘效應(yīng)。江西省大部分水電機(jī)組采用的是以導(dǎo)葉為控制目標(biāo)的調(diào)節(jié)方式，而電網(wǎng)關(guān)注一次調(diào)頻指標(biāo)是功率，水電機(jī)組一次調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)首先需要解決這個(gè)問(wèn)題。

水電機(jī)組一次調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整的原則是“將一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)對(duì)象從導(dǎo)葉開(kāi)度修改為機(jī)組有功功率指令”，由水電機(jī)組功率調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整。由于考核細(xì)則和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)水電機(jī)組一、二次調(diào)頻的調(diào)節(jié)速度和精度要求不一致，一次調(diào)頻要求速度更快，而二次調(diào)頻相對(duì)來(lái)講要求調(diào)節(jié)精度更高，可以將機(jī)組一次調(diào)頻功率調(diào)節(jié)器和二次調(diào)頻功率器分開(kāi)，兩者獨(dú)立設(shè)置，互不影響。

為了減少水錘的影響，需要在導(dǎo)葉初始開(kāi)啟及關(guān)閉時(shí)相對(duì)減慢導(dǎo)葉動(dòng)作速度?？梢酝ㄟ^(guò)一次調(diào)頻功率調(diào)節(jié)器PID“變參數(shù)”的調(diào)節(jié)手段，實(shí)現(xiàn)三段閉環(huán)速率。在初始t0階段，采用較小的Kp、Ki值，使初始調(diào)節(jié)速度減慢；在中段t0-t1時(shí)，加大Kp、Ki值，使導(dǎo)葉調(diào)節(jié)速度加快；在后段，減小Kp值，Ki值保持適當(dāng)，相當(dāng)于“踩剎車”，減少超調(diào)量，可適當(dāng)提高調(diào)節(jié)精度。為了加快機(jī)組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)速度，可以借鑒前饋控制的思路，將原有的“一次調(diào)頻導(dǎo)葉控制量”作為調(diào)節(jié)前饋?zhàn)饔玫綄?dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。由于導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)與水機(jī)做功流量不是線性關(guān)系，可以將“導(dǎo)葉—流量”自適應(yīng)回路加到前饋量上。

具體的水電機(jī)組一次調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖4所示。

圖4 水電機(jī)組一次調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

2.2 改進(jìn)型增強(qiáng)一次調(diào)頻算法研究

增強(qiáng)型一次調(diào)頻算法實(shí)質(zhì)是采用零死區(qū)或小死區(qū)的方式參與一次調(diào)頻，提高了機(jī)組的一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量，減少了電網(wǎng)調(diào)頻考核。但從實(shí)際的運(yùn)行效果來(lái)看，階躍型沖擊信號(hào)將影響電網(wǎng)的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性。

本節(jié)將研究一種改進(jìn)型增強(qiáng)一次調(diào)頻算法，采用了基于動(dòng)態(tài)調(diào)頻死區(qū)的設(shè)置方法，既能有效提升水電機(jī)組參與一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)深度，減少水電機(jī)組因一次調(diào)頻考核所造成的經(jīng)濟(jì)損失，又避免了原有增強(qiáng)型調(diào)頻算法導(dǎo)致的階躍變化造成的電網(wǎng)沖擊，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本算法的核心是原有的一次調(diào)頻死區(qū)Ef分開(kāi)，分為一次調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)Efa、一次調(diào)頻復(fù)歸死區(qū)Efr和一次調(diào)頻的計(jì)算死區(qū)Efc。

動(dòng)作死區(qū)Efa根據(jù)華中電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定，決定水電機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)的起始點(diǎn)，如果調(diào)速器檢測(cè)到水電機(jī)組實(shí)際的頻差|Δf|超過(guò)動(dòng)作死區(qū)，則一次調(diào)頻動(dòng)作，從而保證水電機(jī)組一次調(diào)頻準(zhǔn)確性。

復(fù)歸死區(qū)Efr決定水電機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)的停止點(diǎn)，當(dāng)水電機(jī)組一次調(diào)頻功能投入且動(dòng)作后，如果調(diào)速器檢測(cè)到水電機(jī)組實(shí)際的頻差|Δf|小于復(fù)歸死區(qū)時(shí)，則一次調(diào)頻停止動(dòng)作。復(fù)歸死區(qū)可以減少機(jī)組在一次調(diào)頻死區(qū)附近反復(fù)震蕩。

計(jì)算死區(qū)Efc采用動(dòng)態(tài)柔性跟蹤的方式，保證水電機(jī)組一次調(diào)頻過(guò)程的調(diào)節(jié)深度，削弱水擊反調(diào)和階躍沖擊所帶來(lái)的調(diào)節(jié)不穩(wěn)現(xiàn)象，體現(xiàn)了水電機(jī)組一次調(diào)頻的響應(yīng)性能。

Efc的跟蹤公式：Efc=（1－k1×k2×t）×Efa

k1、k2－頻率死區(qū)調(diào)節(jié)系數(shù)；

t－頻率死區(qū)調(diào)節(jié)時(shí)間，t=0…T，T為頻率死區(qū)調(diào)節(jié)總時(shí)間，T一般可取3 s-8 s。t的初值為0，當(dāng)t=T時(shí)，Efc=1－k1×Efa。

以某水電機(jī)組為例，設(shè)定水電機(jī)組動(dòng)作死區(qū)Efa=0.05 Hz；復(fù)歸死區(qū)設(shè)定為Efr=0.045 Hz；跟蹤時(shí)間T取值8 s，則k2=0.125，調(diào)節(jié)系數(shù)k1取1，則最終跟蹤公式為Efc=（－0.006 25t+0.05）Hz。改進(jìn)型增強(qiáng)一次調(diào)頻算法動(dòng)作效果如圖5所示。

圖5 改進(jìn)型增強(qiáng)一次調(diào)頻算法效果對(duì)比圖

2.3 基于“積分電量動(dòng)態(tài)滾動(dòng)校正”的一次調(diào)頻優(yōu)化方法研究

華中電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”對(duì)水電機(jī)組一次調(diào)頻的考核主要是采用“積分電量”[4]的考核方法，而現(xiàn)有的調(diào)速器調(diào)頻內(nèi)部程序算法主要是依據(jù)頻差—永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)函數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并沒(méi)有考慮機(jī)組實(shí)際的一次調(diào)頻動(dòng)作效果。本方法引入“積分電量動(dòng)態(tài)校正”的理念，與常規(guī)的一次調(diào)頻方案相結(jié)合，針對(duì)考核細(xì)則進(jìn)行一次調(diào)頻動(dòng)作過(guò)程中的動(dòng)態(tài)調(diào)整，提高了機(jī)組一次調(diào)頻的動(dòng)作達(dá)標(biāo)率，從而達(dá)到改善一次調(diào)頻指標(biāo)的目的。

該方法的核心是計(jì)算“積分電量”指標(biāo)。積分電量k（實(shí)際占比）計(jì)算模塊如圖6所示。

圖6 “積分電量”計(jì)算模塊圖

積分電量指標(biāo)k實(shí)時(shí)計(jì)算，滾動(dòng)存儲(chǔ)，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，可1 s-2 s計(jì)算一次。由于一次調(diào)頻在“小頻差”范圍內(nèi)動(dòng)作時(shí)，積分電量值比較小，時(shí)間短，不易進(jìn)行校正，且由于電網(wǎng)對(duì)大頻差擾動(dòng)要求更加嚴(yán)格，所以“積分電量動(dòng)態(tài)校正”主要用于大頻差（大于0.08 Hz）一次調(diào)頻動(dòng)作。具體的實(shí)施步驟如下所示。

第一步：獲取水電機(jī)組實(shí)際頻差Δf，若實(shí)際頻差的絕對(duì)值大于0.08 Hz，則判斷為大頻差一次調(diào)頻動(dòng)作動(dòng)作，反正不動(dòng)作。

第二步：設(shè)置延時(shí)時(shí)間T。如果T s，一次調(diào)頻復(fù)歸，則不動(dòng)作。否之，進(jìn)入第三步。設(shè)置延時(shí)時(shí)間是為了防止一次調(diào)頻頻繁動(dòng)作造成積分電量往復(fù)校正。

第三步：判斷當(dāng)前實(shí)時(shí)積分電量指標(biāo)k1。如果k1>0.6。則不動(dòng)作。進(jìn)入第五步。否之，進(jìn)入第四步。

第四步：計(jì)算積分電量補(bǔ)償值ΔP1。并將ΔP1疊加到一次調(diào)頻動(dòng)作量中，由調(diào)節(jié)系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)。

ΔP1=α×|He-Hi|/Δt

He—當(dāng)前時(shí)刻理論積分電量；

Hi—當(dāng)前時(shí)刻實(shí)際積分電量；

α—補(bǔ)償電量調(diào)整系數(shù)（0<α<1）

第五步：等待時(shí)間Δt。如果一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)間t>60 s或者本次調(diào)頻動(dòng)作結(jié)束，則復(fù)歸。否則，重新進(jìn)入實(shí)時(shí)積分電量指標(biāo)k1判斷。進(jìn)入第三步。

基于積分電量動(dòng)態(tài)校正的一次調(diào)頻優(yōu)化方法針對(duì)華中電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”的考核指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了機(jī)組一次調(diào)頻的動(dòng)作達(dá)標(biāo)率，從而達(dá)到改善機(jī)組一次調(diào)頻性能指標(biāo)的目的。

3 應(yīng)用實(shí)施效果

以江西省內(nèi)某臺(tái)水電機(jī)組為例。采用水機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)通用的并聯(lián)PID控制的電子調(diào)節(jié)器模型。機(jī)組參數(shù)如表1所示。

表1 某水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置

用頻率發(fā)生器模擬頻率fg輸出，在該機(jī)組上分別應(yīng)用優(yōu)化前和優(yōu)化后的一次調(diào)頻控制策略，進(jìn)行一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析，結(jié)果如表2所示。

表2 某水電機(jī)組優(yōu)化前后一次調(diào)頻算法動(dòng)態(tài)過(guò)程性能指標(biāo)對(duì)比

從表2可以看出，經(jīng)優(yōu)化后機(jī)組調(diào)頻性能有了較大提高，且貢獻(xiàn)電量指標(biāo)有明顯的增長(zhǎng)，完全滿足華中電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”的考核要求，從而驗(yàn)證了優(yōu)化措施的可行性和有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

文中根據(jù)華中電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”中對(duì)于水電廠一次調(diào)頻的要求，分析江西省內(nèi)機(jī)組一次調(diào)頻存在的典型問(wèn)題，圍繞一次調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及改進(jìn)型增強(qiáng)一次調(diào)頻算法研究?jī)蓚€(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，針對(duì)性的提出了水電機(jī)組一次調(diào)頻性能優(yōu)化方法。從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行效果來(lái)看，優(yōu)化改造的效果良好，對(duì)于同類型水電機(jī)組具有一定的借鑒作用。