羅倚天，趙文利，丁占濤，張雨晗，程遠(yuǎn)楚

（1.武漢大學(xué)水力機(jī)械過渡過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072；2.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(kù)爾勒841000）

0 引 言

水電機(jī)組的一次調(diào)頻對(duì)維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定至關(guān)重要，它可以根據(jù)負(fù)荷的變化不斷調(diào)整有功功率輸出，快速提供功率支援，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性［1］。目前，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，容量越來越大，區(qū)域間聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)距離大容量輸電和電力交換頻繁［2］，電站的一次調(diào)頻考核越發(fā)嚴(yán)格。

為考核水電機(jī)組的一次調(diào)頻性能，各電網(wǎng)公司均提出了相應(yīng)的考核評(píng)價(jià)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(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》及《西北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》等指標(biāo)要求［3］。各電站只有在實(shí)際運(yùn)行中滿足電網(wǎng)各項(xiàng)指標(biāo)要求才不會(huì)被考核。目前，水電機(jī)組調(diào)速器多采用PID控制算法，由于水輪機(jī)的非線性特性，當(dāng)運(yùn)行水頭與導(dǎo)葉開度變化時(shí)，為取得良好的一次調(diào)頻效果，需實(shí)時(shí)地根據(jù)水頭與開度調(diào)整一次調(diào)頻控制參數(shù)。參數(shù)調(diào)整的過于頻繁或調(diào)整不當(dāng)可能引起系統(tǒng)的自激振蕩［4］和出現(xiàn)不穩(wěn)定問題。

針對(duì)變工況下一次調(diào)頻存在的問題，文獻(xiàn)［5］從改變穿越振動(dòng)區(qū)、一次調(diào)頻與AGC 配合、機(jī)組小負(fù)荷分配等方面改進(jìn)了AGC 控制策略；文獻(xiàn)［6］通過改進(jìn)水電機(jī)組一次調(diào)頻和AGC 控制策略以提高穩(wěn)定性；文獻(xiàn)［7］以小灣水電廠多次一次調(diào)頻被考核為例，優(yōu)化了變工況下一次調(diào)頻和AGC的配合策略。這些研究基本都是通過改變一次調(diào)頻與AGC 控制策略提高兩者的協(xié)調(diào)性而使一次調(diào)頻指標(biāo)滿足考核要求，且多從AGC的角度出發(fā)，進(jìn)行策略的優(yōu)化。本文擬從一次調(diào)頻角度出發(fā)，提出一種響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)品質(zhì)高、指標(biāo)達(dá)標(biāo)率高、控制參數(shù)適應(yīng)性強(qiáng)的帶有參考模型的功率-頻率控制方法，以此提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻的質(zhì)量，改善電站被考核的情況。

1 水輪機(jī)調(diào)速器功率-頻率控制方法

1.1 功率-頻率綜合控制方法

在水輪機(jī)調(diào)速器中，往往設(shè)有頻率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)三種模式。目前，在大多數(shù)水輪機(jī)調(diào)速器中，功率調(diào)節(jié)模式和頻率調(diào)節(jié)模式采用同一個(gè)PID 控制器，功率差值經(jīng)過調(diào)差率作用后和頻率差值一同送入控制器進(jìn)行偏差校正，直至偏差為0 后調(diào)節(jié)過程結(jié)束。本文稱此種方式為功率-頻率的綜合控制方法，如圖1所示。

圖1 功率-頻率綜合控制方法Fig.1 Integrated power-frequency control method

當(dāng)水電機(jī)組并入大電網(wǎng)時(shí)，改變機(jī)組出力對(duì)電網(wǎng)的頻率影響很小，可以忽略，因此可將頻率調(diào)節(jié)環(huán)看作開環(huán)。同時(shí)，因?yàn)闄C(jī)組頻率變化很小，機(jī)組出力可視為與水輪機(jī)力矩相同。根據(jù)圖1 中的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行一次調(diào)頻和功率調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性分析，在電站進(jìn)行功率模式控制時(shí)，一般采用PI 規(guī)律，將微分環(huán)節(jié)切除，此處將不考慮微分項(xiàng)，力矩的拉氏變換的主導(dǎo)極點(diǎn)為頻率指令信號(hào)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的估計(jì)值均為。

由公式可知，調(diào)節(jié)時(shí)間TL跟eP存在一定的關(guān)系，當(dāng)eP變化時(shí)，TL也會(huì)發(fā)生變化。顯然，調(diào)整eP時(shí)，為保證一次調(diào)頻的響應(yīng)時(shí)間合格，KP和KI值需相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。這就給參數(shù)整定帶來了困難。

1.2 具有參考模型的功率-頻率控制方法

在圖1的基礎(chǔ)上，本文提出一種具有參考模型的功率-頻率控制方法，如圖2 所示。與圖1 的方法相比，頻率調(diào)節(jié)模式采用上面的PID 控制器，功率調(diào)節(jié)模式采用下面的PID 控制器。并大網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，選擇功率調(diào)節(jié)模式，其工作過程如下：

圖2 具有參考模型的功率-頻率控制方法Fig.2 Power-frequency control method with reference model

頻率給定和取自電廠的實(shí)測(cè)頻率信號(hào)形成頻率偏差，偏差值經(jīng)過調(diào)差率作用后折算成功率修正信號(hào)送至參考模型，折算公式為功率給定與取自發(fā)電機(jī)機(jī)端的實(shí)時(shí)功率進(jìn)行綜合形成功率偏差并與頻率偏差一同送至PI 環(huán)節(jié)進(jìn)行校正。水頭輸入即為當(dāng)前工作水頭，它與功率修正值及給定功率一同送入?yún)⒖寄Ｐ停瑓⒖寄Ｐ涂捎伤啓C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線求得，將導(dǎo)葉開度表示為水頭和功率的函數(shù)，即y=f(H，P)。即可以利用當(dāng)前運(yùn)行水頭和目標(biāo)功率求出對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開度值，直接參與控制。當(dāng)電網(wǎng)頻率變化，頻差超過一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)，輸出的頻率差信號(hào)按調(diào)差率要求轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的功率信號(hào)PC去修正給定功率PS，即有y=f(H，PS+PC)，此時(shí)的開度即為查參考模型所得的一次調(diào)頻建議參考開度。對(duì)于剩余的實(shí)際功率與目標(biāo)功率的差值，由PID控制器產(chǎn)生相應(yīng)輸出予以消除。

此種調(diào)節(jié)模式的響應(yīng)時(shí)間由參考模型確定，因此，可以加快一次調(diào)頻和AGC的響應(yīng)速度。

若不考慮參考模式的作用，對(duì)圖2 所示功率調(diào)節(jié)模式進(jìn)行一次調(diào)頻和功率調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性分析，力矩的拉氏變換的主導(dǎo)極點(diǎn)為，頻率指令信號(hào)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的估計(jì)值為由公式可知調(diào)節(jié)時(shí)間TL與eP無關(guān)，eP變化時(shí)，TL不會(huì)發(fā)生變化，因此參數(shù)KP和KI的整定也相對(duì)容易些。

2 一次調(diào)頻仿真試驗(yàn)

以西北某水電站為例，根據(jù)實(shí)際情況采用非線性模型，分析電站水頭變化對(duì)一次調(diào)頻性能的影響。該電站額定工作水頭Hr=84 m，額定轉(zhuǎn)速nr=187.5 r/min，額定流量為Qr=119.66 L/min，機(jī)組額定出力Pr=92.3 MW，水輪機(jī)力矩特性如圖3所示，調(diào)差率ep=0.04，一次調(diào)頻死區(qū)±0.05 Hz，功率死區(qū)0.01。該電站設(shè)有調(diào)壓室，機(jī)組至分叉管節(jié)點(diǎn)的水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw1=1.125 4 s，分叉管節(jié)點(diǎn)至上游水庫(kù)的水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw2=3.493 2 s。

圖3 水輪機(jī)力矩特性曲線Fig.3 Torque characteristic curve of hydraulic turbine

2.1 功率-頻率綜合控制方法下一次調(diào)頻仿真試驗(yàn)

采用圖1 所示的功率-頻率控制方法，在不同水頭下，進(jìn)行頻率階躍信號(hào)下的一次調(diào)頻仿真試驗(yàn)，整定一組參數(shù)值KP= 1，KI= 5，計(jì)算相關(guān)指標(biāo)如表1所示。以《西北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》的指標(biāo)要求為依據(jù)，一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時(shí)間應(yīng)小于4 s；單次大頻差擾動(dòng)一次合格率I（積分電量比例與響應(yīng)值比例的平均數(shù)）應(yīng)不小于80%，該電站的一次調(diào)頻試驗(yàn)合格，其典型階躍響應(yīng)如圖3所示。

圖4 84 m水頭下功率達(dá)到40%階躍響應(yīng)過程Fig.4 Step response with power up to 40%under water head of 84 m

由表1 可知，在同樣水頭不同出力時(shí)，滯后時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間和積分電量指標(biāo)變化明顯，在高水頭大功率時(shí)出現(xiàn)積分電量比值和滯后時(shí)間不滿足考核要求的情況。在同樣出力不同水頭時(shí)，由于水頭的變化會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)質(zhì)量變差，若需滿足各水頭下一次調(diào)頻考核要求，需開展多種水頭下的一次調(diào)頻試驗(yàn)，且調(diào)速器需增加隨水頭變化自動(dòng)調(diào)整一次調(diào)頻參數(shù)的功能。

表1 功率-頻率綜合控制方法下的一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of primary frequency modulation under Integrated power-frequency control method

2.2 具有參考模型的功率-頻率綜合控制方法下一次調(diào)頻仿真試驗(yàn)

依據(jù)電站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，建立參數(shù)模型如圖5所示，采用非線性模型進(jìn)行一次調(diào)頻仿真試驗(yàn)，仍然整定一組PI參數(shù)：Kp= 0.1，KI= 0.1，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，典型階躍響應(yīng)如圖6所示。

圖5 開度與水頭和出力的關(guān)系Fig.5 The relation between opening and head and output

圖6 84 m水頭下功率達(dá)到40%階躍響應(yīng)過程Fig.6 Step response with power up to 40%under water head of 84 m

由表2 的結(jié)果可以看出，在不同水頭同樣出力下，響應(yīng)時(shí)間、滯后時(shí)間、響應(yīng)值比例和積分電量比值的變化幅度較小，在相同水頭不同出力下，各項(xiàng)指標(biāo)也更為接近，且均滿足一次調(diào)頻考核要求。與功率-頻率綜合控制方法得出的結(jié)果相比，控制參數(shù)無需根據(jù)運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整。

表2 具有參考模型的功率-頻率控制方法下的一次調(diào)頻試驗(yàn)Tab.2 Results of primary frequency modulation under Power-frequency control method with reference model

3 實(shí)際應(yīng)用與分析

前述分析是以電網(wǎng)頻率階躍變化進(jìn)行分析的。實(shí)際電網(wǎng)中，機(jī)組在進(jìn)行一次調(diào)頻時(shí)，電網(wǎng)頻率是逐步恢復(fù)的，和仿真試驗(yàn)并不完全相同。本節(jié)以電網(wǎng)實(shí)際頻率變化進(jìn)行電站實(shí)際應(yīng)用分析。

3.1 功率-頻率綜合控制方法結(jié)果分析

對(duì)于第3節(jié)中所述電站，在調(diào)速器未改造前，以電網(wǎng)實(shí)測(cè)頻率為輸入信號(hào)，開展不同水頭和不同功率下的一次調(diào)頻仿真試驗(yàn)。取一次調(diào)頻試驗(yàn)合格的一組PI 整定參數(shù)：KP= 1，KI= 5，一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。以89.66 m 水頭下功率達(dá)到80%工況為例，其典型動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖7所示。

圖7 89.66 m水頭下功率達(dá)到80%機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線圖Fig.7 Step response with power up to 80%under water head of 89.66 m

分析表3 可知，運(yùn)用綜合控制方法在實(shí)測(cè)頻率信號(hào)下出現(xiàn)了不合格的情況。在不同的水頭下，當(dāng)機(jī)組功率達(dá)到80%時(shí)，單次大頻差擾動(dòng)一次合格率I小于80%，在84 m 和86 m 水頭（低水頭）時(shí)還會(huì)出現(xiàn)滯后時(shí)間大于4 s 的情況，一次調(diào)頻考核不合格。所以固定一組調(diào)節(jié)參數(shù)，當(dāng)工況發(fā)生改變，尤其是大負(fù)荷時(shí)一次調(diào)頻指標(biāo)難以達(dá)到要求，一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)品質(zhì)不高。

表3 實(shí)測(cè)頻率下的功率-頻率綜合控制方法一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of primary frequency modulation under Integrated power-frequency control method under real frequency signal

3.2 具有參考模型的功率-頻率控制方法結(jié)果分析

采用具有參考模型的功率-頻率方法，建立調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線性仿真模型，根據(jù)電廠提供的飛逸特性曲線和綜合特性曲線計(jì)算出不同水頭和不同接力器行程下的發(fā)電機(jī)輸出功率，并建立參考模型，參考模型中的機(jī)組出力三維圖如圖3 所示。選取一次調(diào)頻試驗(yàn)合格的PI 參數(shù)：KP= 0.1，KI= 0.1，以電網(wǎng)實(shí)測(cè)信號(hào)作為輸入，得到的一次調(diào)頻仿真結(jié)果如表4所示，其典型動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程如圖8所示。

圖8 89.66 m水頭下功率達(dá)到80%時(shí)機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線圖Fig.8 Step response with power up to 80%under water head of 89.66 m

表4 實(shí)測(cè)頻率下具有參考模型的功率-頻率控制方法一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of primary frequency modulation under Power-frequency control method with reference model under real frequency signal

分析表4可知，在不同的水頭下和不同機(jī)組出力下，取同一組整定參數(shù)，大功率下的單次大頻差擾動(dòng)一次合格率I滿足西北電網(wǎng)要求的80%，滯后時(shí)間小于4 s，一次調(diào)頻過程均合格。與頻率-功率綜合控制方法相比，在水頭和出力變化時(shí)，此方法在固定一組整定參數(shù)下，滯后時(shí)間更短，響應(yīng)速度更快，一次調(diào)頻均能取得較好效果。

4 結(jié) 論

本文通過分析功率-頻率綜合控制的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性，結(jié)合西北某水電站出現(xiàn)的一次調(diào)頻被考核的情況，提出了一種具有參考模型的功率-頻率的控制方法，該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工況改變時(shí)，一次調(diào)頻過程仍可以共用一組參數(shù)，解決了在變工況下頻繁更改調(diào)節(jié)參數(shù)、一次調(diào)頻調(diào)節(jié)品質(zhì)差、達(dá)標(biāo)率低的問題。在電廠實(shí)際應(yīng)用中，取得了較好的控制效果。 □