胡 翔，王 春，杜繼成，楊 洋，蔣長(zhǎng)江，吳 星，丁仁山，鄒 皓

(1.國(guó)家電網(wǎng)有限公司西南分部，四川 成都 610041；2.大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，四川 成都 610032；3. 雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

西南電網(wǎng)轉(zhuǎn)入異步聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行后，同步電網(wǎng)規(guī)模變小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下降，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定控制難度大。因此，需要廠網(wǎng)協(xié)調(diào)配合，發(fā)揮網(wǎng)源合力，確保電網(wǎng)安全和清潔能源消納。異步聯(lián)網(wǎng)后水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)為小網(wǎng)-開(kāi)度模式運(yùn)行[1]，本文主要從水電機(jī)組小網(wǎng)開(kāi)度模式下實(shí)測(cè)和仿真分析及一次調(diào)頻與AGC配合策略2個(gè)方面，分析小網(wǎng)開(kāi)度模式下水電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作情況，并給出優(yōu)化建議，以提高水電機(jī)組一次調(diào)頻能力，保障電網(wǎng)頻率控制穩(wěn)定。

1 異步聯(lián)網(wǎng)后西南電網(wǎng)一次調(diào)頻動(dòng)作情況

異步運(yùn)行后，西南電網(wǎng)頻率波動(dòng)范圍較異步前有所增大，水、火電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作次數(shù)較同步聯(lián)網(wǎng)期間有所增加[2]，分析小網(wǎng)開(kāi)度模式下水電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作情況，給出優(yōu)化提升建議，對(duì)提高西南電網(wǎng)頻率穩(wěn)定特性和頻率質(zhì)量具有重要意義。

1.1 一次調(diào)頻單獨(dú)動(dòng)作(AGC不動(dòng)作)

2020年3月16日08∶38∶50二灘水電站1～5號(hào)機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作情況為：頻率極值49.908 Hz，導(dǎo)葉最大值16.964%，導(dǎo)葉最小值16.437%，導(dǎo)葉理論動(dòng)作量4.60%，實(shí)際動(dòng)作量0.527%，功率變化量約4 MW，動(dòng)作曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 1號(hào)機(jī)組動(dòng)作曲線(xiàn)(2020年3月16日)

從一次調(diào)頻動(dòng)作統(tǒng)計(jì)情況分析，一次調(diào)頻動(dòng)作持續(xù)時(shí)間在30 s左右，受死區(qū)和PID參數(shù)影響機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)際動(dòng)作量較小。電網(wǎng)頻率在實(shí)際運(yùn)行中是動(dòng)態(tài)變化的，控制系統(tǒng)實(shí)際調(diào)節(jié)過(guò)程需要一定的時(shí)間，在機(jī)組控制系統(tǒng)未調(diào)節(jié)到目標(biāo)值時(shí)，電網(wǎng)頻率又發(fā)生了變化或者復(fù)歸到頻率死區(qū)內(nèi)，一次調(diào)頻時(shí)間短，調(diào)頻動(dòng)作量不足[3]；因此如何在小網(wǎng)開(kāi)度模式下優(yōu)化一次調(diào)頻性能，增加調(diào)頻能力是本文研究的重點(diǎn)。

1.2 一次調(diào)頻與AGC同時(shí)動(dòng)作

2020年3月1日 21∶52∶16二灘水電站1、5號(hào)機(jī)組AGC動(dòng)作，21∶52∶22一次調(diào)頻動(dòng)作，1號(hào)機(jī)組AGC有功設(shè)定值為467.33 MW，5號(hào)機(jī)有功設(shè)定值為460.00 MW，一次調(diào)頻理論動(dòng)作量約7.3 MW，一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度有明顯變化，但動(dòng)作時(shí)間較短，在AGC調(diào)節(jié)期間復(fù)歸，功率動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中無(wú)法計(jì)算一次調(diào)頻動(dòng)作量[4]，動(dòng)作曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 1號(hào)機(jī)組動(dòng)作曲線(xiàn)(2020年3月1日)

在一次調(diào)頻與AGC同時(shí)動(dòng)作時(shí)，一次調(diào)頻動(dòng)作輸出PID正常調(diào)節(jié)，但最終功率會(huì)被AGC功率調(diào)節(jié)通過(guò)導(dǎo)葉給定拉回，最后的調(diào)節(jié)結(jié)果為AGC的設(shè)定調(diào)節(jié)量，一次調(diào)頻動(dòng)作量為0，導(dǎo)致一次調(diào)頻動(dòng)作量減小，無(wú)法達(dá)到一次調(diào)頻有效貢獻(xiàn)電量的要求；因此對(duì)一次調(diào)頻與AGC配合邏輯關(guān)系優(yōu)化，使其在同時(shí)動(dòng)作時(shí)，能可靠疊加，互不影響，成為一次調(diào)頻與AGC配合邏輯關(guān)系的難點(diǎn)。

2 小網(wǎng)開(kāi)度模式調(diào)節(jié)特性

2.1 當(dāng)前調(diào)速系統(tǒng)控制模式

2.1.1 調(diào)速系統(tǒng)

水電機(jī)組調(diào)速器運(yùn)行于小網(wǎng)開(kāi)度模式(比例P=2.5，積分I=0.8，微分D=0)，一次調(diào)頻特性發(fā)生了變化，調(diào)速系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)框圖如圖3所示。

圖3 調(diào)速系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)示意

假設(shè)輸入為頻差F，輸出為功率P，其傳遞函數(shù)為(KD=0)

(1)

式中，KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；bp為永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)；s為拉普拉斯算子。

其階躍輸入響應(yīng)為

(2)

小網(wǎng)-開(kāi)度模式階躍輸入響應(yīng)

(3)

其微分方程為

P=f*(25-22.5*e-0.032t)

(4)

根據(jù)微分方程可看出，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律為指數(shù)衰減，其衰減速率主要受指數(shù)(-bp*KI)影響，bp*KI越大，衰減速率快，調(diào)節(jié)速率快，反之，調(diào)節(jié)速率慢。

2.1.2 水輪機(jī)

水輪機(jī)受水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw影響，在機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度變化后，機(jī)組功率存在一定滯后時(shí)間和一定程度反調(diào)節(jié)量，滯后時(shí)間影響一次調(diào)頻動(dòng)作速率，反調(diào)節(jié)量影響一次調(diào)頻對(duì)電網(wǎng)貢獻(xiàn)電量，在調(diào)頻動(dòng)作初期貢獻(xiàn)電量為負(fù)，使電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性變差，水輪機(jī)模型簡(jiǎn)化為剛性水擊模型：

(5)

式中，P為水輪機(jī)功率；Y為導(dǎo)葉開(kāi)度，a、b為修正系數(shù)[5]。

其對(duì)階躍輸入響應(yīng)

(6)

其微分方程為

P=1-e-t/b*Tw*(a+b)/b

(7)

其中，a=1、b=0.5(剛性水輪機(jī)模型參數(shù))；機(jī)組實(shí)際參數(shù)Tw=1.2 s。

2.2 小網(wǎng)開(kāi)度模式下仿真分析

二灘電站異步聯(lián)網(wǎng)后采用小網(wǎng)-開(kāi)度模式，一次調(diào)頻參數(shù)比例P=2.5，積分I=0.8，微分D=0[6]，通過(guò)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)建模仿真計(jì)算，分析異步聯(lián)網(wǎng)后小網(wǎng)開(kāi)度模式下調(diào)速系統(tǒng)性能，仿真計(jì)算[7]如圖4所示。

圖4 不同頻率階躍響應(yīng)仿真

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，小網(wǎng)開(kāi)度模式下15 s調(diào)整相對(duì)量平均為40.64%[8]，調(diào)節(jié)量達(dá)90%平均時(shí)間為70.65 s，調(diào)節(jié)穩(wěn)定時(shí)間為92.37 s。小網(wǎng)-開(kāi)度模式調(diào)頻特性呈現(xiàn)調(diào)節(jié)速率慢，穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，在短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)量小的特點(diǎn)，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.3 小網(wǎng)開(kāi)度模式數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)分析

對(duì)二灘電站機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 小網(wǎng)-開(kāi)度模式頻率擾動(dòng)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及仿真數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)小網(wǎng)開(kāi)度模式下實(shí)際動(dòng)作量與理論動(dòng)作量基本一致，動(dòng)作穩(wěn)定時(shí)間與仿真結(jié)果基本一致，小網(wǎng)-開(kāi)度模式穩(wěn)定時(shí)間129 s，調(diào)節(jié)速率較慢[9-11]，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

對(duì)目前二灘電站所采用小網(wǎng)-開(kāi)度模式參數(shù)進(jìn)行了頻率階躍仿真計(jì)算，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，結(jié)果如圖4、5所示，小網(wǎng)-開(kāi)度參數(shù)調(diào)頻速率較慢，15 s內(nèi)調(diào)節(jié)量為40.64%，調(diào)節(jié)穩(wěn)定時(shí)間92.37 s[12-14]，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)速率較慢，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

3 AGC對(duì)一次調(diào)頻性能的影響

在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，一次調(diào)頻與監(jiān)控系統(tǒng)AGC(調(diào)度指令或電站指令)可能同時(shí)參與調(diào)節(jié)[15]，機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作量(導(dǎo)葉開(kāi)度)會(huì)被監(jiān)控系統(tǒng)AGC拉回(控制功率)，影響機(jī)組一次調(diào)頻性能[16]，因此一次調(diào)頻與監(jiān)控系統(tǒng)AGC配合邏輯關(guān)系是研究的重點(diǎn)之一，監(jiān)控系統(tǒng)AGC與一次調(diào)頻控制框圖如圖6所示。

圖6 AGC與一次調(diào)頻控制框圖

3.1 目前一次調(diào)頻與AGC配合邏輯分析

各水電站在監(jiān)控系統(tǒng)AGC無(wú)新下發(fā)值時(shí)，一次調(diào)頻正常動(dòng)作，監(jiān)控系統(tǒng)不影響一次調(diào)頻動(dòng)作；監(jiān)控系統(tǒng)有新AGC下發(fā)值時(shí)，AGC與一次調(diào)頻共同調(diào)節(jié)[17-18]，仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示，仿真計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 一次調(diào)頻與AGC同時(shí)動(dòng)作分析

圖7 一次調(diào)頻與AGC仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，在開(kāi)度模式下，水輪機(jī)一次調(diào)頻反饋量為導(dǎo)葉開(kāi)度，為小閉環(huán)調(diào)節(jié)(開(kāi)度閉環(huán))，AGC調(diào)節(jié)反饋量為機(jī)組功率，為大閉環(huán)調(diào)節(jié)(功率閉環(huán))；在其共同控制時(shí)，機(jī)組一次調(diào)頻通過(guò)PID正常計(jì)算控制輸出，但AGC調(diào)節(jié)通過(guò)機(jī)組功率反饋調(diào)節(jié)調(diào)速器開(kāi)度給定使機(jī)組功率反饋與功率給定一致，共同調(diào)節(jié)的最終結(jié)果就是小閉環(huán)無(wú)調(diào)節(jié)量，大閉環(huán)正常調(diào)節(jié)，在這種邏輯下功率最終響應(yīng)值為AGC設(shè)定值，一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量為0。

3.2 一次調(diào)頻與AGC配合邏輯優(yōu)化分析

經(jīng)對(duì)水輪機(jī)一次調(diào)頻與AGC控制邏輯進(jìn)行深入研究，并進(jìn)行大量仿真計(jì)算和實(shí)際實(shí)測(cè)驗(yàn)證后，對(duì)水輪機(jī)一次調(diào)頻與AGC配合邏輯進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。

(1)當(dāng)機(jī)組頻率超過(guò)死區(qū)，機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，調(diào)速器按照有效頻差Δf通過(guò)永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)Bp計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)節(jié)量控制導(dǎo)葉的增減，同時(shí)調(diào)速器實(shí)時(shí)將有效頻差Δf通過(guò)調(diào)差率Ep(Ep為3%)計(jì)算得到的功率調(diào)節(jié)量ΔP送至監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)將ΔP乘修正系數(shù)(4/3)修正后得到ΔP1疊加至開(kāi)度模式AGC的功率設(shè)定值上，若一次調(diào)頻動(dòng)作期間AGC無(wú)新下發(fā)值，則閉鎖監(jiān)控系統(tǒng)至調(diào)速器控制系統(tǒng)的增減導(dǎo)葉開(kāi)度給定脈沖信號(hào)，當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作復(fù)歸30 s后，解除該閉鎖；若一次調(diào)頻動(dòng)作期間，AGC有新下發(fā)值，則監(jiān)控系統(tǒng)將ΔP1與AGC下發(fā)值疊加，發(fā)出增減導(dǎo)葉給定脈動(dòng)信號(hào)，一次調(diào)頻和AGC相互疊加，共同調(diào)節(jié)，邏輯關(guān)系如公式8、圖8，仿真計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖8 一次調(diào)頻與AGC配合邏輯示意

圖9 AGC與一次調(diào)頻疊加

(8)

(2)當(dāng)電廠側(cè)系統(tǒng)頻率偏差較大時(shí)，始終保持對(duì)AGC反向閉鎖功能，即當(dāng)頻差≥0.1 Hz，閉鎖AGC增負(fù)荷指令；反之，閉鎖AGC減負(fù)荷指令。

AGC與一次調(diào)頻同時(shí)動(dòng)作分析，AGC動(dòng)作量為+5%，一次調(diào)頻動(dòng)作量為+2.5%，穩(wěn)定后動(dòng)作量為+7.5%；AGC動(dòng)作量為+5%，一次調(diào)頻動(dòng)作量為-2.5%，穩(wěn)定后動(dòng)作量為+2.5%；頻差經(jīng)過(guò)調(diào)差率和修正系數(shù)后得到ΔP1，并與監(jiān)控系統(tǒng)AGC調(diào)節(jié)量疊加計(jì)算，在一次調(diào)頻初期一次調(diào)頻與監(jiān)控系統(tǒng)AGC同時(shí)調(diào)節(jié)，但監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)反饋為機(jī)組有功功率，根據(jù)功率反饋實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度，在穩(wěn)態(tài)時(shí)最終調(diào)節(jié)量為監(jiān)控AGC控制量，實(shí)現(xiàn)了一次調(diào)頻與AGC控制量的疊加。

調(diào)差率Ep(Ep為3%)及修正系數(shù)(4/3)應(yīng)與實(shí)際值相符，且應(yīng)充分考慮水輪機(jī)的非線(xiàn)性關(guān)系：機(jī)組在不同水頭、不同負(fù)荷下，相同頻差，相同開(kāi)度，對(duì)應(yīng)的功率變化量不同，調(diào)差率應(yīng)隨機(jī)組工況變化而動(dòng)態(tài)變化。

如此，充分發(fā)揮一次調(diào)頻動(dòng)作初期響應(yīng)的快速性，在頻差較大時(shí)保證了反向閉鎖；頻差較小時(shí)，若AGC有新指令，則與一次調(diào)頻疊加響應(yīng)，若AGC無(wú)新指令，則一次調(diào)頻單獨(dú)動(dòng)作，保證AGC與一次調(diào)頻可靠準(zhǔn)確動(dòng)作。

二灘電站一次調(diào)頻與AGC疊加邏輯驗(yàn)證結(jié)果如圖10，表2、3所示。調(diào)速器功率模式下，調(diào)速器接受監(jiān)控系統(tǒng)功率給定值，一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)一次調(diào)頻動(dòng)作量(功率)與功率給定值疊加，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果正常。

表2 開(kāi)度模式一次調(diào)頻與AGC疊加

圖10 一次調(diào)頻與AGC疊加

開(kāi)度模式下，調(diào)速器送出頻差至監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控通過(guò)頻差換算為功率并疊加在功率給定值上，通過(guò)脈沖方式控制調(diào)速器增減開(kāi)度，從上表可以看出調(diào)速器一次調(diào)頻動(dòng)作量為27 MW時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)疊加的一次調(diào)頻動(dòng)作量為38 MW(通過(guò)頻差換算)，調(diào)速器與監(jiān)控系統(tǒng)一次調(diào)頻動(dòng)作量不一致：調(diào)速器在開(kāi)度模式下，控制輸出為導(dǎo)葉開(kāi)度，受水輪機(jī)非線(xiàn)性

表3 功率模式一次調(diào)頻與AGC疊加

度影響，相同頻差、相同導(dǎo)葉開(kāi)度在不同負(fù)荷段產(chǎn)生的功率變化量不同，但監(jiān)控系統(tǒng)疊加的一次調(diào)頻量只與頻差有關(guān)，出現(xiàn)兩者調(diào)節(jié)量有差異，該差異對(duì)電站而言基本無(wú)影響，疊加后一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量大于調(diào)速器實(shí)際一次調(diào)頻電量，對(duì)一次調(diào)頻考核不會(huì)產(chǎn)生影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)建模仿真計(jì)算及機(jī)組實(shí)際一次調(diào)頻動(dòng)作分析，目前西南電網(wǎng)水電機(jī)組所采用的小網(wǎng)-開(kāi)度模式頻率響應(yīng)特性特點(diǎn)明顯，仿真和實(shí)測(cè)高度吻合，模型參數(shù)有利于系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，調(diào)速器按照有效頻差Δf通過(guò)永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)Bp計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)節(jié)量控制導(dǎo)葉的增減，同時(shí)調(diào)速器實(shí)時(shí)將一次調(diào)頻動(dòng)作期間有效頻差Δf通過(guò)調(diào)差率Ep(Ep為3%)計(jì)算得到的功率調(diào)節(jié)量ΔP送至監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)將ΔP乘修正系數(shù)(4/3)修正后得到ΔP1疊加至開(kāi)度模式AGC的功率設(shè)定值上，發(fā)出增減導(dǎo)葉給定脈動(dòng)信號(hào)，一次調(diào)頻和AGC實(shí)現(xiàn)了相互疊加，共同調(diào)節(jié)，有利于提高機(jī)組一次調(diào)頻性能，增強(qiáng)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性。

后續(xù)將繼續(xù)建議加強(qiáng)日常運(yùn)行數(shù)據(jù)收集整理，從數(shù)據(jù)挖掘角度分析小網(wǎng)開(kāi)度模式各環(huán)節(jié)對(duì)調(diào)頻性能的影響，逐步深入研究小網(wǎng)開(kāi)度模式下如何兼顧調(diào)頻性能的進(jìn)一步提升，更加有利于網(wǎng)源協(xié)調(diào)交互，提高電網(wǎng)頻率質(zhì)量。