熊國恩，李 桃，蘇緯強，楊雨杰

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051）

0 前言

水輪發(fā)電機組一次調(diào)頻是指發(fā)電機組并入大電網(wǎng)運行過程中，當電網(wǎng)頻率變化超過水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)規(guī)定的頻率死區(qū)時，水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)有效頻差，按永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)自行改變機組自身負荷-頻率靜態(tài)和動態(tài)特性對電網(wǎng)的控制調(diào)節(jié)行為，它是防止電網(wǎng)頻率大幅波動、維護電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的重要手段[1]。根據(jù)《關(guān)于征求華中區(qū)域“兩個細則”（征求意見稿）意見的函》（華中監(jiān)能市場函34 號）的附件《一次調(diào)頻技術(shù)要求及指標技術(shù)、考核度量方法》，對某大型水電站一次調(diào)頻貢獻比合格率進行了計算，發(fā)現(xiàn)在2020 年6 月至2020 年12 月期間，該水電站各機組并網(wǎng)運行過程中一次調(diào)頻動作頻繁，持續(xù)時間幾十秒至幾分鐘不等，某一時段一次調(diào)頻動作記錄如表1 所示，由于實際貢獻電量遠不及理論貢獻電量，導致一次調(diào)頻貢獻比合格率偏低，均為4%左右，無法有效防止電網(wǎng)頻率大幅波動、維護電網(wǎng)頻率穩(wěn)定[2]。為避免執(zhí)行“兩個細則”時產(chǎn)生大量的考核電量，亟需找出不合格原因，提出應對措施。

表1 某一時段一次調(diào)頻動作記錄

1 一次調(diào)頻考核規(guī)則

1.1 一次調(diào)頻貢獻比的算法

一次調(diào)頻貢獻比=（一次調(diào)頻實際貢獻量/一次調(diào)頻理論貢獻量）×100%，即：

機組一次調(diào)頻動作的理論積分電量Qe的計算方法如下：

Qe=-∫tt

0t[ΔP（Δf，t）]dt

ΔP（Δf，t）=Δf（t）×Pn/fn×Kc

Δf=|ft-50|-fd

Pn—機組額定出力；

fn—系統(tǒng)頻率；

ft—對應t 時刻電網(wǎng)頻率；

fd—人工頻率死區(qū)；

Kc—永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)；

Qi—機組一次調(diào)頻動作的實際積分電量。

當系統(tǒng)頻率偏差超過各機組規(guī)定的范圍時,統(tǒng)計程序自動啟動，以機組一次調(diào)頻死區(qū)點的實際發(fā)電P0為基點（取前10 s 有功出力平均值），向后積分發(fā)電變化量，直至系統(tǒng)頻率恢復到機組動作死區(qū)以內(nèi)[3]。積分時長最長為60 s，如果在60 s 之內(nèi),頻率返回到死區(qū)之內(nèi)，則積分到返回死區(qū)時刻為止。即機組的一次調(diào)頻貢獻電量Qi表示為：

式中：

Qi—機組一次調(diào)頻貢獻電量（高頻少發(fā)或低頻多發(fā)電量為正，高頻多發(fā)或低頻少發(fā)電量為負）；

t0—系統(tǒng)頻率超過機組一次調(diào)頻動作死區(qū)的時刻；

tt—系統(tǒng)頻率進入機組一次調(diào)頻動作死區(qū)的時刻；

Pt—t時刻機組實際發(fā)電有功功率；

P0—t0時刻機組實際發(fā)電有功功率（或t0時刻前10 s 平均值）。

1.2 機組一次調(diào)頻性能評價指標

（1）小擾動（＜0.08 Hz）一次調(diào)頻貢獻率K指數(shù)K≥α1(取2 位有效數(shù)字)，N貢獻比取1，反之N貢獻比取0（α1系數(shù)按機組類型分類：水電取0.4，其它機組類型取0.5）, 大擾動階躍形式下不合格次數(shù)N1算法為：

2）大擾動（≥0.08 Hz）一次調(diào)頻貢獻率K指數(shù)K≥α2（取2 位有效數(shù)字），N貢獻比取1，反之N貢獻比取0（α2系數(shù)按機組類型分類：水電、風電取0.6，其它機組類型取0.75）。

若電網(wǎng)頻率大擾動非階躍形式,不合格次數(shù)N2算法為：

若電網(wǎng)頻率大擾動階躍形式,不合格N2算法為：

式中N（i）為第i 次貢獻比合格；n為滿足考核條件的當月調(diào)頻次數(shù)；T（i）為第i 次響應滯后時間合格；Tw（i）為第i 次穩(wěn)定時間合格；n為滿足考核條件的當月調(diào)頻次數(shù)。

2 一次調(diào)頻貢獻比合格率偏低分析

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)AGC 與一次調(diào)頻配合影響分析

通過解讀該水電站機組PLC 程序，AGC 和一次調(diào)頻配合邏輯中有以下幾點不足：功率模式下，監(jiān)控系統(tǒng)未將有功設定模出量實時下發(fā)給調(diào)速器；在PID 調(diào)節(jié)退出或者開度模式時，監(jiān)控系統(tǒng)送給調(diào)速器的有功設定模擬量未跟蹤調(diào)速器反饋實發(fā)值；調(diào)速器未實時將一次調(diào)頻動作有功調(diào)節(jié)量通過獨立的模擬量通道送給計算機監(jiān)控系統(tǒng)；開度模式下，只要有功設定值有變化，不論一次調(diào)頻是否動作，未將一次調(diào)頻和有功設定值進行疊加。由于監(jiān)控系統(tǒng)AGC 與一次調(diào)頻配合邏輯存在缺陷，無法滿足頻率和功率的控制要求，導致投入AGC 的機組調(diào)頻量減弱，甚至貢獻量為負[4]。因此，AGC 與一次調(diào)頻配合關(guān)系嚴重影響了調(diào)節(jié)效果。

2.2 一次調(diào)頻動作閉鎖邏輯影響分析

通過分析目前該大型水電站在不同工況下的一次調(diào)頻動作結(jié)果閉鎖邏輯以及一次調(diào)頻的最大調(diào)節(jié)量閉鎖邏輯，其存在以下幾點不足：①在功率模式下一次調(diào)頻會閉鎖AGC 有功調(diào)節(jié)；②在系統(tǒng)頻率偏差較大情況下，未閉鎖AGC 反向調(diào)節(jié)功能；③在開度模式下，當有功設定值無變化、一次調(diào)頻動作時，未閉鎖監(jiān)控系統(tǒng)增減導葉開度脈沖功能，使得導葉響應動作不及時[5]。通過查詢歷史數(shù)據(jù)，各機組一次調(diào)頻動作調(diào)節(jié)量偏小時大多都伴隨著AGC 的反向調(diào)節(jié)，如圖1 所示，因此，該水電站未對一次調(diào)頻動作設置完整的閉鎖邏輯也是導致一次調(diào)頻貢獻比合格率低的主要原因之一。

圖1 一次調(diào)頻和AGC 協(xié)調(diào)整體動作情況

2.3 一次調(diào)頻動作調(diào)節(jié)量限幅影響分析

通過分析該水電站一次調(diào)頻動作歷史數(shù)據(jù)，當需要一次調(diào)頻動作調(diào)節(jié)量減小時，一次調(diào)頻仍然繼續(xù)調(diào)節(jié)，使得實際貢獻電量小于理論貢獻電量，即一次調(diào)頻動作調(diào)節(jié)量小或者進行反向調(diào)節(jié)，最終導致一次調(diào)頻貢獻比合格率低，如圖2 所示。經(jīng)解讀機組PLC 程序，該水電站監(jiān)控系統(tǒng)并未對一次調(diào)頻動作有功調(diào)節(jié)量做限幅，同時當一次調(diào)頻動作復歸時，監(jiān)控系統(tǒng)未將一次調(diào)頻動作有功調(diào)節(jié)量強制為0 MW，使得一次調(diào)頻動作無法實時跟隨理論貢獻電量值進行調(diào)節(jié)[6]，反調(diào)現(xiàn)象頻繁發(fā)生。

圖2 某時刻一次調(diào)頻反向調(diào)節(jié)

3 提高一次調(diào)頻貢獻比合格率的對策及成效

3.1 制定對策

通過以上原因分析，結(jié)合當前機組運行方式制定以下8 個對策：①功率模式下，將有功設定模出量實時下發(fā)給調(diào)速器，在PID 調(diào)節(jié)退出或者開度模式時，送調(diào)速器的有功設定模擬量跟蹤調(diào)速器反饋實發(fā)值；②調(diào)速器實時將一次調(diào)頻動作有功調(diào)節(jié)量通過獨立的模擬量通道上送至計算機監(jiān)控系統(tǒng)；③開度模式下，當有功設定值有變化，不論一次調(diào)頻是否動作，有功目標設定值=有功設定值+一次調(diào)頻動作調(diào)節(jié)量，直到有功設定值與有功實發(fā)值的差值調(diào)整到有功調(diào)節(jié)死區(qū)內(nèi)為止；④解除功率模式下一次調(diào)頻閉鎖AGC 調(diào)節(jié)功能；⑤當系統(tǒng)頻率偏差較大情況下（50±0.1 Hz），AGC 反向調(diào)節(jié)值為0 MW；⑥開度模式下，當有功設定值無變化，有功設定值與有功實發(fā)值之差在有功調(diào)節(jié)死區(qū)范圍內(nèi)且一次調(diào)頻動作時，則監(jiān)控側(cè)增減導葉開度脈沖為0 MW；⑦一次調(diào)頻動作復歸時，監(jiān)控側(cè)將一次調(diào)頻動作有功調(diào)節(jié)量強制為0 MW；⑧對一次調(diào)頻動作有功調(diào)節(jié)量做限幅,一次調(diào)頻有功調(diào)節(jié)量最大為±15 MW。

執(zhí)行上述對策后，監(jiān)控LCU 與一次調(diào)頻的配合邏輯為：當一次調(diào)頻動作至復歸期間，監(jiān)控LCU 側(cè)無新的設定值時，監(jiān)控系統(tǒng)程序閉鎖開度閉環(huán)，LCU不發(fā)增減脈沖令，不干預一次調(diào)頻調(diào)節(jié)。當一次調(diào)頻動作結(jié)束時調(diào)速器回調(diào)機組有功，監(jiān)控LCU 為避免調(diào)速器和監(jiān)控同時調(diào)節(jié)造成超調(diào)，監(jiān)控LCU 程序設定延時30 s 后投入開度閉環(huán)，正常調(diào)節(jié)負荷。當一次調(diào)頻動作至復歸期間，監(jiān)控LCU 側(cè)有新的設定值下發(fā)，監(jiān)控LCU 程序?qū)⒄{(diào)速器一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量與設定值疊加，發(fā)增減脈沖令調(diào)整負荷，兩者同時調(diào)節(jié)，同時動作，同方向調(diào)節(jié)會存在超調(diào)現(xiàn)象，這種超調(diào)現(xiàn)象無法避免，在頻擾0.1 Hz 時超調(diào)量一般在10 MW 左右。

3.2 對策成效

2021 年6 月前，結(jié)合各機組檢修工作，該水電站執(zhí)行了上述8 項對策，取得較好成效。提取2021年7 月11 日11:29:37.300～11:29:47.300 的1 號 機組有功功率計算一次調(diào)頻動作開始前10 s 的平均功率，即基點功率Po=100.446 3 MW。通過提取11:29:47.300～11:31:34.200 的1 號機組有功功率和電網(wǎng)側(cè)頻率，并結(jié)合考核規(guī)則相關(guān)公式計算理論貢獻電量和實際貢獻電量，最終計算出本次一次調(diào)頻動作的電量貢獻比，計算過程如下。

Δf=|ft-50-0.04|；

Qe=時間段內(nèi)積分{（Δf×150×1 000 ×100）/（50×0.04）/1 000/3 600}；

Qi=時間段內(nèi)積分{（Po-實際功率)×1 000×100/1 000/3 600}；

K=Qi/Qe×100%.

時間段積分已將時間換算為秒。式中：Pn=150 MW，fd=0.04 Hz，Kc=0.04。

通過上述計算公式，計算出本次一次調(diào)頻動作的理論貢獻電量為9.3784 kW·h，實際貢獻電量為6.356 7 kW·h，一次調(diào)頻貢獻比約為67.78%，相比執(zhí)行對策前一次調(diào)頻貢獻比合格率大幅度提升。通過提取2021 年7 月至10 月一次調(diào)頻動作數(shù)據(jù)與執(zhí)行對策前2020 年7 月至10 月的數(shù)據(jù)進行對比，如圖3 所示，可以看出，一次調(diào)頻貢獻比合格率由原來的4%上升至67%，大大降低了省調(diào)對一次調(diào)頻的考核程度，為水電站帶來上百萬元的直接經(jīng)濟效益，同時有效減輕發(fā)電機組的運行負擔，使機組一次設備往正確方向動作，使得設備的運行壽命增長，發(fā)電量隨之增多，達到節(jié)能增效的目的。

圖3 一次調(diào)頻貢獻比合格率對比圖

4 結(jié)語

水輪發(fā)電機組長期處在一次調(diào)頻貢獻比合格率低的工況下運行不論是對機組和電網(wǎng)系統(tǒng)都會造成傷害，無法維護電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定，電廠也會因此而受到相關(guān)考核[7]。文章詳細分析了某大型水電廠一次調(diào)頻貢獻比合格率低的原因，并據(jù)此提出了切實可行的控制措施，同時由于西南電網(wǎng)的異步運行使得電網(wǎng)頻率波動更為頻繁，本次研究有利于電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，也為其他電廠一次調(diào)頻貢獻比合格率的提升方法提供改善方向，對同行水輪發(fā)電機組的穩(wěn)定經(jīng)濟運行具有較大參考價值。