高詩(shī)華，施德航，方世祿

(四川華能寶興河水電有限責(zé)任公司，四川雅安 625000)

當(dāng)前，水輪發(fā)電機(jī)組并入大電網(wǎng)運(yùn)行已成為主要的運(yùn)行方式。作為機(jī)組頻率和機(jī)組功率的直接控制設(shè)備——水輪機(jī)調(diào)速器所肩負(fù)的一次調(diào)頻功能的重要性凸現(xiàn)出來(lái)。目前四川華能寶興河流域根據(jù)電網(wǎng)要求，所有的水輪發(fā)電機(jī)組均具有了一次調(diào)頻功能。筆者以此為基礎(chǔ)，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻試驗(yàn)展開(kāi)了一些探討。

1 一次調(diào)頻的意義

1.1 水輪發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻的定義

一次調(diào)頻是相對(duì)于二次調(diào)頻而言的。二次調(diào)頻是指電網(wǎng)從宏觀控制、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及電網(wǎng)交換功率控制等方面向水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)下達(dá)相應(yīng)的機(jī)組目標(biāo)功率值，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)范圍內(nèi)的功率/頻率控制，此時(shí)調(diào)速器的目標(biāo)給定值是被控機(jī)組的功率設(shè)定值。一次調(diào)頻是指電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)通過(guò)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的自身“負(fù)荷－頻率”靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行控制。簡(jiǎn)單的描述水輪機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的一次調(diào)頻功能:就是指在并網(wǎng)發(fā)電的狀態(tài)下，如果頻率超過(guò)50Hz時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)在沒(méi)有接受上級(jí)設(shè)備下發(fā)新的定值的情況下，按照“負(fù)荷－頻率”曲線進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，自動(dòng)下調(diào)一定的負(fù)荷;當(dāng)頻率低于50Hz時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)在沒(méi)有接受上級(jí)設(shè)備下發(fā)新的定值的情況下按照“負(fù)荷－頻率”曲線進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，自動(dòng)上調(diào)一定的負(fù)荷。機(jī)組的一次調(diào)頻功能對(duì)電網(wǎng)和機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有極其重要的作用。

1.2 國(guó)家電力調(diào)度中心關(guān)于電網(wǎng)一次調(diào)頻對(duì)水電機(jī)組的主要技術(shù)要求

永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)ep為3% ～4%，頻率死區(qū)Ef=±0.033Hz;相應(yīng)特性:電網(wǎng)頻率變化超過(guò)一次調(diào)頻頻率死區(qū)時(shí)，機(jī)組應(yīng)在15s內(nèi)響應(yīng)機(jī)組目標(biāo)功率，在45s內(nèi)機(jī)組實(shí)際功率與目標(biāo)功率偏差的平均值應(yīng)在其額定功率的3%范圍內(nèi);穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)小于1min。但對(duì)水電機(jī)組參與一次調(diào)頻的負(fù)荷變化幅度不加限制。一次調(diào)頻功能為必備功能，不得由運(yùn)行人員切除，不得在開(kāi)度限制工況下運(yùn)行。

1.3 四川電網(wǎng)中水輪發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻試驗(yàn)

按華中網(wǎng)調(diào)［2005］143號(hào)文件規(guī)定，要求并入四川電網(wǎng)的機(jī)組必須投入一次調(diào)頻功能。四川電網(wǎng)中的水輪發(fā)電機(jī)組分三階段進(jìn)行一次調(diào)頻投入工作:第一階段為100MW以上的水輪發(fā)電機(jī)組，時(shí)間為2005年第四季度，第二階段為40～100MW的水輪發(fā)電機(jī)組，時(shí)間為2006年第一季度，第三階段為10～40MW的水輪發(fā)電機(jī)組，時(shí)間為2006年第二季度。我公司下屬的雨城電站、銅頭電站、小關(guān)子電站、磽磧電站先后于2006年至2008年進(jìn)行了一次調(diào)頻試驗(yàn)與投入工作。

2 調(diào)速器一次調(diào)頻的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)

2.1 調(diào)速器的“負(fù)荷－頻率”關(guān)系論述

2.1.1 啟動(dòng)一次調(diào)頻水輪機(jī)組頻率死區(qū)特性曲線(圖1)

當(dāng) －0.05＜ΔF'＜0.05Hz時(shí)，ΔF=0

當(dāng) ΔF'≥0.05Hz時(shí)，ΔF=ΔF'－0.05Hz

當(dāng) ΔF'≤0.05Hz時(shí)，ΔF=ΔF'+0.05Hz

2.1.2 水輪發(fā)電機(jī)組負(fù)載下負(fù)荷－頻率的關(guān)系

圖1 一次調(diào)頻水輪機(jī)組頻率死區(qū)特性曲線圖

式中 ep為功率永態(tài)差值系數(shù);Pc為機(jī)組功率給定;Pg為機(jī)組功率;fc為機(jī)組頻率給定;fg為機(jī)組頻率;ΔI為負(fù)載時(shí)積分輸入。

對(duì)式(2)進(jìn)行換算，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組功率的算式變?yōu)槭?3):

當(dāng)fc=fg，即頻率給定和機(jī)組頻率均為50Hz時(shí):

調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻投入以后，如果頻率給定fc=50Hz，功率給定Pc在一定的時(shí)間內(nèi)為定值，當(dāng)一次調(diào)頻水輪發(fā)電機(jī)組頻率越過(guò)頻率死區(qū)0.033Hz時(shí)，新的機(jī)組功率值為:

調(diào)速系統(tǒng)在一次調(diào)頻過(guò)程中的功率調(diào)節(jié)量為式(5)和式(4)的差，即:

從式(6)可以看出，當(dāng)機(jī)組頻率與機(jī)組頻率給定值的差值一定時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻功率的調(diào)節(jié)量直接取決于永態(tài)差值系數(shù)。

現(xiàn)在使用的水輪機(jī)調(diào)速器一般有三種工作模式:頻率模式、開(kāi)度模式和功率模式。功率模式下調(diào)速器的永態(tài)差值系數(shù)為功率永態(tài)差值系數(shù)ep，在頻率模式和開(kāi)度模式下，調(diào)速器的導(dǎo)葉接力器行程永態(tài)差值系數(shù)為bp，上述式(6)是基于目前負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)用最流行的功率模式推算的，而在頻率模式和開(kāi)度模式下:

式中 fn為電網(wǎng)頻率;yc為導(dǎo)葉開(kāi)度給定;yPID為PID開(kāi)度給定。

其中yPID的計(jì)算情況見(jiàn)圖2。

圖2 調(diào)速器PID結(jié)構(gòu)框圖

依據(jù)上述，當(dāng)機(jī)組頻率和網(wǎng)頻(或頻率給定)一致時(shí)，即機(jī)組并入大網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)開(kāi)度給定來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷;當(dāng)機(jī)組頻率越過(guò)一次調(diào)頻頻率死區(qū)時(shí)，頻率給定fc和頻率給定fg的差值ΔIf非零，這樣，PID開(kāi)度給定就會(huì)向機(jī)組頻率變化相反的方向變化，以維持動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。比如，頻率升高，導(dǎo)葉PID開(kāi)度給定就會(huì)減少，機(jī)組功率隨即相應(yīng)的減少，從而起到一次調(diào)頻的作用。

開(kāi)度模式情況下的一次調(diào)頻最重要的環(huán)節(jié)就是功率調(diào)節(jié)幅值的限定問(wèn)題。如果僅僅采用功率信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的輸出限制，以最終的調(diào)節(jié)量來(lái)看能夠滿足要求，但是會(huì)帶來(lái)超調(diào)。傳統(tǒng)上很多電站機(jī)組在并入大網(wǎng)運(yùn)行的時(shí)候采用開(kāi)度模式運(yùn)行，對(duì)采用比較高端PLC的調(diào)速器可以引入“導(dǎo)葉開(kāi)度-功率”的函數(shù)曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)量動(dòng)態(tài)限制，在實(shí)際操作過(guò)程中，采用快速啟動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行速度限制、提前減速的方式也能有效的進(jìn)行功率限制，并且調(diào)節(jié)曲線也很優(yōu)美，實(shí)施中可操作性很強(qiáng)，可以根據(jù)試驗(yàn)曲線對(duì)調(diào)節(jié)程序進(jìn)行比較靈活的處理和修改，很容易達(dá)到理想的調(diào)節(jié)效果。

2.2 四川電網(wǎng)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻的補(bǔ)充技術(shù)要求和參數(shù)設(shè)定

四川電網(wǎng)委托四川電力試驗(yàn)研究院進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)驗(yàn)收工作，在試驗(yàn)要求上，四川電力試驗(yàn)研究院參照了國(guó)家電力調(diào)度通信中心關(guān)于電網(wǎng)一次調(diào)頻對(duì)水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的主要技術(shù)要求;在響應(yīng)時(shí)間上，要求15s內(nèi)必須響應(yīng)總調(diào)節(jié)量的90%;同時(shí)補(bǔ)充了對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組參與一次調(diào)頻調(diào)節(jié)幅度的限制條款，要求水電機(jī)組參與一次調(diào)頻的負(fù)荷變化幅度不超過(guò)機(jī)組額定負(fù)載的10%。

2.3 一次調(diào)頻功能實(shí)現(xiàn)中需要注意的幾個(gè)方面

2.3.1 一次調(diào)頻人工死區(qū)的設(shè)定

一次調(diào)頻試驗(yàn)中最重要的參數(shù)就是死區(qū)。目前水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻試驗(yàn)的死區(qū)通常設(shè)定為0.033Hz。但是，調(diào)速系統(tǒng)本身都有自己的物理死區(qū)和隨動(dòng)系統(tǒng)的不準(zhǔn)確度。筆者在試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)人工死區(qū)設(shè)定為0.033Hz，而實(shí)際的死區(qū)大部分都大于0.033Hz。這一點(diǎn)是可以理解的，因?yàn)樵谪?fù)載的情況下，調(diào)速系統(tǒng)本身就有一定的死區(qū)，而且對(duì)于燈泡貫流式和軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組其導(dǎo)葉開(kāi)度的小幅度變化并不一定會(huì)引起功率的類似變化。那么，在一次調(diào)頻試驗(yàn)過(guò)程中，可以考慮將人工頻率死區(qū)在0.03～0.033Hz范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)定，這樣的話調(diào)速系統(tǒng)的真實(shí)頻率死區(qū)很容易達(dá)到0.033Hz。這樣設(shè)定與國(guó)家電力調(diào)度通信中心關(guān)于一次調(diào)頻的技術(shù)要求并不沖突，只是設(shè)定值與真實(shí)的測(cè)量值之間的偏差而已。

2.3.2 一次調(diào)頻過(guò)程中功率調(diào)節(jié)控制權(quán)紊亂的解決方法

一次調(diào)頻功能投入后，若機(jī)組頻率和頻率給定的偏差越過(guò)了頻率死區(qū)，一次調(diào)頻就會(huì)啟動(dòng)，調(diào)速系統(tǒng)將依據(jù)當(dāng)前的頻率自行對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。在一次調(diào)頻動(dòng)作的過(guò)程中，監(jiān)控系統(tǒng)捕捉到的當(dāng)前機(jī)組功率和功率給定產(chǎn)生了差值，這個(gè)差值很有可能就會(huì)越過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定的功率死區(qū)。如果此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的功率控制閉環(huán)參與調(diào)節(jié)有功，就會(huì)引起機(jī)組功率的雙路調(diào)節(jié)，很容易引起機(jī)組的功率振蕩。目前比較有效的處理辦法是:調(diào)速器一次調(diào)頻動(dòng)作后，將其一次調(diào)頻功率控制的啟動(dòng)信號(hào)送至監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控設(shè)備一旦捕捉到調(diào)速器送過(guò)來(lái)的這個(gè)信號(hào)，就會(huì)退出功率控制閉環(huán)。當(dāng)調(diào)速器一次調(diào)頻動(dòng)作完成后，就會(huì)斷開(kāi)這個(gè)信號(hào)，監(jiān)控系統(tǒng)可以依據(jù)該信號(hào)的消失重新投入功率控制閉環(huán)。還有一個(gè)比較常用的辦法是:調(diào)速器在啟動(dòng)一次調(diào)頻功率控制后自己屏蔽來(lái)自遠(yuǎn)方的功率控制信號(hào)，待一次調(diào)頻動(dòng)作完成后，撤銷屏蔽功能即可。這兩個(gè)方法都可以有效的解決一次調(diào)頻過(guò)程中功率調(diào)節(jié)控制權(quán)紊亂的問(wèn)題。

2.3.3 防止一次調(diào)頻誤動(dòng)的方法

一次調(diào)頻是發(fā)電機(jī)組一項(xiàng)重要的功能，一旦并入大電網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行，一次調(diào)頻功能是一個(gè)必須具備的功能。一次調(diào)頻的動(dòng)作源就是調(diào)速器所測(cè)到的頻率信號(hào)，機(jī)組頻率信號(hào)的測(cè)量必須準(zhǔn)確且精度高。但是電廠所處的電磁環(huán)境比較復(fù)雜，特別是一些地下廠房，電磁環(huán)境更為惡劣。有些廠房?jī)?nèi)的調(diào)速器控制柜和一些大功率設(shè)備距離較近。正是由于這些情況的存在，造成調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)組頻率測(cè)量環(huán)節(jié)不可避免地會(huì)受到一些電磁干擾，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)高次諧波。雖然說(shuō)干擾產(chǎn)生的時(shí)間可能非常短，但如果一次調(diào)頻沒(méi)有采用誤動(dòng)作判斷的處理很容易引起瞬間機(jī)組功率大幅度波動(dòng)。為了防止一次調(diào)頻誤動(dòng)作，最常規(guī)的就是在程序里對(duì)頻率取樣信號(hào)進(jìn)行濾波處理;如果信號(hào)源較差的話，還要采用專門(mén)的濾波設(shè)備進(jìn)行硬件濾波。濾波完成后，還需要在程序一次調(diào)頻啟動(dòng)條件中對(duì)頻率偏差的判斷部分進(jìn)行延時(shí)判斷，一般采用0.1～0.5s的延時(shí)繼電器。依據(jù)試驗(yàn)情況，該延時(shí)基本上不影響一次調(diào)頻試驗(yàn)的曲線和調(diào)節(jié)時(shí)間，并且能夠有效的防止一次調(diào)頻的誤動(dòng)作。

2.3.4 一次調(diào)頻試驗(yàn)的 PID參數(shù)整定與傳統(tǒng)PID參數(shù)之間沖突的解決辦法

傳統(tǒng)上很多基于PLC控制的微機(jī)調(diào)速器都是采用一套PID參數(shù)，在進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)的時(shí)候肯定要對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行大幅度的修改。如果在空載的時(shí)候還是使用一次調(diào)頻的PID參數(shù)，調(diào)速器的空載調(diào)節(jié)質(zhì)量就會(huì)大大降低，所以，部分調(diào)速器在做一次調(diào)頻試驗(yàn)的時(shí)候就需要增加一套負(fù)載PID參數(shù)。這樣的話，一次調(diào)頻進(jìn)行的參數(shù)整定就不會(huì)影響到調(diào)速器的空載調(diào)節(jié)品質(zhì)。

3 結(jié)語(yǔ)

調(diào)速器對(duì)一次調(diào)頻的動(dòng)作控制是很有效的，調(diào)節(jié)范圍非常寬廣，參數(shù)的設(shè)定對(duì)一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)品質(zhì)影響非常大，只要參數(shù)設(shè)定合理，一次調(diào)頻試驗(yàn)的效果是肯定可以出來(lái)的。按照上述方法，我公司分別在雨城(軸流轉(zhuǎn)槳式、單機(jī)容量20 MW)、銅頭(混流式、單機(jī)容量20MW)、小關(guān)子(混流式、單機(jī)容量40MW)、磽磧(混流式、單機(jī)容量80MW)、寶興(混流式、單機(jī)容量42MW)等電站進(jìn)行了一次調(diào)頻試驗(yàn)并投運(yùn)成功，這些電站的調(diào)速器均采用了當(dāng)前比較流行的比例伺服閥類、雙調(diào)節(jié)調(diào)速器。筆者認(rèn)為，對(duì)于可編程微機(jī)調(diào)速器PID參數(shù)的一般設(shè)定按以下方式比較合理:ep=0.04(bp=0.04)，bt=0.08 ～ 0.2，Td=4 ～ 8 s，Tn=0。人工頻率死區(qū)一般設(shè)定為 0.03 ～0.033 Hz(部分地區(qū)要求為0.05Hz，可設(shè)定為0.045～0.05Hz)。

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