申吳剛

（陜西漢江投資開發(fā)有限公司喜河水力發(fā)電廠 陜西 石泉 725271）

機組一次調(diào)頻 (primary frequency regulation，PFR)是指當電網(wǎng)頻率超出規(guī)定的正常范圍后，電網(wǎng)頻率的變化將使電網(wǎng)中參與一次調(diào)頻的各機組調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化自動地增加或減小機組的功率，從而達到新的平衡，并且將電網(wǎng)頻率的變化限制在一定的范圍內(nèi)。一次調(diào)頻是確保電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的主要途徑之一，目前國內(nèi)機組大多具備投入一次調(diào)頻功能的條件，并應按規(guī)定投入一次調(diào)頻功能。一次調(diào)頻涉及到的控制邏輯和參數(shù)也應根據(jù)電網(wǎng)實際運行進行正確和必要的試驗，從而充分發(fā)揮作用。

喜河水電廠是陜西南部電網(wǎng)漢江上游七級水電站的第3級，位于石泉、漢陰交界處，安裝3臺60MW的軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機組。機組調(diào)速器為武漢事達電器股份有限公司研制生產(chǎn)的DFWST100-6.3-STARS自復中式微機雙調(diào)調(diào)速器。本文重點介紹了喜河水電廠機組一次調(diào)頻試驗的內(nèi)容和結(jié)果。

1 調(diào)速器構(gòu)成、特點及主要參數(shù)

1.1 基本構(gòu)成

DFWST100-6.3-STAR調(diào)速器是一種具有比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)規(guī)律的新型數(shù)字式微機調(diào)速器，由自復中式伺服電機直線位移轉(zhuǎn)換器作為電液轉(zhuǎn)換元件，額定工作油壓6.3mPa，主配壓閥直徑100mm。由PLC調(diào)節(jié)器、液壓隨動系統(tǒng)、油壓裝置三部分組成。

1.2 結(jié)構(gòu)特點

（1）可靠性高。采用進口高可靠性可編程控制器 (PLC)和智能觸摸顯示控制單元(HMI)。伺服電機直線位移轉(zhuǎn)換器，線性度好，反應靈敏，可靠性強并具有斷電自復中功能。

（2）可操作性強。智能化觸摸顯示技術(shù)的應用取消了大多數(shù)按鍵和按鈕，操作簡單。

（3）外形美觀。機械液壓部分采用直連方式，無杠桿和明管。

1.3 主要參數(shù)

調(diào)速器調(diào)節(jié)規(guī)律位為PID調(diào)節(jié)，測頻方式為殘壓測頻+齒盤測頻。測頻分辨率：±0.0015Hz；頻率信號：電壓互感器 (0.3～150V)；測頻范圍：48Hz～52Hz；測頻分辨率：±0.0015Hz；永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp：(0～10)%；暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt：(5～200)%；緩沖時間常數(shù) Td：(2～20)s；加速度時間常數(shù) Tn：(0～2.0)s；頻率(轉(zhuǎn)速)失靈區(qū)：Ef=（0 ～ ±0.3Hz）；功率、開度失靈區(qū)：Ey/p=(0～±5)%；可調(diào)頻率給定：45Hz～55Hz。

2 試驗準備

2.1 環(huán)境

試驗溫度：10℃；相對濕度：75%；水頭：31.65m；人工水頭設定：25m。

2.2 試驗儀器

水輪機調(diào)速器綜合仿真測試系統(tǒng)，測頻、發(fā)頻精度0.001Hz；WS10SG型位移變送器；2臺壓力變送器。

2.3 試驗測點及信號引入情況

3 一次調(diào)頻試驗

3.1 測頻單元校驗

利用測試仿真儀發(fā)高精度的頻率信號，調(diào)速器的分辨率為0.01Hz，將輸出接入調(diào)速器的頻率測量端。調(diào)整信號源頻率輸出值，記錄測頻單元的數(shù)值，見表2，測試值為調(diào)速器顯示值，相差0.01Hz。

3.2 一次調(diào)頻功能設定與檢查

根據(jù)電力管理和調(diào)度部門的要求，并網(wǎng)發(fā)電機組必須具備和投入一次調(diào)頻功能，我們給機組增加了一次調(diào)頻功能，包括：增設一次調(diào)頻限幅功能，通過設定一次調(diào)頻過程頻率差進行限制，達到一次調(diào)頻限幅的目的；增設一次調(diào)頻專用調(diào)節(jié)參數(shù)，一次調(diào)頻開關(guān)投入后采用專用參數(shù)；增加一次調(diào)頻動作接點，將一次調(diào)頻動作情況上報至監(jiān)控系統(tǒng)。

表1 試驗測點布置

表2 頻率校驗 （單位：Hz）

3.3 靜特性試驗

在機組靜止條件下，將調(diào)速器參數(shù)設置為bt=0.05、Td=2、Tn=0、bp=6%、人工頻率死區(qū)Ef=0，將調(diào)速器調(diào)節(jié)模式置為開度調(diào)節(jié)模式，將測試仿真儀發(fā)出的頻率信號引入調(diào)速器機頻測量端，做機組靜特性試驗，利用測試仿真儀自動記錄試驗過程。利用一元線性回歸分析方法，計算出該調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)、非線性度以及永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp的校驗值，并繪制該調(diào)速器靜特性曲線圖（見圖1）。

轉(zhuǎn)速死區(qū)：0.03%（超過國標要求的≯0.02%的規(guī)定）；非線性渡：0.53%（滿足國標要求的＜5%）；試驗時永態(tài)差值系數(shù)設為bp=6%，校驗值：開啟方向運動時bp計算值為6.03%，關(guān)閉方向運動時bp計算值為6.0%；槳葉隨動系統(tǒng)的不準確度ia=0.63%（滿足國標要求的≯0.8%）；實測協(xié)聯(lián)曲線與理論協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線的偏差：0.5%（滿足國標要求的≯1.0%）。

3.4 一次調(diào)頻頻率階躍擾動試驗

機組并網(wǎng)帶負荷穩(wěn)定運行，將測試儀的變頻信號源輸出的信號引入機頻測量端子，機組處于開環(huán)狀態(tài)，一次調(diào)頻功能投入，選擇幾組調(diào)節(jié)參數(shù)，利用測試儀發(fā)出頻率階躍信號，記錄整個擾動過程主接力器輸出、機組功率等信號。

調(diào)速器并網(wǎng)調(diào)節(jié)為PI調(diào)節(jié)，無微分，調(diào)節(jié)參數(shù)的設置如表3中的參數(shù)。其中導葉和槳葉的死區(qū)不是計算死區(qū)，和頻率死區(qū)的概念不一樣，是在調(diào)節(jié)過程中接力器行程目標值和實際值相差超過死區(qū)才進行調(diào)節(jié)，但不影響目標值和調(diào)節(jié)量，但影響調(diào)節(jié)速度，一次調(diào)頻過程的導葉接力器和槳葉接力器調(diào)節(jié)過程呈臺階狀就是由于動作死區(qū)引起的。動態(tài)一次調(diào)頻的初始工況為機組帶50MW，表4為動態(tài)一次調(diào)頻頻率階躍擾動試驗結(jié)果，計算以機組出力為目標值。

同時在一次調(diào)頻過程中由于引水系統(tǒng)的水擊效應，將使得一次調(diào)頻過程可能出現(xiàn)功率反調(diào)，存在一個調(diào)節(jié)滯后時間，將明顯惡化一次調(diào)頻性能，也不利于調(diào)度考核。因此在試驗中一要提高調(diào)節(jié)響應速度，二要降低調(diào)節(jié)中的功率反調(diào)，縮短滯后時間，避免機組出現(xiàn)較大的波動。

第一組調(diào)節(jié)參數(shù)下功率值達到調(diào)節(jié)量90%的時間在40s左右，調(diào)節(jié)穩(wěn)定時間在50s以上，主要由于調(diào)節(jié)參數(shù)不合理，調(diào)節(jié)速度較慢，另外調(diào)速器設置的導葉接力器和槳葉接力器動作死區(qū)較大也對調(diào)節(jié)速度有影響，調(diào)節(jié)滯后時間也較長，因此需要對調(diào)節(jié)參數(shù)進行調(diào)整，減少接力器動作死區(qū)值。

在第二組參數(shù)下調(diào)節(jié)速度略有提高，但還是超過標準要求，需要進一步優(yōu)化。

第三組參數(shù)在±0.15Hz的頻率擾動下，達到90%的時間均小于15s，條件穩(wěn)定時間在30s以內(nèi)，調(diào)節(jié)滯后時間在2s以內(nèi)。機組為低水頭軸流轉(zhuǎn)槳式機組功率反調(diào)較小，以及本身功率擺動較大，在無調(diào)節(jié)情況下功率擺動值達到額定功率的2.5%左右，在三組參數(shù)下的一次調(diào)頻試驗未測到明顯的功率反調(diào)。

3.5 一次調(diào)頻實際電網(wǎng)頻率擾動試驗

為進一步考察機組實際一次調(diào)頻過程中調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性，將一個電網(wǎng)頻率擾動過程頻率變化信號通過仿真測試儀發(fā)頻，接入機頻測量端，模擬實際電網(wǎng)頻率擾動過程如圖4所示，主接力器及機組功率隨著頻率的波動調(diào)節(jié)，一次調(diào)頻過程正常。

綜合以上的一次調(diào)頻試驗，將調(diào)速器調(diào)節(jié)參數(shù)設置為：bt=5、Td=6、bp=4%、人工死區(qū)Ef=0.05Hz。一次調(diào)頻各項性能指標較好，并且滿足陜西省電力調(diào)度中心關(guān)于一次調(diào)頻相關(guān)技術(shù)指標。

表3 調(diào)節(jié)參數(shù)設置

表4 一次調(diào)頻試驗結(jié)果

圖1 靜特性曲線圖

圖2 第三組參數(shù)頻率下擾0.15Hz

4 結(jié)論

通過一次調(diào)頻試驗，優(yōu)化了調(diào)速器一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能。驗證了在參數(shù)為bt=5、Td=6、bp=4%、人工死區(qū)Ef=0.05Hz，一次調(diào)頻過程達到目標出力90%的時間小于15秒，完全響應的時間小于30s；一次調(diào)頻調(diào)節(jié)滯后時間為1.9s，小于4s；一次調(diào)頻過程無明顯的功率反調(diào)。一次調(diào)頻性能指標滿足陜西省電力調(diào)度中心關(guān)于并網(wǎng)水電機組一次調(diào)頻的技術(shù)規(guī)定，具備一次調(diào)頻能力。

[1]李華.水電機組一次調(diào)頻性能的測試與分析[J].西北電力技術(shù)，2005，33(1)∶20-23.

[2]魏守平.水輪機控制工程[M].武漢∶華中科技大學出版社.2005.