彭天波，王 楠，孫 剛，唐國(guó)平

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.葛洲壩水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443002）

電能生產(chǎn)與消費(fèi)同時(shí)完成，因此要求發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的出力與負(fù)荷之間保持平衡。保證電能的良好質(zhì)量是電能生產(chǎn)過(guò)程中的重要任務(wù)，通常衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)是電壓和頻率。

按照我國(guó)規(guī)定，電網(wǎng)的額定頻率為50 Hz，大電網(wǎng)允許的頻率偏差為±0.2 Hz。對(duì)我國(guó)的中小電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)有時(shí)會(huì)達(dá)到其總?cè)萘康?%～10%；而且即使是大的電力系統(tǒng)，其負(fù)荷波動(dòng)也往往會(huì)達(dá)到其總?cè)萘康?%～3%。電力系統(tǒng)負(fù)荷的不斷變化，導(dǎo)致了系統(tǒng)頻率的波動(dòng)，因此需要不斷地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組的輸出功率，維持機(jī)組的轉(zhuǎn)速（頻率）在額定的規(guī)定范圍內(nèi)。

一次調(diào)頻就是利用發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)自身的頻率調(diào)節(jié)特性，對(duì)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。其特點(diǎn)是頻率調(diào)整速度快,不同的發(fā)電機(jī)組貢獻(xiàn)的調(diào)整量有差別,且調(diào)整量有限,值班調(diào)度員難以控制。

電網(wǎng)調(diào)頻，即二次調(diào)頻（或AGC），其對(duì)象是全電網(wǎng)系統(tǒng)，即當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷或發(fā)電出力發(fā)生較大變化時(shí),通過(guò)裝在發(fā)電廠和調(diào)度中心的自動(dòng)裝置監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)頻率的變化，然后由運(yùn)行人員或系統(tǒng)自動(dòng)地發(fā)出命令以增減發(fā)電機(jī)的發(fā)電出力,保持系統(tǒng)頻率在較小的范圍內(nèi)波動(dòng),而電網(wǎng)調(diào)頻又是建立在每個(gè)電廠自身調(diào)頻的基礎(chǔ)之上的。這就要求電廠每臺(tái)機(jī)組自身都能對(duì)電網(wǎng)的頻率波動(dòng)，產(chǎn)生敏感反應(yīng)，及時(shí)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

1 水電機(jī)組一次調(diào)頻、二次調(diào)頻的靜態(tài)特性

機(jī)組原始工作位置見(jiàn)圖1所示的靜特性曲線1上A點(diǎn)，機(jī)組目標(biāo)功率Pc1；機(jī)組實(shí)際功率P1，機(jī)組頻率 f1；調(diào)速系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)ep。電網(wǎng)發(fā)生功率缺額，折算到機(jī)組的功率缺額為P3－P1。

圖1 調(diào)速器靜態(tài)特性圖Fig.1 Static characteristics chart

一次調(diào)頻：電網(wǎng)功率缺額引起電網(wǎng)頻率降低，如果不進(jìn)行調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)則按靜特性曲線1運(yùn)行，頻率應(yīng)降至 f3，各機(jī)組根據(jù)頻率偏差進(jìn)行一次調(diào)頻，使機(jī)組增發(fā)了功率ΔPf=P2－P1，電網(wǎng)頻率為B點(diǎn)的 f2。雖然該機(jī)組與電網(wǎng)上其它機(jī)組一起進(jìn)行了一次調(diào)頻，但電網(wǎng)頻率為f2，不可能恢復(fù)到擾動(dòng)前的 f1。

二次調(diào)頻：若電網(wǎng)二次調(diào)頻將該機(jī)組的目標(biāo)功率由Pc1修正為Pc2，則機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)靜特性由特性曲線1變?yōu)樘匦郧€2。最后的調(diào)節(jié)結(jié)果為特性曲線2上C點(diǎn)：調(diào)速系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)ep、機(jī)組目標(biāo)功率Pc2、機(jī)組實(shí)際功率P3、機(jī)組頻率 f1；電網(wǎng)的功率缺額得以補(bǔ)償，系統(tǒng)頻率也恢復(fù)到擾動(dòng)前的數(shù)值 f1。

電網(wǎng)在負(fù)荷擾動(dòng)后，電網(wǎng)頻率產(chǎn)生偏差，各機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)頻率偏差Δf和功率調(diào)差系數(shù)ep進(jìn)行一次調(diào)頻，迅速?gòu)浹a(bǔ)系統(tǒng)部分功率差值；在一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上，電網(wǎng)AGC再經(jīng)過(guò)二次調(diào)頻重新修正相關(guān)機(jī)組的目標(biāo)功率值。因此，調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)信號(hào)輸入端：頻率（轉(zhuǎn)速）輸入端(一次調(diào)頻)和機(jī)組目標(biāo)功率輸入端（二次調(diào)頻或AGC）對(duì)電網(wǎng)的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終達(dá)到電網(wǎng)功率平衡和頻率恢復(fù)到規(guī)定的范圍之內(nèi)。

2 水電機(jī)組調(diào)速器實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能的方法與要求

在調(diào)速器程序中設(shè)定一次調(diào)頻專用的調(diào)差系數(shù)、頻率人工失靈區(qū)（頻率死區(qū)）和PID參數(shù)，并且具有一次調(diào)頻投入后調(diào)節(jié)范圍的限制功能，能有效的抑制一次調(diào)頻過(guò)程中機(jī)組有功功率的變化幅度，轉(zhuǎn)速死區(qū)設(shè)定和PID參數(shù)的選擇，能確定當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，機(jī)組由正常發(fā)電運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換為一次調(diào)頻工況運(yùn)行的響應(yīng)時(shí)間及調(diào)節(jié)能力。

調(diào)速器中仍能保留頻率調(diào)節(jié)模式和頻率調(diào)節(jié)模式所對(duì)應(yīng)的有關(guān)參數(shù)，不影響負(fù)載小電網(wǎng)和孤立電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)能力。

在調(diào)速器上設(shè)置一次調(diào)頻的投入、切除開(kāi)關(guān)，并且當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻動(dòng)作后，能將輸出接點(diǎn)信號(hào)輸出到計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

華中電網(wǎng)為了保證發(fā)電質(zhì)量和維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并結(jié)合自身電網(wǎng)的特性，對(duì)參與一次調(diào)頻機(jī)組有如下要求。

（1）頻率（轉(zhuǎn)速）死區(qū)：參與一次調(diào)頻的水電機(jī)組的頻率（轉(zhuǎn)速）死區(qū)控制在±0.05 Hz內(nèi)。

（2）機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的速度變動(dòng)率（水電機(jī)組永態(tài)轉(zhuǎn)差率）：水電機(jī)組速度變動(dòng)率（永態(tài)轉(zhuǎn)差率）不大于4%。

（3）響應(yīng)特性：當(dāng)電網(wǎng)頻率變化達(dá)到一次調(diào)頻動(dòng)作值到機(jī)組負(fù)荷開(kāi)始變化所需的時(shí)間為一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間，額定水頭大于50 m的水電機(jī)組應(yīng)小于4 s，額定水頭小于50 m的水電機(jī)組應(yīng)小于8 s。當(dāng)電網(wǎng)頻率變化超過(guò)機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)，機(jī)組能在15 s內(nèi)達(dá)到一次調(diào)頻調(diào)整幅度（響應(yīng)目標(biāo)）的90%。在電網(wǎng)頻率變化超過(guò)機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)的前45 s內(nèi)，機(jī)組實(shí)際出力與機(jī)組響應(yīng)目標(biāo)偏差的平均值應(yīng)在機(jī)組額定有功出力的±3%內(nèi)。機(jī)組參與一次調(diào)頻過(guò)程中，在電網(wǎng)頻率穩(wěn)定后，在1 min內(nèi)，機(jī)組負(fù)荷達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間為一次調(diào)頻穩(wěn)定時(shí)間。

（4）參與一次調(diào)頻機(jī)組的最大調(diào)整負(fù)荷限幅：水電機(jī)組參與一次調(diào)頻的負(fù)荷變化幅度原則上不加限制，但是必須在調(diào)速器中可以對(duì)負(fù)荷變化幅度進(jìn)行設(shè)定，一般負(fù)荷調(diào)整幅度不低于額定值的±10%。

3 水電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中一次調(diào)頻與AGC的協(xié)調(diào)控制

水電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的出力控制規(guī)律如下

Pg=Pc+Pf

式中：Pg為機(jī)組當(dāng)前有功出力；Pc為電網(wǎng)AGC機(jī)組出力目標(biāo)值；Pf為一次調(diào)頻偏差出力。

3.1 一次調(diào)頻退出

當(dāng)一次調(diào)頻功能退出或電網(wǎng)頻差小于一次調(diào)頻頻率死區(qū)時(shí)，Pf＝0，此時(shí)機(jī)組的出力完全等于電網(wǎng)AGC所設(shè)定的機(jī)組出力目標(biāo)值，即 Pg=Pc。

3.2 電網(wǎng)AGC退出、一次調(diào)頻投入

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在電網(wǎng)AGC所設(shè)定的機(jī)組出力目標(biāo)值時(shí)，電網(wǎng)AGC功能退出，這時(shí)，如果電網(wǎng)頻率與額定頻率的偏差的絕對(duì)值大于一次調(diào)頻的頻率（轉(zhuǎn)速）死區(qū)，調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻根據(jù)電網(wǎng)偏離額定值的偏差自動(dòng)投入運(yùn)行。

3.3 一次調(diào)頻和AGC投入

在調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻投入后，由于調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻會(huì)使機(jī)組當(dāng)前功率偏離電網(wǎng)AGC設(shè)定的目標(biāo)出力，此時(shí)Pf≠ 0，如果電網(wǎng)AGC也正好在調(diào)整負(fù)荷，若電網(wǎng)頻率還未恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)，Pf會(huì)隨電網(wǎng)頻率的波動(dòng)而變化，若電網(wǎng)頻率恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)，此時(shí) Pg=Pc+Pf，這時(shí) Pf≠ 0。機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻退出并恢復(fù)到功率或者開(kāi)度模式運(yùn)行，Pf將逐步回到零，致使 Pg≠Pc，電網(wǎng)AGC又將重新改變Pc來(lái)修正機(jī)組的實(shí)際出力。

因此在調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻投入運(yùn)行的過(guò)程中，電網(wǎng)AGC二次調(diào)頻信號(hào)也加入到調(diào)速系統(tǒng)，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)調(diào)速器立刻退出一次調(diào)頻并且將調(diào)速器的功率調(diào)節(jié)輸出信號(hào)與功率目標(biāo)值設(shè)為一致，同步后再接收二次調(diào)頻命令，當(dāng)二次調(diào)頻結(jié)束后如果電網(wǎng)頻差大于轉(zhuǎn)速死區(qū)，一次調(diào)頻將再次自動(dòng)投入。

4 應(yīng)用實(shí)例

以葛洲壩電廠某臺(tái)機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)為例說(shuō)明如下。

試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)機(jī)組在一次調(diào)頻運(yùn)行方式下，出力隨頻率變化的響應(yīng)能力，測(cè)定機(jī)組的一次調(diào)頻動(dòng)作滯后時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間等參數(shù)。試驗(yàn)的前提條件必須滿足華中電網(wǎng)對(duì)參與一次調(diào)頻機(jī)組所提出的所有要求，從而優(yōu)化和設(shè)定機(jī)組的一次調(diào)頻PID參數(shù)。機(jī)組帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)速器在自動(dòng)運(yùn)行方式，電氣開(kāi)度限制設(shè)定為100%；調(diào)差系數(shù)設(shè)定為bp=4%，頻率（轉(zhuǎn)速）死區(qū)設(shè)定為±0.05 Hz。

將調(diào)速器PID參數(shù)整定為所選取的一次調(diào)頻PID參數(shù)。機(jī)組分別帶60%、75%、90%、100%的額定負(fù)荷運(yùn)行，將機(jī)組頻率（并網(wǎng)后也就是電網(wǎng)頻率）斷開(kāi)，接入頻率信號(hào)發(fā)生器用來(lái)改變電網(wǎng)頻率。用調(diào)速器測(cè)試儀記錄機(jī)組頻率、機(jī)組出力、導(dǎo)葉接力器行程、槳葉行程等參數(shù)的變化過(guò)程曲線。圖2～3為葛洲壩電廠某臺(tái)機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)的錄波圖。表1為葛洲壩電廠某臺(tái)機(jī)組帶75%額定負(fù)荷運(yùn)行的一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果，表2為葛洲壩電廠某臺(tái)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻響應(yīng)特性。

試驗(yàn)結(jié)果可以清楚看出，當(dāng)頻率信號(hào)向上或向下階躍發(fā)生時(shí)，接力器迅速反應(yīng)，滯后時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間均滿足要求。由此可以看出：當(dāng)頻率變化時(shí)，機(jī)組有功相應(yīng)迅速變化，發(fā)揮了調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率的作用。

圖2 一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)試驗(yàn)波形圖Fig.2 Grid frequency modulation dynamical test oscillation chart

圖3 一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)試驗(yàn)波形圖Fig.3 Grid frequency modulation dynamical test oscillation chart

表1 葛洲壩電廠一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The result of grid frequency modulation in Gezhouba hydropower plant

表2 葛洲壩電廠機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)特性Tab.2 Grid frequency modulation characteristic of Gezhouba hydropower plant

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)一次調(diào)頻試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行表明，葛洲壩電廠試驗(yàn)機(jī)組完全滿足華中電網(wǎng)調(diào)頻的要求，并且能夠有效地避免調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻和電網(wǎng)AGC二次調(diào)頻之間的矛盾。本文闡述的一次調(diào)頻功能實(shí)現(xiàn)方法，協(xié)調(diào)了一次調(diào)頻和二次調(diào)頻之間既相互輔助又相互制約的關(guān)系，對(duì)保持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定、保證供電質(zhì)量有著非常重要的意義。

[1] 沈祖貽.水輪機(jī)調(diào)節(jié)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1998.SHENG Zuyi.Turbine regulating[M].Beijing：China Water&Power Press,1998.

[2] 魏守平.現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.WEI Shouping.Modern water turbine regulation technology[M].Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press,2002.