呂 帥

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北宜昌 443000）

引言

西南電網系統(tǒng)異步聯(lián)網后，系統(tǒng)的轉動慣量僅為同步聯(lián)網的1/5～1/6，導致系統(tǒng)頻率波動增大。因水錘效應為水輪機組原動機系統(tǒng)和調速器系統(tǒng)的固有屬性，故負阻尼特性明顯，水輪機組頻率波動將誘發(fā)電網的低頻振蕩。為滿足一次調頻考核指標，部分電廠將調速系統(tǒng)響應速度調整得較高，反應動作迅速，這將對電網系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行埋下隱患[1]。

為抑制西南電網異步運行后存在的低頻振蕩風險，西南分中心完成138臺、5070萬千瓦水電機組（統(tǒng)調占比68.4%）調速系統(tǒng)改造，調速器由大網功率反饋模式調整為小網-開度反饋模式，全網一次調頻性能嚴重弱化，頻率越限風險增加。經統(tǒng)計，西南電網異步運行期間，直調廠站（二灘）及其他投入西南AGC運行的水電機組（包括向家壩、溪洛渡、錦官等電站）突破一次調頻死區(qū)（50±0.05）Hz次數比同步聯(lián)網期間增長10倍以上，一次調頻電量貢獻比僅為5.84%（標準值為50%），不利于電網頻率快速恢復。

在現有的技術基礎上開展了水輪機調速器頻率穩(wěn)定性的研究。本文基于調速器和原動機系統(tǒng)存在的頻率振蕩問題，通過對二灘水電站水輪機及其調速系統(tǒng)進行參數實測及建模仿真計算，對調速器PID參數進行了優(yōu)化，提出了水電站調速器頻率穩(wěn)定性能分析及優(yōu)化建議[1]。本文基于大量較翔實的現場試驗數據，就二灘水電站水輪機組調速器頻率穩(wěn)定性能及其影響因素得出了針對性強并具有實際參考價值的結論。

1 調速器系統(tǒng)特性及建模

水輪機原動機及其調節(jié)控制系統(tǒng)對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定以及中長期穩(wěn)定性都有顯著的影響。水輪機調速器系統(tǒng)通過一次調頻對機組及電網的頻率進行控制，它是水輪機調節(jié)系統(tǒng)的重要部分，主要作用是根據發(fā)電機的頻率反饋控制水輪機導水葉開度，進而改變發(fā)電機的輸出功率，對電力系統(tǒng)的功率穩(wěn)定及頻率穩(wěn)定具有至關重要的作用[2]。通過對電網典型主力機組的調速器系統(tǒng)模型和參數進行調查和測試，為系統(tǒng)穩(wěn)定分析及電網日常生產調度提供準確的數據，是提高電網頻率安全運行的有效措施。

二灘水電站機組采用了長江三峽能事達科技有限公司生產的水輪機調節(jié)系統(tǒng)。該模型為開度與功率模式，并具備一次調頻功能，正常運行在開度模式下。在模型中，有手動調節(jié)、開度調節(jié)兩種模式，并具有按頻率調節(jié)功能。開度調節(jié)模式中，Yref為開度給定，該模式下反饋信號可以選擇導葉開度Y或PID的輸出Ypid；功率調節(jié)中，Pref為功率給定，Pe為有功功率；頻率調節(jié)的輸入信號為頻率偏差；Yc為手動方式開度給定。

2 二灘水電站550 MW水輪機調速器一次調頻試驗

2.1 水輪機組基本數據

水輪機類型：混流式；發(fā)電機型號：AT1-W-42P-612000；水輪機型號：HLF497-LJ-625.7；制造廠：加拿大GE。表1為二灘水電站機組基本參數。

表1 二灘水電站機組基本參數

2.2 試驗方法

用調試器特性和機組參數綜合測試系統(tǒng)儀器TG2000H來仿真系統(tǒng)頻率為50 Hz，并可通過改變頻率完成不同程度的頻率階躍，用網源動態(tài)監(jiān)控裝置BPT-9301NFC來測量有功功率及頻率，觀察此時發(fā)電機組調速系統(tǒng)動作情況以及機組負荷變化，并用錄波測試裝置BPT-9301FC進行錄波分析[3]。具體設備如表2所示。

表2 試驗所用設備

2.3 現場試驗方案及步驟

在分析完調速器、發(fā)電機組相關資料的前提下,了解了調速器和機組的相關功能和運行條件后,做好試驗方案和相關安排,準備開始機組現場試驗[4,5]。試驗步驟如下：

①在機組檢修狀態(tài)下進行一次調頻試驗接線,接線無誤后進行試驗；

②調速器頻率測量單元校驗；

③調速器靜特性試驗（永態(tài)轉差系數bp校驗）；

④人工頻率死區(qū)設值校驗；

⑤頻率擾動試驗（測試不同參數不同模式下一次調頻功率調節(jié)性能）；

⑥大網運行、小網運行工況的PID控制參數的校驗（分別在開度反饋模式和功率反饋模式下進行）；

⑦一次調頻與AGC配合試驗；

⑧在機組檢修狀態(tài)下進行機組一次調頻試驗的拆線及恢復。

2.4 結果分析

調速器現地自動運行，頻率給定為50 Hz，TG2000H測試儀仿真機頻50 Hz，開限全開，液壓隨動系統(tǒng)放大倍數為整定值；模擬機組并網，開度調節(jié)模式，開度給定50%；一次調頻功能投入，置KP=10，KI=10(1/s)，KD=0 s，Ef=0 Hz。設置bp至設置值（4%），改變TG2000H仿真頻率信號，使導葉全開至全關來回各一次，測取接力器兩個輸出（Y1、Y2）及其對應的輸入頻率（f1、f2），校驗永態(tài)轉差率bp設值，數據記錄見表3。

表3 靜特性試驗測試結果

為確保校驗精度，選擇25%和75%行程位置附近為測量點，按式（1）計算永態(tài)轉差率。

式中：Ymax為接力器最大行程；fr為額定頻率，50 Hz。

計算得到的永態(tài)轉差率與設置值吻合，偏差為0.03%。

二灘頻率死區(qū)設置值：0.05 Hz，實際動作值：+0.053/-0.052 Hz，滿足規(guī)范要求。目前彭水、長河壩、向家壩、官地4電站一次調頻死區(qū)為0.1 Hz，總裝機12 800 MW，在電網正常頻率波動范圍內（±0.08 Hz）一次調頻不動作，建議統(tǒng)籌考慮對全網機組的死區(qū)設置進行優(yōu)化，如死區(qū)設置±0.04 Hz、±0.05 Hz、±0.06 Hz三個梯度，使全網機組分批次參與一次調頻，釋放更多機組的一次調頻容量，讓更多機組參與到頻率控制的第二道防線中，可極大地增加電網一次調頻容量，降低部分機組一次調頻的動作次數。不同模式下一次調頻階躍響應如表4所示。

表4 不同模式下一次調頻

大網-開度模式平均穩(wěn)定時間18.5 s，大網-功率模式平均穩(wěn)定時間23.5 s，小網-開度模式平均穩(wěn)定時間117.5 s，小網-功率模式平均穩(wěn)定時間140 s，當前小網-開度模式下響應速度大幅降低，受水力因素影響，穩(wěn)定時間有一定差異；受機械死區(qū)影響，機組一次調頻動作復歸后，開度模式下，導葉開度正常復歸至動作前穩(wěn)定值，功率變化量較小，且功率無法復歸至動作前穩(wěn)定值（變化量不足）；功率模式下，功率變化量正常，且正常復歸至動作前穩(wěn)定值，導葉開度較動作前動作量更大。

一次調頻功能投入，模擬機組頻率擾動，分別進行大網-開度、大網-功率、小網-開度三種模式下一次調頻擾動試驗。試驗結果如表5所示。

表5 頻率擾動數據分析表

根據現場試驗及仿真數據，實測三種控制模式下實際動作量與理論動作量基本一致，動作穩(wěn)定時間與仿真結果基本一致，大網-開度模式穩(wěn)定時間16 s，調節(jié)速率快；大網-功率模式穩(wěn)定時間29 s，調節(jié)速率較快；小網-開度模式穩(wěn)定時間129 s，調節(jié)速率慢。結合機組和電網同步仿真計算，在電網安全穩(wěn)定、不發(fā)生振蕩的前提下，增大調速系統(tǒng)PID參數，提高一次調頻響應速率。

3 結論

通過試驗研究發(fā)現一次調頻頻率死區(qū)、永態(tài)轉差系數bp、調速器PID參數等影響水輪機調速器頻率穩(wěn)定，經現場試驗驗證，二灘電站調速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)調節(jié)參數滿足規(guī)范要求：測頻分辨率0.002 Hz，滿足規(guī)范要求；bp=4.03%，與設置值基本相符；開度死區(qū)小于0.1%，調節(jié)性能好；監(jiān)控系統(tǒng)功率調節(jié)死區(qū)3 MW，調速器功率模式調節(jié)死區(qū)3.3 MW，功率死區(qū)較小，控制精度較高。

通過本項目分析及現場試驗，結合西南電網對機組一次調頻的要求，對機組調速器頻率穩(wěn)定性有以下相關建議：

（1）一次調頻頻率死區(qū)有待優(yōu)化。建議統(tǒng)籌考慮對全網機組的死區(qū)設置進行優(yōu)化，如死區(qū)設置±0.04 Hz、±0.05 Hz、±0.06 Hz三個梯度，使全網機組分批次參與一次調頻，釋放更多機組的一次調頻容量，讓更多機組參與到頻率控制的第二道防線中。

（2）當前小網-開度模式一次調頻調節(jié)速率慢。建議在確保電網安全穩(wěn)定、不發(fā)生頻率振蕩的前提下，增大調速系統(tǒng)PID參數，提高一次調頻響應速率，設置對應PID參數為：Kp=2.5、Ki=0.8、Kd=0。