黃燦成

(大唐水電科學技術研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

一次調(diào)頻(PFR)是保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的重要手段[1]，發(fā)電機組一次調(diào)頻功能可以有效抑制大負荷擾動造成的頻率波動[2]，其對短時間電網(wǎng)負荷波動的調(diào)節(jié)可減少二次調(diào)頻的動作，優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)度、穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。因此，一次調(diào)頻被列入并網(wǎng)發(fā)電機組必須提供的基本輔助服務之一。由此可見發(fā)電機組一次調(diào)頻是電網(wǎng)大功率擾動后保障頻率穩(wěn)定的基礎資源和關鍵措施，若系統(tǒng)一次調(diào)頻能力有效提升，將降低系統(tǒng)安全風險和大量切負荷的社會影響。為此，中國南網(wǎng)電網(wǎng)提出對所轄區(qū)域電廠采取措施保障和提升發(fā)電機組一次調(diào)頻能力以確保電網(wǎng)負荷、頻率運行安全穩(wěn)定。

目前關于水電機組一次調(diào)頻的研究大多為調(diào)速器一次調(diào)頻控制程序分析與參數(shù)優(yōu)化或者一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)動作等方面[3-8]。然而，水電機組一次調(diào)頻能力的大小還受水電機組自身特性及調(diào)速器控制模式差異的影響，部分工況下一次調(diào)頻性能不滿足電網(wǎng)調(diào)度的相關要求。因此本文以某水電機組一次調(diào)頻試驗數(shù)據(jù)為例，分析試驗數(shù)據(jù)指標不合格的原因，為混流式水電機組更好地服務電網(wǎng)提供參考，同時也為電網(wǎng)優(yōu)化水電機組一次調(diào)頻制度要求提供參考。

1 一次調(diào)頻試驗

1.1 一次調(diào)頻試驗內(nèi)容與性能指標

依據(jù)中國南網(wǎng)電網(wǎng)公司機組一次調(diào)頻試驗及性能指標要求及《南方區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》[9]機組一次調(diào)頻試驗及性能指標要求主要包括：①機組一次調(diào)頻試驗項目應包括死區(qū)測試、限幅測試和動態(tài)性能測試；②試驗工況應包含60%、75%、90%、100%額定有功功率四個工況，機組測試工況點應避開機組強振動區(qū)等非推薦性運行區(qū)。需對機組不同水頭下的一次調(diào)頻性能驗證的，應測試不同水頭下一次調(diào)頻性能；③機組調(diào)速系統(tǒng)遲緩率ix(電液調(diào)節(jié)型)：單機容量≤10萬kW，遲緩率小于0.15%；單機容量10～20萬kW(包括20萬kW)，遲緩率小于0.1%；單機容量>20萬kW，遲緩率小于0.07%；④水電機組轉(zhuǎn)速不等率(永態(tài)轉(zhuǎn)差率)不高于 4%；⑤當電網(wǎng)頻率變化達到一次調(diào)頻動作值到機組負荷開始變化所需的時間TPH為一次調(diào)頻的響應滯后時間，應小于或等于3 s；⑥水電機組達到目標負荷幅度ΔP的90%的時間T90不大于15 s；⑦機組響應目標PTM完全響應時間TTP不大于30 s；⑧水電機組自頻率變化超出一次調(diào)頻死區(qū)開始到發(fā)電負荷達到穩(wěn)定，且以后不再越出額定功率±1%范圍所需時間TS應不大于45 s。其中：

(1)

(2)

式中：ft為一次調(diào)頻動作時段內(nèi)t時刻實際電網(wǎng)頻率；Ef為機組調(diào)速器設定的一次調(diào)頻死區(qū)(一般為0.05 Hz)；fr為電網(wǎng)額定頻率；ep為機組功率調(diào)差系數(shù)(取值為4%)；Pr為參與一次調(diào)頻機組的額定功率。

1.2 試驗分析

為進一步分析水電機組的一次調(diào)頻試驗性能指標，選取某水電廠單機額定出力700 MW的混流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組的一次調(diào)頻實測數(shù)據(jù)進行分析。該機組主要參數(shù)信息如下：水輪機型號為HLS152-LJ-790、額定水頭140 m、最低水頭97 m、最高水頭179 m、額定轉(zhuǎn)速107.1 r/min。發(fā)電機型號為SF700-56/16090、額定容量700 MW/777.8 MVA；調(diào)速器型號為HGS-X20，調(diào)節(jié)控制規(guī)律為并聯(lián)PID調(diào)節(jié)，正常并入大電網(wǎng)時調(diào)速器的控制模式為開度閉環(huán)調(diào)節(jié)模式。其調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)框圖如圖1所示。

1)調(diào)速系統(tǒng)測頻回路校準。測頻分辨率對水電機組的一次調(diào)頻動作響應及積分電量考核均有較大影響，現(xiàn)場實測分辨率為0.001 Hz，符合《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術導則》[4]的要求。

2)調(diào)速器綜合固有死區(qū)(遲緩率)測定試驗。水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻試驗的頻率死區(qū)通常設定為±0.05 Hz，但是在試驗過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)人工死區(qū)設定為±0.05 Hz時，實際電網(wǎng)頻率與50 Hz的偏差絕

圖1 調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)框圖

對值大于0.05 Hz時導葉或者有功才有響應。這是因為調(diào)速系統(tǒng)存在固有死區(qū)，所以在進行機組一次調(diào)頻試驗時，需要測定機組調(diào)速系統(tǒng)的綜合固有死區(qū)。實測機組遲緩率為0.006%，滿足要求。

3)設定頻率死區(qū)驗證試驗。為了使機組在電網(wǎng)頻率越過一次調(diào)頻動作死區(qū)時能準確動作，同時使機組一次調(diào)頻不至于過早動作，需要在測定的調(diào)速器綜合固有死區(qū)的基礎上，設置一個人工頻率死區(qū)，使機組一次調(diào)頻的頻率死區(qū)不大于±0.05 Hz。試驗驗證了調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻動作人工死區(qū)設為±0.047 Hz，滿足要求。

4)動態(tài)響應性能試驗。機組一次調(diào)頻動態(tài)響應性能決定了當電網(wǎng)頻率越過頻率死區(qū)時，機組朝著頻率恢復方向的變負荷的速率及幅度，是電網(wǎng)對機組一次調(diào)頻要求的關鍵指標。試驗結(jié)果：①測試的大部分工況下機組的一次調(diào)頻負荷調(diào)整幅度均達不到理論變化幅度，也就使得機組在這些工況下的一次調(diào)頻負荷響應速率不滿足要求；②測試的工況下一次調(diào)頻負荷響應滯后時間最大為1.17 s，滿足要求；③電網(wǎng)頻率變化超過機組一次調(diào)頻死區(qū)時開始至機組實際出力達到穩(wěn)定值的時間最大為14.17 s，滿足要求；④通過計算不同頻差下導葉的實際變化值，可知該機組參與一次調(diào)頻的負荷變化幅度未加以限制，滿足相關要求；⑤實測轉(zhuǎn)速不等率(永態(tài)轉(zhuǎn)差率)bp均不大于4%，滿足要求，見表1。

5)一次調(diào)頻與AGC聯(lián)合調(diào)整試驗。因一次調(diào)頻動作使機組有功改變后，調(diào)速器反饋至監(jiān)控的有功功率值和AGC計算有功給定值會存在偏差，當偏差值超出設置的有功死區(qū)時，此時機組實際功率與AGC調(diào)整目標值不一致，AGC就對機組起調(diào)節(jié)作用。試驗驗證機組一次調(diào)頻與AGC聯(lián)合調(diào)節(jié)關系處理得當，兩者同時動作時不會產(chǎn)生混亂。

6)跟蹤響應運行試驗。試驗驗證了當網(wǎng)頻越過設定的死區(qū)時，機組一次調(diào)頻動作響應是正確的。

表1 機組一次調(diào)頻負荷響應試驗數(shù)據(jù)

2 案例分析

由前文的機組一次調(diào)頻試驗情況可知，機組的一次調(diào)頻動態(tài)響應性能不能完全滿足電網(wǎng)的要求。以下分析水電機組的響應特性和電網(wǎng)對水電機組一次調(diào)頻要求。

2.1 響應特性分析

為驗證機組108 m與130 m水頭下的負荷特性，進行了這兩個水頭下的帶負荷試驗。試驗得出機組在108 m與130 m水頭下的導葉開度與有功功率關系見圖2，試驗結(jié)果表明因兩個水頭下的水輪機工作水頭未到額定工作水頭，在這兩個水頭下在最大導葉開度下均帶不到額定負荷。因此在這兩個水頭下，均不能滿足電網(wǎng)要求的100%額定有功功率工況下開展一次調(diào)頻試驗的條件。

圖2 不同水頭下導葉與有功功率關系圖

而為分析試驗工況下機組的一次調(diào)頻負荷調(diào)整幅度均達不到理論變化幅度的原因，首先需要明確機組在一次調(diào)頻時的動作響應是否正常。該機組調(diào)速系統(tǒng)工作在開度閉環(huán)模式，即一次調(diào)頻動作時機組對電網(wǎng)頻率的響應是以開度變化作為調(diào)整目標的，即相應的頻差在固定的永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp下機組變化相應的導葉開度。結(jié)合表1中開度變化情況，表明機組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)規(guī)律是正確的。

而在機組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)規(guī)律正確的情況下，機組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能達不到電網(wǎng)要求的理論動作幅度。為說明這個問題，需進一步分析開度閉環(huán)模式下水電機組導葉開度與有功功率的關系。為分析機組在不同水頭下一次調(diào)頻動作變化相同導葉開度時機組有功變化的情況，定義機組在108 m水頭時導葉開度由60%變化至70%有功功率與導葉開度的比值為k1、導葉開度由70%開啟至80%(或由80%關至70%)有功功率與導葉開度的比值為k2；機組在130 m水頭時導葉開度由60%變化至70%有功功率與導葉開度的比值為k3、導葉開度由70%變化至80%有功功率與導葉開度的比值為k4；由圖2可明顯看出，k1>k2、k1>k3，說明不同水頭下水電機組變化相同的導葉開度，其有功功率變化幅度是不一樣的；在同一水頭下，在不同導葉開度范圍下水電機組變化相同開度，其有功變化幅度也是不一樣的。這是因為水電機組有功功率與水輪機工作水頭、導葉開度(對應當前水頭下的流量)以及效率的函數(shù)存在式(3)所示的關系[10]，所以同一導葉開度在不同水頭下對應的有功功率不同。

P=9.81QHηt

(3)

式中：P為有功功率，kW；Q為水輪機流量，m3/s；H為水輪機工作水頭，m；ηt為水輪發(fā)電機組效率。

經(jīng)過以上分析可知水電機組調(diào)速器工作于開度模式時，此調(diào)節(jié)模式下一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量以導葉開度為調(diào)節(jié)量進行閉環(huán)控制計算的，而導葉開度調(diào)節(jié)量僅依據(jù)一次調(diào)頻調(diào)節(jié)有效頻差進行計算，沒有考慮水頭因素的影響，即任何水頭下都以相同導葉開度調(diào)節(jié)量進行控制計算。故一次調(diào)頻在不同水頭不同頻差下的有功功率調(diào)節(jié)量存在較大差異。且水電機組在偏離設計水頭的低水頭下運行時水輪機效率低，再加上低水頭因素影響導葉開度(流量)變化對有功變化影響變小，故一次調(diào)頻有功動作幅度無法達到電網(wǎng)要求的理論動作幅度。

2.2 規(guī)程分析

當前電網(wǎng)對水電機組的一次調(diào)頻要求是單純的考慮有功功率動作幅度和變化趨勢，但這些都僅僅是從電網(wǎng)的負荷頻率需求的角度出發(fā)的，沒有周全的考慮水電企業(yè)的實際情況，故在一定程度上忽視了開度控制模式下水電機組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)動作的特性。當前在南方電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)還有較多的水電機組調(diào)速系統(tǒng)是工作在開度閉環(huán)模式的，在開度控制模式下，根據(jù)《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術導則》應以開度變化趨勢進行定量分析。

3 改進方法

3.1 水電企業(yè)側(cè)

若電網(wǎng)保持當前的對水電機組一次調(diào)頻性能指標要求不變，為使機組達到要求的性能指標，水電企業(yè)可對機組調(diào)速系統(tǒng)進行以下的改造/改進：

1)將調(diào)速器改造，使機組調(diào)速器工作于功率閉環(huán)調(diào)節(jié)并重新試驗選擇合適的一次調(diào)頻參數(shù)；這樣，機組的一次調(diào)頻將是以有功功率作為調(diào)整目標。

2)對調(diào)速器一次調(diào)頻程序進行優(yōu)化，在一次調(diào)頻動作計算導葉開度調(diào)整量時，考慮各水頭下的導葉開度與有功功率關系因素，使一次調(diào)頻動作時一次調(diào)頻開度調(diào)整量乘以不同的系數(shù)，以適當放大導葉開度調(diào)整量，以達到增加有功調(diào)整幅度。

3.2 電網(wǎng)側(cè)

對于調(diào)速系統(tǒng)工作于開度閉環(huán)的水電機組而言，當水輪機工作于不同的水頭時其出力特性是有較大差異的。故建議電網(wǎng)企業(yè)在制定相關一次調(diào)頻標準時可增加以下考量：

1)充分尊重水電機組當前的運行特性規(guī)律，不宜一味的要求水電機組在一次調(diào)頻動作時加快響應速度和響應幅度，因為這在一定程度上反而可能會造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定；

2)機組調(diào)速系統(tǒng)工作于開度控制模式的，增加以開度變化趨勢進行定量分析評價的一次調(diào)頻響應指標；如保持當前的一次調(diào)頻有功響應指標不變，需給予水電企業(yè)充足的設備改造時間周期。

4 結(jié) 語

開度閉環(huán)模式下的混流式水電機組，其一次調(diào)頻開度調(diào)整量僅依據(jù)一次調(diào)頻有效調(diào)節(jié)頻差計算，未考慮水頭和其他因素的影響，故一次調(diào)頻在不同水頭下的有功功率調(diào)節(jié)量存在較大差異，從而造成在某些水頭下其一次調(diào)頻調(diào)整幅度達不到電網(wǎng)要求的理論調(diào)整幅度。為使混流式水電機組一次調(diào)頻性能完全達到要求，需要對調(diào)速系統(tǒng)進行優(yōu)化或者改造。但從另一個角度來看，電網(wǎng)企業(yè)在制定對混流式水電機組的一次調(diào)頻性能指標要求時，也未充分考慮水電企業(yè)的現(xiàn)狀，所制定的一次調(diào)頻性能指標偏于嚴格。