華能寶興河流域電站發電機組一次調頻的探討

高詩華，施德航，方世祿

(四川華能寶興河水電有限責任公司，四川雅安 625000)

當前，水輪發電機組并入大電網運行已成為主要的運行方式。作為機組頻率和機組功率的直接控制設備——水輪機調速器所肩負的一次調頻功能的重要性凸現出來。目前四川華能寶興河流域根據電網要求，所有的水輪發電機組均具有了一次調頻功能。筆者以此為基礎，對水輪發電機組的一次調頻試驗展開了一些探討。

1 一次調頻的意義

1.1 水輪發電機組一次調頻的定義

一次調頻是相對于二次調頻而言的。二次調頻是指電網從宏觀控制、經濟運行及電網交換功率控制等方面向水輪發電機組調速系統下達相應的機組目標功率值，從而實現電網范圍內的功率/頻率控制，此時調速器的目標給定值是被控機組的功率設定值。一次調頻是指電網頻率發生變化時通過水輪發電機組調速系統的自身“負荷－頻率”靜態和動態特性對電網進行控制。簡單的描述水輪機組調速系統的一次調頻功能:就是指在并網發電的狀態下，如果頻率超過50Hz時，調速系統在沒有接受上級設備下發新的定值的情況下，按照“負荷－頻率”曲線進行負荷調整，自動下調一定的負荷;當頻率低于50Hz時，調速系統在沒有接受上級設備下發新的定值的情況下按照“負荷－頻率”曲線進行負荷調整，自動上調一定的負荷。機組的一次調頻功能對電網和機組的安全穩定運行具有極其重要的作用。

1.2 國家電力調度中心關于電網一次調頻對水電機組的主要技術要求

永態轉差系數ep為3% ～4%，頻率死區Ef=±0.033Hz;相應特性:電網頻率變化超過一次調頻頻率死區時，機組應在15s內響應機組目標功率，在45s內機組實際功率與目標功率偏差的平均值應在其額定功率的3%范圍內;穩定時間應小于1min。但對水電機組參與一次調頻的負荷變化幅度不加限制。一次調頻功能為必備功能，不得由運行人員切除，不得在開度限制工況下運行。

1.3 四川電網中水輪發電機組的一次調頻試驗

按華中網調［2005］143號文件規定，要求并入四川電網的機組必須投入一次調頻功能。四川電網中的水輪發電機組分三階段進行一次調頻投入工作:第一階段為100MW以上的水輪發電機組，時間為2005年第四季度，第二階段為40～100MW的水輪發電機組，時間為2006年第一季度，第三階段為10～40MW的水輪發電機組，時間為2006年第二季度。我公司下屬的雨城電站、銅頭電站、小關子電站、磽磧電站先后于2006年至2008年進行了一次調頻試驗與投入工作。

2 調速器一次調頻的動作實現

2.1 調速器的“負荷－頻率”關系論述

2.1.1 啟動一次調頻水輪機組頻率死區特性曲線(圖1)

當 －0.05＜ΔF'＜0.05Hz時，ΔF=0

當 ΔF'≥0.05Hz時，ΔF=ΔF'－0.05Hz

當 ΔF'≤0.05Hz時，ΔF=ΔF'+0.05Hz

2.1.2 水輪發電機組負載下負荷－頻率的關系

圖1 一次調頻水輪機組頻率死區特性曲線圖

式中 ep為功率永態差值系數;Pc為機組功率給定;Pg為機組功率;fc為機組頻率給定;fg為機組頻率;ΔI為負載時積分輸入。

對式(2)進行換算，當水輪發電機組穩態運行時，機組功率的算式變為式(3):

當fc=fg，即頻率給定和機組頻率均為50Hz時:

調速系統一次調頻投入以后，如果頻率給定fc=50Hz，功率給定Pc在一定的時間內為定值，當一次調頻水輪發電機組頻率越過頻率死區0.033Hz時，新的機組功率值為:

調速系統在一次調頻過程中的功率調節量為式(5)和式(4)的差，即:

從式(6)可以看出，當機組頻率與機組頻率給定值的差值一定時，調速系統一次調頻功率的調節量直接取決于永態差值系數。

現在使用的水輪機調速器一般有三種工作模式:頻率模式、開度模式和功率模式。功率模式下調速器的永態差值系數為功率永態差值系數ep，在頻率模式和開度模式下，調速器的導葉接力器行程永態差值系數為bp，上述式(6)是基于目前負載狀態下運用最流行的功率模式推算的，而在頻率模式和開度模式下:

式中 fn為電網頻率;yc為導葉開度給定;yPID為PID開度給定。

其中yPID的計算情況見圖2。

圖2 調速器PID結構框圖

依據上述，當機組頻率和網頻(或頻率給定)一致時，即機組并入大網穩態運行時，應調節開度給定來調節機組負荷;當機組頻率越過一次調頻頻率死區時，頻率給定fc和頻率給定fg的差值ΔIf非零，這樣，PID開度給定就會向機組頻率變化相反的方向變化，以維持動態平衡關系。比如，頻率升高，導葉PID開度給定就會減少，機組功率隨即相應的減少，從而起到一次調頻的作用。

開度模式情況下的一次調頻最重要的環節就是功率調節幅值的限定問題。如果僅僅采用功率信號進行簡單的輸出限制，以最終的調節量來看能夠滿足要求，但是會帶來超調。傳統上很多電站機組在并入大網運行的時候采用開度模式運行，對采用比較高端PLC的調速器可以引入“導葉開度-功率”的函數曲線進行調節量動態限制，在實際操作過程中，采用快速啟動過程中進行速度限制、提前減速的方式也能有效的進行功率限制，并且調節曲線也很優美，實施中可操作性很強，可以根據試驗曲線對調節程序進行比較靈活的處理和修改，很容易達到理想的調節效果。

2.2 四川電網對水輪發電機組一次調頻的補充技術要求和參數設定

四川電網委托四川電力試驗研究院進行一次調頻試驗驗收工作，在試驗要求上，四川電力試驗研究院參照了國家電力調度通信中心關于電網一次調頻對水電機組調速系統的主要技術要求;在響應時間上，要求15s內必須響應總調節量的90%;同時補充了對水輪發電機組參與一次調頻調節幅度的限制條款，要求水電機組參與一次調頻的負荷變化幅度不超過機組額定負載的10%。

2.3 一次調頻功能實現中需要注意的幾個方面

2.3.1 一次調頻人工死區的設定

一次調頻試驗中最重要的參數就是死區。目前水輪發電機組調速系統一次調頻試驗的死區通常設定為0.033Hz。但是，調速系統本身都有自己的物理死區和隨動系統的不準確度。筆者在試驗過程中經常發現人工死區設定為0.033Hz，而實際的死區大部分都大于0.033Hz。這一點是可以理解的，因為在負載的情況下，調速系統本身就有一定的死區，而且對于燈泡貫流式和軸流轉槳式水輪發電機組其導葉開度的小幅度變化并不一定會引起功率的類似變化。那么，在一次調頻試驗過程中，可以考慮將人工頻率死區在0.03～0.033Hz范圍內進行設定，這樣的話調速系統的真實頻率死區很容易達到0.033Hz。這樣設定與國家電力調度通信中心關于一次調頻的技術要求并不沖突，只是設定值與真實的測量值之間的偏差而已。

2.3.2 一次調頻過程中功率調節控制權紊亂的解決方法

一次調頻功能投入后，若機組頻率和頻率給定的偏差越過了頻率死區，一次調頻就會啟動，調速系統將依據當前的頻率自行對功率進行調節。在一次調頻動作的過程中，監控系統捕捉到的當前機組功率和功率給定產生了差值，這個差值很有可能就會越過監控系統設定的功率死區。如果此時監控系統的功率控制閉環參與調節有功，就會引起機組功率的雙路調節，很容易引起機組的功率振蕩。目前比較有效的處理辦法是:調速器一次調頻動作后，將其一次調頻功率控制的啟動信號送至監控系統，監控設備一旦捕捉到調速器送過來的這個信號，就會退出功率控制閉環。當調速器一次調頻動作完成后，就會斷開這個信號，監控系統可以依據該信號的消失重新投入功率控制閉環。還有一個比較常用的辦法是:調速器在啟動一次調頻功率控制后自己屏蔽來自遠方的功率控制信號，待一次調頻動作完成后，撤銷屏蔽功能即可。這兩個方法都可以有效的解決一次調頻過程中功率調節控制權紊亂的問題。

2.3.3 防止一次調頻誤動的方法

一次調頻是發電機組一項重要的功能，一旦并入大電網發電運行，一次調頻功能是一個必須具備的功能。一次調頻的動作源就是調速器所測到的頻率信號，機組頻率信號的測量必須準確且精度高。但是電廠所處的電磁環境比較復雜，特別是一些地下廠房，電磁環境更為惡劣。有些廠房內的調速器控制柜和一些大功率設備距離較近。正是由于這些情況的存在，造成調速系統的機組頻率測量環節不可避免地會受到一些電磁干擾，同時也會出現高次諧波。雖然說干擾產生的時間可能非常短，但如果一次調頻沒有采用誤動作判斷的處理很容易引起瞬間機組功率大幅度波動。為了防止一次調頻誤動作，最常規的就是在程序里對頻率取樣信號進行濾波處理;如果信號源較差的話，還要采用專門的濾波設備進行硬件濾波。濾波完成后，還需要在程序一次調頻啟動條件中對頻率偏差的判斷部分進行延時判斷，一般采用0.1～0.5s的延時繼電器。依據試驗情況，該延時基本上不影響一次調頻試驗的曲線和調節時間，并且能夠有效的防止一次調頻的誤動作。

2.3.4 一次調頻試驗的 PID參數整定與傳統PID參數之間沖突的解決辦法

傳統上很多基于PLC控制的微機調速器都是采用一套PID參數，在進行一次調頻試驗的時候肯定要對PID參數進行大幅度的修改。如果在空載的時候還是使用一次調頻的PID參數，調速器的空載調節質量就會大大降低，所以，部分調速器在做一次調頻試驗的時候就需要增加一套負載PID參數。這樣的話，一次調頻進行的參數整定就不會影響到調速器的空載調節品質。

3 結語

調速器對一次調頻的動作控制是很有效的，調節范圍非常寬廣，參數的設定對一次調頻的調節品質影響非常大，只要參數設定合理，一次調頻試驗的效果是肯定可以出來的。按照上述方法，我公司分別在雨城(軸流轉槳式、單機容量20 MW)、銅頭(混流式、單機容量20MW)、小關子(混流式、單機容量40MW)、磽磧(混流式、單機容量80MW)、寶興(混流式、單機容量42MW)等電站進行了一次調頻試驗并投運成功，這些電站的調速器均采用了當前比較流行的比例伺服閥類、雙調節調速器。筆者認為，對于可編程微機調速器PID參數的一般設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。人工頻率死區一般設定為 0.03 ～0.033 Hz(部分地區要求為0.05Hz，可設定為0.045～0.05Hz)。

［1］于達仁，郭鈺鋒，徐基豫.發電機組并網運行一次調頻的穩定性［J］.中國電機工程學報，2000，20(9):59 －63.

［2］李 華，張文華.水輪機調速器調節參數對機組一次調頻的影響［J］.西北電力技術，2005，33(3):6 －8.

［3］羅德柱，張燕平，等.發電機組一次調頻監測信息的分析研究［J］.陜西電力，2012，40(2):77－81.