一次調頻積分電量考核與探討

張磊磊，蘭東宏，徐劍

(華能瀾滄江水電有限公司糯扎渡水電廠，云南 普洱 665005)

0 前言

并網機組一次調頻功能對維持的電網穩定運行有著重要作用，某電站在機組調試期間已經完成一次調頻相關試驗，一次調頻功能正確。但投產后，電站多臺機組在低水頭大開度工況下，發生了因一次調頻積分電量不夠而被考核的事件。電網對機組一次調頻的考核包括兩個方面:并網機組一次調頻功能是否正常投入;一次調頻動作的積分電量是否滿足電網要求。

1 一次調頻動作原理

1.1 一次調頻動作原理

一次調頻相關的參數包括一次調頻動作死區、計算死區f0、永泰轉差系數、PID 參數、轉速死區ix 等。糯扎渡電站一次調頻動作死區0.05 Hz，計算死區0.01 Hz，永泰轉差系數Bp=4%，Kp=4，Ki=3，Kd=1，轉速死區ix 為0.016% (5#機組試驗結果)。PID 參數只影響調節過程，不影響一次調頻的調節結果，調速系統最終的調節量只與Bp、計算死區和調速系統的轉速死區有關。因調速系統轉速死區很小，分析時可以不考慮其影響。導葉一次調頻的動作結果為一定值，計算如下:

YPID=(△f/50)/BP，一次調頻的動作量

△f=(網頻–50－f0)計算用頻差

1.2 一次調頻調節效果低

接力器定位時只定位“0”點和“100%”全開點。若接力器行程與導葉開口成非線性，即導葉大開度下同樣的接力器行程對應的導葉實際開度變化量小于在導葉低開度下的開度變化量，那么在導葉大開度下一次調頻同樣的調節量對應的調節效果將變差。根據1#機組現場實際測量，接力器行程與導葉開口關系曲線與設計存在一定偏差，但整體線性度較好。特別是在大開度下接力器動作相同值導葉開口變化更大。所以接力器定位時只定位0%和100%開度不會對調速系統的一次調頻效果造成明顯影響。

圖1 接力器與導葉開度關系

1.3 導葉大開度下機組效率降低

導葉開度大于95%出力限制線后，水輪機效率降低。特別是在低水頭下，同樣的導葉開度機組過流量減少，機組出力降低。導葉動作相同的開度，機組改變的出力將減少。此種情況下可能會影響一次調頻的調節效果，減少一次調頻的積分電量。但是糯扎渡電站投產機組并非每臺次機組在低水頭大開度下一次調頻動作均會被考核，這就足以說明低水頭大開度下雖然水輪機效率降低，但不足以導致一次調頻積分電量不夠。圖2是糯扎渡電站1 號機組低水頭下開度負荷曲線，從測量結果可以看出，導葉開度在96%時，單位開度對應的功率變化最小，為2.414 MW，其他開度的功率變化值均大于此點。根據計算，即使在96%開度附近(一次調頻只要動作，其最小動作量為2%，此處取95～97%單位開度功率變化平均值)，實際動作積分電量(計算值)總大于理論積分電量的50%。具體計算如下:

理論積分電量公式為

P 為一次調頻動作后機組的實時功率，P0為一次調頻動作開始的機組功率。動作積分電量為二者之差對時間的積分。f 為系統頻率，f0為理論積分電量計算死區頻值(50.05 Hz 或49.95 Hz)，ε%為電網調差率，取值5%，Pk為額定功率。

圖2 單位開度功率變化圖

3#機組、5#機組運行在低水頭下，導葉開度均在97%左右。機組一次調頻正確動作后，3#機組積分電量滿足要求，而5#機組積分電量不滿足要求。查看3#、5#機組運行相關曲線發現，3#機組一次調頻動作后導葉動作量正確，而5#機組一次調頻后導葉動作完成又被拉回，導致了5#機組一次調頻積分電量不夠。通過以上計算分析和實際情況驗證可以確定，只要導葉能夠按照一次調頻計算邏輯動作，就能保證機組的積分電量滿足電網要求，低水頭大開度下機組效率、水頭、流量等因素不會對一次調頻的積分電量造成很大的影響。

1.4 一次調頻動作時AGC 動作

機組一次調頻動作時，監控AGC 動作，必然會影響一次調頻的調節效果。但是此種情況可以申請免考，且查詢曲線后發現，被考核機組在一次調頻動作時均無AGC 動作信號，因此這種情況不必分析。

1.5 電網頻率在動作死區附近

電站一次調頻死區為0.05 Hz，當電網頻率在50.05 Hz 或49.95 Hz 附近波動時，一次調頻將不斷的動作復歸，導致導葉每次J 均不能調整到位。但南方電網對一次調頻評價的啟動條件包含以下三點:達到動作死區、一次調頻動作時間延時超過15 s、一次調頻過程中電網頻率最大值超過0.065 Hz。這三個條件可以保證電網頻率在調頻死區0.05 Hz 附近波動時不被列入考核。

1.6 正常功率對積分電量計算影響

導葉不動作時，機組功率波動偏差量最大為5 MW。計算一次調頻實際積分電量時P0 取功率高點和低點在一分鐘內的積分電量偏差△Q=5*60/3 600=0.083 MWh。對表1 的計算值進行修正，實際最大可能的影響僅為上述計算值的一半，此處直接減去功率波動計算積分電量偏差，其結果仍然大于理論積分電量的50%。

1.7 調速系統控制程序漏洞

電站7#機組一次調頻積分電量不夠被考核，從圖中可以發現，機組一次調頻動作前監控顯示機組導葉開度為99.26%。調速系統對導葉的開度限制為99.5%，因監控系統和調速系統導葉開度定位存在一定偏差，實際此時導葉已經處于調速系統的電氣開限99.5%。當系統頻率超過50.05 Hz 時，機組一次調頻正確動作，但導葉開度未發生變化。經檢查此原因屬于調速系統的程序漏洞。

調速系統計算導葉給定的程序如下:GV_Give=Ynld+YPID+Pgv，GV_ Give 為導葉給定，Ynld為空載開度，YPID為主環PID 輸出，Pgv為監控給定。程序中GV_ Give 限幅為99.5%，Pgv限幅為－10%到100%。當監控增加Pgv 給定時，GV_Give 增大，導葉開度增大。因調速系統接收到監控系統的增加命令，至機組的負荷增加需要一個過程，當Ynld+YPID+Pgv=99.5%，導葉并未動作到位或監控系統未監測到機組達到負荷上限。此時監控系統會繼續增加Pgv 給定值，這樣將會使得Ynld+YPID+Pgv＞99.5%，但調速系統只會按99.5%執行。程序中Pgv 中的多余給定量將一直存在。

此工況下，若電網頻率高頻達到一次調頻動作值，一次調頻將會動作。YPID 將會有負值輸出，關閉導葉。但由于Pgv 中存在多余的給定量，YPID 的負值輸出量將會被Pgv 中多余的給定量抵消。至于YPID 負值量會被抵消多少則取決于Pgv中多余量。這就是7#機組在導葉全開狀態下一次調頻動作而導葉開度未變化的原因。其他機組也存在同樣的問題。

5#機組一次調頻積分電量不夠的原因和7#機組并不一樣，5#機組在電網頻率超過頻率死區后一次調頻正確動作。此時電網頻率為50.06Hz，導葉開度為97.9%，則根據公式計算:

此時電網頻率為高頻，所以導葉應該關閉2.5%開度。在一次調頻動作初期，導葉關閉量的確達到了2.5%，但隨后導葉又被開啟，實際相當于機組一次調頻動作后導葉并未得到有效的響應。程序中GV_ Give=Ynld+YPID+Pgv，導葉給定只與空載開度、PID 輸出和監控給定有關。人工水頭下對應的空載開度Ynld 為一定值，不會發生改變。導葉動作與否只與PID 輸出和監控給定有關。調速系統在一次調頻初期能正確動作并且動作量滿足要求，所以懷疑導葉被關回與監控系統的Pgv 有關。

監控系統在機組一次調頻時不參與調節，即一次調頻動作后機組負荷變化即使超過監控調節死區，監控并不會進行調節，除非監控系統重新賦值。所以為了避免在機組一次調頻過程中監控Pgv 發生改變(重新賦值除外)，可以將調速系統控制程序進行相應修改，使得一次調頻動作時Pgv 的值保持為一次調頻動作時的初始值。此辦法即可以避免一次調頻時受到監控的干擾，也與監控系統的控制邏輯相符。

2 解決辦法

2.1 修改控制程序

導葉全開時Pgv 值的修改

程序變量定義如下:

Di_ Inc 監控增加令 Gv_ Hand_ In 調速器手動Di_ Inc_ Timer 增加計時器Trp 監控調整步長Pgv_ Reserve 中間變量Gv_ Max_ Limit 導葉最大開度限制Gv_ Give 導葉給定.

原程序如下:

2.2 閉鎖監控Pgv 的增減

監控系統重新賦值時其開關量P.new=1。一次調頻動作時，若監控系統未重新賦值，則閉鎖監控系統增減命令。此處需將監控系統開關量P.new 接至調速系統。對上面的程序進行修改

修改后程序如下:

開度模式及功率模式下監控增加令及觸摸屏上的增加令需做同樣的更改。

2.3 不設計算死區

電站計算死區為0.01Hz，由YPID=(△f/50)/ bp 可以計算出計算死區設為0Hz 后，一次調頻動作對應于導葉的開度值將增加0.5%。考慮機組功率波動和低水頭大開度效率、流量和水頭的影響，建議將計算死區改為0Hz，以保證導葉足夠的動作量。

3 結束語

以上分析了造糯電站一次調頻積分電量不夠的原因。在1 號機組調試期間，監控系統對一次調頻存在影響的問題已經通過試驗得到驗證。監控系統控制邏輯不完善，導致了對一次調頻的影響，相關控制邏輯已經進行了修改。為避免調速系統程序修改太多，對其他運行工況造成影響，上述一次調頻閉鎖監控系統給定的程序可以不進行修改。