桐柏抽水蓄能電站一次調頻性能試驗與分析

朱佳，戴建軍

（華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江天臺317200）

桐柏抽水蓄能電站一次調頻性能試驗與分析

朱佳，戴建軍

（華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江天臺317200）

為驗證桐柏抽水蓄能電站機組調速器系統檢修后一次調頻性能是否滿足《華東區域發電廠并網運行管理實施細則（試行）》和《華東區域并網發電廠輔助服務管理實施細則（試行）》中關于一次調頻性能指標的要求，對機組進行了一次調頻性能試驗，并分析試驗結果，在保證機組安全穩定運行的前提下，對調速器參數進行優化，使得機組一次調頻性能達到電網要求。

抽水蓄能；調速器；一次調頻；PID；調節參數

1 引言

桐柏抽水蓄能電站位于浙江省天臺縣，總裝機容量為1 200 MW，設有4臺單機300 MW的立軸單極混流可逆式機組，在系統中承擔調峰、填谷、調頻、調相以及事故備用任務。

抽水蓄能機組具備較強的一次調頻能力,是電網頻率穩定的重要保證。為了更好地發揮大型抽水蓄能機組在電力系統中的作用，對大型抽水蓄能機組進行一次調頻性能試驗及優化，顯得尤為重要。桐柏抽水蓄能電站根據《華東區域發電廠并網運行管理實施細則（試行）》和《華東區域并網發電廠輔助服務管理實施細則（試行）》中關于一次調頻性能指標的要求，對機組進行了一次調頻性能試驗。本文以桐柏抽水蓄能電站1號機為例，介紹了大型抽水蓄能機組一次調頻性能試驗及分析。

2 一次調頻技術指標

華東電網要求水電機組應該達到的一次調頻技術指標如下，一次調頻性能試驗即以此指標為指導。

（1）機組一次調頻的頻率死區控制在±0.05 Hz范圍內；

（2）機組的轉差率不大于4%；

（3）最大調整負荷限幅：為確保一次調頻投入后機組的安全運行，一次調頻的最大調整負荷限制幅度為機組額定負荷的±10%；

（4）機組調速器轉速死區小于0.04%；

（5）投運范圍：機組一次調頻投運范圍為機組核定的有功出力范圍，即機組在核定的最低和最高有功出力范圍內。

（6）響應行為：額定水頭在50 m及以上的水電機組，其一次調頻負荷響應滯后時間應小于4 s；額定水頭在50 m及以下的水電機組，其一次調頻負荷響應滯后時間應小于8 s；當電網頻率變化超過機組一次調頻的頻率死區時，機組一次調頻的負荷調整幅度應在15 s內達到該工況下的一次調頻目標負荷調整幅度的90%；在電網頻率變化超過機組一次調頻死區時開始的45 s內，機組實際出力與機組響應目標偏差的平均值應在機組額定有功出力的±3%以內。

3 轉速死區測試

針對一次調頻技術指標中轉速死區小于0.04%的要求，按《DL/T496-2001水輪機電液調節系統及裝置調整試驗導則》中的靜特性法測轉速死區的試驗步驟，在bp＝6%工況下測試調速器固有的轉速死區。試驗結果如表1所示，計算得出轉速死區為0.012%，滿足考核要求。

表1.號機轉速死區數據

4 一次調頻性能試驗方法和內容

4.1.驗方法

一次調頻的試驗方法是通過模擬頻率偏差（頻率參考-實際機頻），使機組功率跟隨頻差發生變化來驗證原動機一次調頻的功能和性能。為避免實際機頻波動對響應的影響，在電調中增加臨時邏輯，試驗時不使用實際頻率偏差，切換到人為設定的固定頻差值。

4.2.驗工況

抽水蓄能機組與常規水電機組的顯著差異之一是水頭變化頻繁且幅度大，而水頭對機組功率有非線性影響，此外導葉開度對機組功率也有非線性影響。為確保機組在所有運行工況下均滿足一次調頻響應的快速性和穩定性，需選取有代表性的工況進行試驗。

根據歷史運行經驗，選取日常運行水頭范圍內的高水頭和低水頭，并在同一水頭下分別在運行負荷范圍的最低負荷，中間負荷和高負荷3個負荷點進行一次調頻性能考核：

高水頭（275 m左右）：200 MW、250 MW、300 MW；

低水頭（245 m左右）：200 MW、250 MW、300 MW。

4.3.驗內容

在不同水頭下的3個試驗主要負荷點選取的6個一次調頻性能考核工況下，分別進行下列試驗：

（1）頻率死區試驗（±0.05 Hz）；（2）小幅度頻差試驗（±0.15 Hz）；（3）大幅度頻差試驗（±0.20 Hz）；（4）電網事故頻差試驗（±0.3 Hz）。

5 1號機一次調頻性能試驗分析

5.1.率死區

調速器邏輯中人工死區設為±0.04 Hz，頻率死區測試時設頻率偏差為±0.05 Hz，測試導葉和負荷是否變化。圖1是低水頭300 MW工況下頻率死區響應曲線，圖2是高水頭300 MW工況下頻率死區響應曲線。各工況下頻差大于人工死區后導葉均立即動作，但負荷響應相對緩慢，存在滯后。

圖1.水頭300 MW工況頻率死區曲線

圖2.水頭300 MW工況頻率死區曲線

5.2.應行為

一次調頻性能試驗在不同工況下分別進行了不同幅度的頻差階躍試驗，在此選取兩個有代表意義工況下的試驗曲線分析。選取的試驗曲線針對水機的非線性特征，若低水頭高負荷工況下一次調頻響應速度符合要求，則基本所有工況響應速度均符合；若高水頭低負荷工況下一次調頻穩定，則基本所有工況響應特性均不會有嚴重超調和振蕩。

圖3是低水頭300 MW工況下階躍頻差為-0.2 Hz的響應曲線，負荷響應速度稍慢，響應延遲大于4 s。圖4是高水頭200 MW工況下階躍頻差為+0.2 Hz的響應曲線，負荷響應迅速，負荷響應有超調和衰減過程，但總體響應特性穩定。

圖3.水頭300 MW工況-0.2 Hz響應曲線

圖4.水頭200 MW工況+0.2 Hz響應曲線

5.3.運范圍測試

調速器邏輯設置機組并網后一次調頻即投入，無一次調頻投運范圍下限，機組最大出力限幅為額定的104%。圖5是低水頭200 MW工況下模擬-0.15 Hz頻差的響應曲線，當機組運行于核定負荷調節范圍下限時，若頻率升高，機組功率將根據頻差大小相應降低，無一次調頻投運范圍下限。圖6是低水頭300 MW工況下模擬+0.2 Hz頻差的響應曲線，按頻差計算，功率設定值應為322.95 MW，由于一次調頻上限功能作用，功率設定值限制在軟件設定的最大超發功率312 MW，機組實際負荷響應能達設定值，但導葉開度接近開限。

圖5.水頭200 MW工況-0.15 Hz響應曲線

5.4.頻限幅測試

調速器邏輯設置±10%額定負荷的調頻限幅，轉差率等于4%對應±0.25 Hz的頻率偏差，當頻率偏差大于±0.25 Hz時，機組功率設定值變化將限制在額定負荷的±10%。圖7是低水頭300 MW工況模擬-0.3 Hz頻率偏差的響應曲線，功率設定值被限制在270 MW。

圖6.水頭300 MW工況+0.2 Hz響應曲線

圖7.水頭300 MW工況一次調頻限幅功能

5.5.1.機一次調頻性能試驗結論

通過對1號機進行一次調頻性能試驗并對試驗結果進行分析，針對1號機得到如下結論：

（1）轉差率參數設4%時，功率設定值按相應函數關系變化，實際響應功率與設定值偏差在0.8 MW功率死區范圍內；

（2）靜特性試驗，表明調速器的轉速死區小于0.04%；

（3）電調人工死區設為±0.04 Hz，頻率死區小于±0.05 Hz；

（4）實際最大調整負荷限幅為機組額定負荷的±10%；

（5）一次調頻投運范圍無下限，最高出力限制為104%；

（6）在高水頭整個投運負荷范圍內（200 MW～300 MW）和低水頭低負荷段，一次調頻響應滯后在4 s左右，15 s和45 s的響應行為指標均滿足要求；

（7）在低水頭高負荷工況，受機組固有的功率反調特性影響，一次調頻響應滯后時間稍大于4 s；受機組固有的功率響應非線性影響，一次調頻的響應行為將稍微變慢，達90%目標負荷時間大于15 s。

綜上所述，桐柏抽水蓄能電站1號機組具有一次調頻功能，在投運負荷范圍內（200 MW～300 MW）和正常運行水頭范圍（245 m～275 m）內，一次調頻性能基本滿足試驗考核指標要求。針對在低水頭高負荷工況一次調頻的響應行為稍慢，達90%目標負荷時間大于15 s的情況，需要通過修改調速器PID參數進行調整，由于調整參數對調速器性能影響較大，需進一步深入分析討論后再進行優化。

6 結論

桐柏抽水蓄能電站通過機組的一次調頻性能試驗,加深了對機組調速器系統的靜態、動態特性的了解,發現了存在的問題，指出了下一步研究的方向。今后將針對存在的問題進一步分析研究，提高機組一次調頻性能，全力保障華東電網的安全、穩定運行。

[1]梅祖彥.抽水蓄能發電技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]華東區域發電廠并網運行管理實施細則（試行）[Z].

[3]華東區域并網發電廠輔助服務管理實施細則（試行）

TV743

A

1672-5387（2017）09-0006-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.09.003

2017-06-19

朱佳（1982-），男，工程師，從事抽水蓄能電廠運行維護工作。