糯扎渡電站一次調(diào)頻合格率提高淺析

李 青，浦恩任，秦 磊

（華能瀾滄江水電股份有限公司集控中心，云南 昆明650300）

0 引言

監(jiān)測和控制電網(wǎng)頻率是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要任務(wù)之一。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)頻率會(huì)隨著電網(wǎng)負(fù)載改變而改變，所以按照中國電網(wǎng)頻率數(shù)值一般就是50 Hz，通過發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)和電網(wǎng)AGC系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)能源側(cè)的供電，來適應(yīng)負(fù)荷側(cè)電力的變化，實(shí)現(xiàn)發(fā)電和電力消耗之間的平衡，使電網(wǎng)的頻率保持在接近50 Hz的允許范圍內(nèi)。

調(diào)速器的主要任務(wù)是在單機(jī)帶負(fù)荷時(shí)根據(jù)偏離機(jī)組頻率（轉(zhuǎn)速）額定值的偏差，調(diào)節(jié)水輪機(jī)導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)，調(diào)整汽輪機(jī)導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)，保持機(jī)組輸出功率與功率消耗的平衡，使機(jī)組的頻率盡可能保持在額定值附近的允許范圍內(nèi)，避免一次調(diào)頻動(dòng)作不合格導(dǎo)致的電量考核。糯扎渡電站機(jī)組主要存在導(dǎo)葉大開度時(shí)，導(dǎo)葉動(dòng)作量不足一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)受影響，進(jìn)而導(dǎo)致一次調(diào)頻考核。

1 影響一次調(diào)頻的因素

我國電力發(fā)電運(yùn)行的主要管控裝置含有調(diào)速器系統(tǒng)。調(diào)速器系統(tǒng)主要任務(wù)是負(fù)擔(dān)整個(gè)機(jī)組的開機(jī)、關(guān)機(jī)、調(diào)節(jié)負(fù)載、調(diào)速等多項(xiàng)任務(wù)。機(jī)組的一次調(diào)頻的管控與調(diào)整是由該系統(tǒng)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的。在該系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整過程中，不管是動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的特點(diǎn)還是調(diào)整的質(zhì)量都和該系統(tǒng)所設(shè)定的調(diào)速器參數(shù)的設(shè)定息息相關(guān)。最近幾年，由于科技技術(shù)的飛速發(fā)展，我國在調(diào)速器的生產(chǎn)水平與技術(shù)這兩方面發(fā)展的速度很快，所以該設(shè)備不但持續(xù)研發(fā)了新的構(gòu)造，而且完善和加強(qiáng)了管控方法和調(diào)整方式。當(dāng)前，調(diào)速器的參數(shù)設(shè)置主要有下面幾個(gè)，如：微分增益、比例增益、人工死區(qū)、積分增益和永態(tài)轉(zhuǎn)差率等等。因?yàn)檫@些參數(shù)的設(shè)置會(huì)極大改變電機(jī)組的一次調(diào)頻能力，所以如果參數(shù)的設(shè)置不匹配的話，那么電機(jī)組的第一次調(diào)頻不能達(dá)到預(yù)期的能力，嚴(yán)重造成反調(diào)整，甚至造成電網(wǎng)事故。

調(diào)速器參數(shù)設(shè)置的大小和每一個(gè)機(jī)組能否調(diào)節(jié)到該系統(tǒng)變成負(fù)荷的能力有緊密聯(lián)系，相當(dāng)于對該系統(tǒng)頻率的調(diào)整能力。要想達(dá)到系統(tǒng)的頻率調(diào)整能力強(qiáng)的效果，就必須使永態(tài)轉(zhuǎn)差率數(shù)值變小。同時(shí)，如果機(jī)組的容量在整個(gè)系統(tǒng)中占很重的比率時(shí)，那么參數(shù)的設(shè)置對電網(wǎng)頻率的影響就很大。我國當(dāng)前采用的微機(jī)調(diào)速器機(jī)組可以對這個(gè)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。但由于水輪機(jī)組的出力與水頭有很大關(guān)系，若水頭不同，水流慣性導(dǎo)致機(jī)組的慣性調(diào)節(jié)即使永態(tài)轉(zhuǎn)差率相同，機(jī)組的一次調(diào)頻性能會(huì)出現(xiàn)很大的區(qū)別，因此在調(diào)節(jié)水輪機(jī)組調(diào)節(jié)器時(shí)要關(guān)注水頭的問題。

調(diào)速器人工頻率死區(qū)的設(shè)定。如果在死區(qū)出現(xiàn)系統(tǒng)頻率變化的時(shí)候，不但要人工在調(diào)整單元的靜態(tài)特性上設(shè)定頻率死區(qū)，而且系統(tǒng)頻率變化時(shí)機(jī)組的頻率調(diào)整不跟著變化，以致于達(dá)到保持固定的負(fù)載不變的目的，讓機(jī)組的基本負(fù)載更加穩(wěn)定。因此，必須綜合考慮人工頻率死區(qū)的設(shè)置。如果死區(qū)設(shè)置太小，則不利于機(jī)組的穩(wěn)定性，而且死區(qū)太大，則不利于發(fā)揮機(jī)組的第一調(diào)頻功能。

運(yùn)行模式參數(shù)指當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生較大頻率波動(dòng)時(shí)影響調(diào)速器運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)行模式的變換參數(shù)，也就是當(dāng)系統(tǒng)頻率變動(dòng)到某個(gè)限制數(shù)值時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)的模式變換到速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)出廠時(shí)。該參數(shù)由制造商給出一個(gè)默認(rèn)值，并且該默認(rèn)值充分考慮保護(hù)機(jī)組在過頻率波動(dòng)過大或過小時(shí)受的影響，但在系統(tǒng)故障的情況下，電廠進(jìn)入孤島模式或在系統(tǒng)中負(fù)擔(dān)主要負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)中容積較大的發(fā)電廠將擔(dān)起調(diào)整系統(tǒng)頻率波動(dòng)的責(zé)任，所以設(shè)定參數(shù)尤為重要。

一次調(diào)頻參數(shù)的設(shè)定關(guān)系到機(jī)組的穩(wěn)定性。如果人工頻率死區(qū)所制定的范圍很廣泛，那么調(diào)差系數(shù)就會(huì)很大，這樣的話機(jī)組的穩(wěn)定性也會(huì)大大的加強(qiáng)，但奉獻(xiàn)給電網(wǎng)一次調(diào)頻的能力就不高。所以對于一次調(diào)頻參數(shù)的制定要與機(jī)組的穩(wěn)定情況相結(jié)合，同時(shí)要充分的考慮到一次調(diào)頻的快速反應(yīng)能力標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前務(wù)必要強(qiáng)化并網(wǎng)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)及其相關(guān)參數(shù)的設(shè)定與管控，達(dá)到機(jī)組的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)作的要求，不然將對電網(wǎng)和機(jī)組在事故發(fā)生時(shí)的安全運(yùn)行有不確定的因素存在。

2 一次調(diào)頻的考核計(jì)算

2.1 考核標(biāo)準(zhǔn)

對于如何考核一次調(diào)頻考核算法？現(xiàn)在主要是采用并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的方式，依次考核機(jī)組的一次調(diào)頻投運(yùn)率和動(dòng)作的準(zhǔn)確率。分開評估機(jī)組的一次調(diào)頻投運(yùn)率與其動(dòng)作的正確率，達(dá)到考察對象的目的。首先一次調(diào)頻動(dòng)作方向和電網(wǎng)頻率要求的方向必須保持一致，另外實(shí)現(xiàn)理論上面的數(shù)值的相對比率；如果在考核和核算一次調(diào)頻的評價(jià)時(shí)，要考慮到不同種類的、不同型號(hào)的機(jī)組自身的性質(zhì)，不僅需要在電腦機(jī)組的實(shí)際操作積分電量時(shí)合情合理的制定出死區(qū)，而且需要考慮和參照整個(gè)機(jī)組能力不足的狀況，如機(jī)組在超負(fù)載工作時(shí)等等[1]。

對服務(wù)年限長、人工依靠程度高、或者將被政府關(guān)停或經(jīng)過技改仍不達(dá)標(biāo)的電站機(jī)組，倘若被一些電力監(jiān)管機(jī)構(gòu)認(rèn)證和批準(zhǔn)以后，這些一次調(diào)頻機(jī)組其考核的方式就依照下面的公式進(jìn)行考察：

機(jī)組當(dāng)月一次調(diào)頻考核金額=（上月考核總金額÷上月參與考核總裝機(jī)容量）×機(jī)組額定容量×μ。μ在0.1～0.5之間進(jìn)行取數(shù)。

2.1.1 考核時(shí)段

以15 min為一個(gè)考核時(shí)段，按月統(tǒng)計(jì)考核電量，年度匯總。

2.1.2 考核原則

如果想要依照一次調(diào)頻運(yùn)行的時(shí)間總計(jì)就要進(jìn)行一次調(diào)頻投運(yùn)；

如果根據(jù)次數(shù)進(jìn)行考核就要一次調(diào)頻動(dòng)作。

2.1.3 基礎(chǔ)源數(shù)據(jù)

實(shí)時(shí)機(jī)組出力信息主要被使用在計(jì)算電力工廠真正的出力曲線；

機(jī)組實(shí)際出力限值信息：用于對因調(diào)節(jié)能力不足造成的動(dòng)作不合格給予免考；

系統(tǒng)實(shí)時(shí)頻率信息：用于描繪系統(tǒng)頻率實(shí)時(shí)波動(dòng)，統(tǒng)計(jì)應(yīng)動(dòng)作次數(shù)；

機(jī)組一次調(diào)頻投運(yùn)信息：用于統(tǒng)計(jì)機(jī)組一次調(diào)頻投運(yùn)時(shí)間；

AGC動(dòng)作指令信息：用于對因AGC動(dòng)作造成的一次調(diào)頻不合格時(shí)段給予免考[2]。

2.1.4 考核算法

下面我們用機(jī)組k第i次動(dòng)作為例子，來看看考核的計(jì)算方法評價(jià)。

一次調(diào)頻月度合格率計(jì)算方法公式如下：

其中，Mk是一次調(diào)頻進(jìn)行動(dòng)作次數(shù)；Nk是機(jī)組k不符合規(guī)定的次數(shù)（只取參加了一次調(diào)頻動(dòng)作的評估總數(shù)）。

如果月度計(jì)算次數(shù)擁有下面的所有情況，那么就可以稱為一次調(diào)頻應(yīng)動(dòng)作次數(shù)Mk，水電機(jī)組和火電機(jī)組是不一樣的：

持續(xù)時(shí)間超過動(dòng)作延時(shí)（15 s）；

電網(wǎng)頻率過動(dòng)作死區(qū)（火電機(jī)組＞0.033 Hz，水電機(jī)組＞0.05 Hz）；

電網(wǎng)頻率過動(dòng)作死區(qū)最開始的15 s都屬于死區(qū)范圍里。

如果頻率波動(dòng)包括下面的情況，那么機(jī)組將面臨再一次的調(diào)頻動(dòng)作考核和核算：

持續(xù)時(shí)間超過動(dòng)作延時(shí)（15 s）；

電網(wǎng)頻率過動(dòng)作死區(qū)（火電機(jī)組＞0.033 Hz，水電機(jī)組 ＞0.05 Hz）；

中間的頻率峰值超出評估門檻（＞0.05 Hz）；

電網(wǎng)頻率過動(dòng)作死區(qū)最開始的15 s都屬于死區(qū)范圍里。

機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作的積分電量Qr達(dá)到理論動(dòng)作積分電量Qt的一半判為動(dòng)作合格，那么我們進(jìn)行如下計(jì)算：

積分起始結(jié)束時(shí)間選取方法如下：

圖1 考核計(jì)算選取圖

頻率過一次調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)為a點(diǎn)，此時(shí)對應(yīng)時(shí)間為t3，過考核峰值門檻后的最大值為c點(diǎn)，此時(shí)對應(yīng)的時(shí)間為t0，頻率復(fù)歸點(diǎn)為e點(diǎn)，此時(shí)對應(yīng)時(shí)間為t4，以t0時(shí)刻偏中心向兩邊延展30 s，記為t1點(diǎn)和t2點(diǎn)，分別對應(yīng)頻率點(diǎn)為b點(diǎn)和d點(diǎn)，則一次調(diào)頻的考核時(shí)間段算法如下：

①滿足t4-t3＞60 s，考核時(shí)間為從t3到t4之間。

②滿足t3＜t1且t2＜t4，考核時(shí)間從t1到t2之間。

③滿足t4-t3＞60 s且t3＞t1且t2＜t4，考核時(shí)間從t3到t3+60 s之間。

④滿足t4-t3＞60 s且t3＜t1且t2＞t4，考核時(shí)間從t4-60 s到t4之間。

評估有效的積分是指起始功率為t3點(diǎn)對應(yīng)的功率，而非考核起始點(diǎn)時(shí)的發(fā)電機(jī)功率。頻率回到死區(qū)超過3 s，即可認(rèn)為本次考核結(jié)束[3]。

2.2 免考計(jì)算方法

存在AGC指令干擾的一次調(diào)頻動(dòng)作不合格自動(dòng)免考，算法如下：

①Φ代表空集；

②τi1為免考標(biāo)志；

③ta1為一次調(diào)頻動(dòng)作期間或之前20 min內(nèi)存在AGC指令的動(dòng)作起始時(shí)間；

④ta2為該AGC動(dòng)作結(jié)束時(shí)間；

⑤tp1為一次調(diào)頻動(dòng)作起始時(shí)間；

⑥tp2為一次調(diào)頻動(dòng)作結(jié)束時(shí)間。

如果因?yàn)闄C(jī)組在額定容量或者最小技術(shù)出力周圍運(yùn)行，那么沒有辦法滿足一次調(diào)頻動(dòng)作而要求自動(dòng)免考，算法如下：（根據(jù)理論動(dòng)作幅度判斷死區(qū)）

無調(diào)節(jié)能力水電機(jī)組、燈泡貫流式水電機(jī)組低于70%額定水頭。如果一次調(diào)頻動(dòng)作所處時(shí)段機(jī)組水頭低于額定水頭70%，則該條一次調(diào)頻動(dòng)作免考。

非電廠原因?qū)е码姀S和電網(wǎng)兩側(cè)頻率、功率測量存在明顯不一致造成考核不合理：人工設(shè)置。

非電廠原因造成一次調(diào)頻不合格，該時(shí)段不計(jì)算投運(yùn)率：人工設(shè)置。

供熱機(jī)組由于當(dāng)前供熱量發(fā)生正負(fù)15%及以上突變導(dǎo)致的考核：根據(jù)上報(bào)的供熱機(jī)組供熱量發(fā)生正負(fù)15%的時(shí)段，判斷處于該時(shí)段的一次調(diào)頻動(dòng)作免考[2]。

本次動(dòng)作是否免考，計(jì)算方法：

最終，統(tǒng)計(jì)機(jī)組k月度考核電量Qk：

其中，Yk為一次調(diào)頻投運(yùn)率。

3 糯扎渡電廠一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)模式

在機(jī)組并網(wǎng)前空載狀態(tài)，調(diào)速器控制機(jī)組跟蹤頻率給定值使用頻率模式調(diào)節(jié)，使機(jī)組能快速達(dá)到預(yù)定頻率。機(jī)組并網(wǎng)后，默認(rèn)開度模式為控制模式，調(diào)速器控制機(jī)組跟蹤導(dǎo)葉開度給定值。并網(wǎng)后一次調(diào)頻主要由監(jiān)控系統(tǒng)來完成，監(jiān)控系統(tǒng)通過AGC來反映當(dāng)前機(jī)組有功設(shè)定值和機(jī)組功率反饋值，來計(jì)算兩者差值，然后換算成相應(yīng)的增、減調(diào)節(jié)脈沖命令給電調(diào)。此時(shí)，調(diào)速器作為一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)變化接受監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)來的增、減脈沖命令來調(diào)整機(jī)組有功，從而達(dá)到有功調(diào)節(jié)的目的。

圖2 一次調(diào)頻配合原理框圖

圖3 一次調(diào)頻原理框圖

PID調(diào)節(jié)框圖稱為頻率主環(huán)，BP為調(diào)差系數(shù)，空載時(shí)，BP和死區(qū)都為零，PID調(diào)節(jié)參數(shù)采用空載參數(shù)，并網(wǎng)時(shí)，BP和死區(qū)為設(shè)定值，PID調(diào)節(jié)參數(shù)采用負(fù)載參數(shù)，功率通常由監(jiān)控系統(tǒng)來調(diào)整，直接作用于導(dǎo)葉位置輸出，右邊的PI調(diào)節(jié)框圖稱為導(dǎo)葉副環(huán)，它是由軟件來管控導(dǎo)葉閉環(huán)，最后控制輸出就是對應(yīng)導(dǎo)葉偏差的增量信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后傳輸給電液轉(zhuǎn)換器。

空載時(shí)，BP為零（BP為零的目的是因?yàn)橐{(diào)整頻率到目標(biāo)值，這樣開度需要一個(gè)寬泛的調(diào)整范圍和速度性，如果BP設(shè)有一定的數(shù)值，如果過大會(huì)造成導(dǎo)葉調(diào)節(jié)不到位的情況），死區(qū)為零（因?yàn)槭穷l率為控制對象，所以要控制極度精準(zhǔn)，所以不能設(shè)有死區(qū)，如果有死區(qū)，即不能設(shè)置精準(zhǔn)的目標(biāo)值），PID調(diào)節(jié)參數(shù)就使用空載參數(shù)[4]。

并網(wǎng)時(shí)，BP和死區(qū)為設(shè)定值，PID調(diào)節(jié)參數(shù)采用負(fù)載參數(shù)，功率通常由監(jiān)控系統(tǒng)來調(diào)整，直接作用于導(dǎo)葉位置輸出，導(dǎo)葉給定有三部分組成：Gv_Give=Pgv+Ynld+Ypid（公式 1）

Pgv為監(jiān)控脈沖功率給定（內(nèi)部折算出的導(dǎo)葉開度，是監(jiān)控增減功過程中逐步疊加的一個(gè)導(dǎo)葉開度給定）；程序內(nèi)部實(shí)現(xiàn)是以公式2進(jìn)行：Pgv=Pgv+Trp/100（公式 2）

Ynld為空載開度；該空載開度為定值，每個(gè)水頭下都對應(yīng)一個(gè)相應(yīng)的空載開度，以滿足開機(jī)，空載控制需要。舉例糯扎渡電廠空載開度和水頭對應(yīng)關(guān)系如表1：

表1 一次調(diào)頻對應(yīng)各水頭下的導(dǎo)葉空載開度

Ypid為根據(jù)頻差計(jì)算出的PID輸出的開度。程序內(nèi)部計(jì)算靠公式Y(jié)pid=Yp+Yd+int（Yi/20000）計(jì)算。

4 具體實(shí)施步驟

4.1 對調(diào)速器進(jìn)行導(dǎo)葉開度試驗(yàn)

當(dāng)機(jī)組在發(fā)電態(tài)，導(dǎo)葉開度設(shè)置不同參數(shù)時(shí)檢查開度，在調(diào)速器參數(shù)中輸入各個(gè)試驗(yàn)導(dǎo)葉開度量，試驗(yàn)步驟如下：

在7號(hào)機(jī)組調(diào)速器電氣柜進(jìn)行一次調(diào)頻模擬試驗(yàn)，PID輸出未設(shè)置2%疊加量。在70%導(dǎo)葉開度附近試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2：

表2 70%導(dǎo)葉開度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在7號(hào)機(jī)組調(diào)速器電氣柜進(jìn)行一次調(diào)頻模擬試驗(yàn)，PID輸出未設(shè)置2%疊加量。在90%導(dǎo)葉開度附近試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3：

表3 90%導(dǎo)葉開度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對應(yīng)導(dǎo)葉開度曲線如圖4：

圖4 導(dǎo)葉大開度對比圖

試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)機(jī)組在發(fā)電態(tài)，導(dǎo)葉開度設(shè)置不同參數(shù)時(shí)檢查開度，在調(diào)速器參數(shù)中輸入各個(gè)試驗(yàn)導(dǎo)葉開度量，試驗(yàn)表明，導(dǎo)葉開度正確。

4.2 對調(diào)速器程序修改設(shè)置疊加量

對調(diào)速器電氣柜上對調(diào)速器程序中進(jìn)行控制邏輯修改，當(dāng)導(dǎo)葉開度大于92%時(shí)，一次調(diào)頻動(dòng)作，導(dǎo)葉給定自動(dòng)疊加一定開度后再次進(jìn)行試驗(yàn)（見圖5、圖 6、表 4、表 5）。

圖5 程序未設(shè)置疊加量

5 結(jié)束語

通過對比導(dǎo)葉設(shè)置疊加量前后的導(dǎo)葉動(dòng)作量，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉開度在95%以上時(shí)設(shè)置疊加量后導(dǎo)葉動(dòng)作量明顯增加，符合了我們機(jī)組調(diào)節(jié)的相關(guān)要求，并且PID輸出已經(jīng)有了設(shè)置疊加量，滿足一次調(diào)頻考核要求。

圖6 程序設(shè)置疊加量

表4 95%未設(shè)置開度疊加量

表5 95%設(shè)置開度疊加量